簧爪插拔力对弹簧针连接器性能的影响研究

簧爪插拔力对弹簧针连接器性能的影响研究

顾承璟，姚茂云

贵州航天电器股份有限公司，贵州贵阳，550009

摘要：弹簧针连接器可实现设备内部、设备与设备间的垂直免焊互连，是助推电子设备小型化、多功能发展趋势的重要部件之一。本文结合理论计算、仿真分析及实验测试等方法研究了簧爪插拔力大小对弹簧针连接器性能的影响。研究结果表明：簧爪插拔力大小对弹簧针连接器接触可靠性有显著影响，当簧爪插拔力在0.1~0.25N范围内时，弹簧针连接器在经受机械寿命和振动试验前后接触电阻和压合力的变化率不超过10%，更有利于弹簧针连接器实现稳定、可靠接触。

关键词：弹簧针连接器；接触可靠性；接触电阻；压合力

1引言

电连接器作为电气设备控制信号传输与电气连接的关键元器件之一，广泛应用于载人航天、卫星通信、国防装备及汽车制造等行业。随着科技进步与国防武器装备升级，现如今军用电子设备正逐步朝小型化、低矮化、高密度及多功能方向发展。在军用设备现有的发展趋势下，基于弹性免焊接触的电连接器技术具有空间利用率高、体积小及高密度等优点，在舰载有源相控阵雷达T/R组件、弹上电气装备连接及精密器件可靠性测试等方面发展迅速，正逐步替代传统针孔式电连接器，成为引领武器装备升级和行业发展瓶颈突破的关键技术。

弹簧针连接器亦称 Pogo Pin连接器（Pogo为上下跳动的意思代指弹簧，Pin代表针体）。其典型结构有以下两种：第一种类型由针头、弹簧及针管组成，该类型具有结构简单、小间距及高密度等特点。自20世纪末开发以来，在通信、电力及军工等领域应用广泛，但该结构弹簧在实际使用时存在接触可靠性低、电流过载能力差及振动环境易瞬断等缺陷。第二种类型由针管、簧爪、弹簧及针头组成，该结构中弹簧主要实现弹性连接的功能，而电流和信号的传输主要通过簧爪、针头实现，该类型在继承第一种类型结构特点的情况下，提升了弹性针连接器接触可靠性、电流过载能力及抗振动性能。

现如今，随着武器装备型号小型化、轻量化发展趋势进一步提高。在高密度、小间距的局部空间内集成大电流、低频信号传输的弹簧针连接器应用越来越广泛。因此，弹簧针连接器的接触可靠性对设备温度可靠工作尤为重要，如何确保弹簧针连接器的接触可靠性已成为制约此类连接器发展的技术瓶颈。本文从理论出发推导了簧爪插拔力计算方法，并进行仿真验证，然后详细分析了簧爪插拔力大小对弹簧针连接器接触电阻和压合力的影响，为后续该类型产品的开发和应用提供一定的理论和实际指导。

2弹簧针连接器簧爪设计

2.1簧爪理论模型计算

依据弹簧针连接器的工作特点，簧爪固定于针体口部，当针头压缩弹簧后与簧爪喉部最小直径处接触，从而实现电信号的传输。下图为弹簧针连接器簧爪结构外形，采用为6瓣开槽式反转簧爪（见图2）。簧爪口部固定与针体中，而簧爪尾端处于悬空状态，在理论计算时簧爪尾部的每一片簧爪钧可简化为悬臂梁模型，其端部的抗弯强度R为：

式中：E为材料弹性模量；I为悬臂梁横截面惯性矩，l为单片簧爪长度。

假设簧爪端部挠度为σ，则每一片簧爪的接触压力Fp为：

对单片簧爪而言，横截面可近似简化为矩形，其截面惯性矩IX为：

式中：h为矩形横截面高度；b为矩形横截面宽度。

单片簧爪产生的接触摩擦力Ff为：

式中：μ为针头与簧爪接触表面的摩擦系数，取μ=0.2。

6片簧爪产生的总摩擦力为F为：

簧爪材料选用簧爪材料为QBe2，查其材料属性其弹性模量E=135GPa，单片簧爪长度l≈1.2 mm，σ≈0.05mm，b≈0.28mm，h≈0.1mm。将以上数值代入式（1）~（4），可得到6片簧爪产生的总摩擦力为F≈0.25N。

2.2簧爪插拔力仿真

图3 6瓣开槽式反转簧爪仿真网格划分与插拔力曲线分布，从图中可看出：电6瓣开槽式反转簧爪插拔力曲线分布平整、光滑，其插拔稳定后插入力在﹢0.21N左右，而最大拔出力在-0.22 N左右，满足上述理论计算要求。

3簧爪插拔力对弹簧针连接器性能影响分析

当簧爪装入针体后，由于装入状态细微差异其分离力也为大小不一。为研究簧爪插拔力对弹簧针连接器性能的影响，筛选出插拔力分别在0.1~0.25N、0.15~0.5N范围内的针体合件，采用相同的组装工序组装为成品。对不同插拔力的弹簧针连接器进行机械寿命和振动试验，并在试验后测试连接器的接触电阻和压合力，具体试验过程如下：

1）机械寿命试验

按GJB1217A-2009中方法2016规定进行试验。试验前将连接器固定在测试平台上，沿连接器工作方向逐步增加作用负荷，使连接器所有接触件在轴向上完全压缩，然后逐步卸除作用负荷。压合和分离一次为一个周期，压合和分离一个周期内的速率为（1000±50）次/h，总共4000 次循环。

2）振动试验

按GJB1217A-2009中方法2005规定（试验条件：IV；频率10 Hz～2 000 Hz，加速度196 m/s2，每向1h，共3h）进行试验。实验前将弹簧针连接器安装并锁紧在测试平台上，然后按试验条件进行振动试验，试验过程中需监测连接器是否存在应大于1μs的电气不连续性现象。

图4为簧爪不同插拔力范围下连接器机械寿命试验前后压合力与接触电阻对比。从图4（a）、（b）中可看出：当簧爪插拔力在0.1~0.25N范围内时，试验前连接器单个接触件压合力、接触电阻分别在1.7 N ~2.0 N、7mΩ~8.8 mΩ范围内。经过机械寿命试验后单个接触件压合力、接触电阻分别在1.5 N ~1.8 N、7.8 mΩ~9.5 mΩ范围内，与实验前相比单个接触件压合力减小5%~10%。而接触电阻会增大4%~10%。当簧爪插拔力在0.25~0.5N范围内时，试验前连接器单个接触件压合力、接触电阻分别在1.6 N ~2.0N、7.5 mΩ~11 mΩ范围内。经过机械寿命试验后单个接触件压合力、接触电阻分别在1.3 N ~1.7 N、7.8 mΩ~12.9mΩ范围内，与实验前相比单个接触件压合力减小10~22%，而接触电阻会增大7%~22%。对比机械寿命试验前后簧爪不同插拔力范围对连接器压合力与接触电阻的影响可看出：簧爪插拔力在0.1~0.25N范围时，弹簧针连接器经过4000次机械寿命循环后压合力和接触电阻变化较小，连接器的接触稳定性较高。

图5为簧爪不同插拔力范围下连接器振动试验前后压合力与接触电阻对比。从图5（a）、（b）中可看出：当簧爪插拔力在0.1~0.25N范围内时，试验前连接器单个接触件压合力、接触电阻分别在1.7 N ~2.0 N、7mΩ~8.8 mΩ范围内。经过振动试验后单个接触件压合力、接触电阻分别在1.7 N ~1.9 N、7.6 mΩ~9.0 mΩ范围内，与实验前相比单个接触件压合力变化范围小于5%。而接触电阻变化范围不超过10%。当簧爪插拔力在0.25~0.5N范围内时，试验前连接器单个接触件压合力、接触电阻分别在1.6 N ~2.0N、7.5 mΩ~11 mΩ范围内。经过机械寿命试验后单个接触件压合力、接触电阻分别在1.4 N ~1.9 N、8 mΩ~11.5mΩ范围内，与实验前相比单个接触件压合力减小5%~15%，而接触电阻会范围不超过10%。对比振动试验前后簧爪不同插拔力范围对连接器压合力与接触电阻的影响可看出：簧爪插拔力在0.1~0.25N范围时，弹簧针连接器经过振动试验后，接触电阻变化相差不大，但压合力变化范围较小。整体上簧爪插拔力在0.1~0.25N范围内时连接器接触稳定性更好。

4结束语

弹簧针连接器作为一种低矮化连接器，可用于设备内部低频信号和电流的传输。本文结合理论计算、仿真分析及实验测试等方法研究了簧爪插拔力大小对弹簧针连接器性能的影响。研究结果表明：簧爪插拔力大小对弹簧针连接器接触可靠性有显著影响，当簧爪插拔力在0.1~0.25N范围内时，弹簧针连接器在经受机械寿命和振动试验前后接触电阻和压合力的变化率不超过10%，更有利于弹簧针连接器实现稳定、可靠接触。

参考文献

[1]王辉基，徐榕青，董乐，等。基于弹性连接器的板级垂直互连技术。

[2]李海峰，刘晨，孙艳冬，等。Pogo_pin系列弹针连接器的设计研究。

[3]王雪亚，张欣雨。一种小型多芯高密度低频弹性连接器的设计。