常规冠簧接触对的寿命影响因素研究.pdf
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1、第 期 年 月机电元件 收稿日期:试 验 与 检 测常规冠簧接触对的寿命影响因素研究胡月,李伟,万前茂(四川永贵科技有限公司,四川绵阳,)摘要:冠簧接触件作为电连接器常用的接触件形式之一,其高寿命应用场景中能否保持稳定、可靠接触是评估应用此接触形式的电连接器性能好坏的核心指标。本文从理论角度分析了影响冠簧接触对寿命的主要因素,并通过对一款典型冠簧接触对的优化设计及试验验证得出:插针镀层、冠簧长度、冠簧压缩量是影响常规冠簧接触对寿命的关键因素。关键词:电连接器;冠簧;接触对;高寿命 :中图分类号:文献标识码:文章编号:()引言冠簧接触作为电连接器常用的接触件形式之一,具有结构简单、性能稳定、使用
2、规格范围大等优点。但是冠簧接触对机械寿命要求相对不高,根据实际应用经验知,目前常用的冠簧接触对插拔几千次后,插孔的力值便无法达到要求,插针表面也出现了严重磨损。对于一些经常插拔和微动的连接器,冠簧接触对现有的寿命状态无法满足其使用要求。因此,探究影响冠簧接触对寿命的影响因素,优化冠簧接触对性能,对于对寿命有高要求的应用场合的连接器具有极其重要的价值。本文首先从理论角度对影响冠簧接触对寿命的因素进行分析,然后通过对一款典型的常规冠簧接触对的各参数进行优化设计及试验对比验证,分析得出其中的关键因素。图 冠簧接触件结构 冠簧接触件寿命影响因素分析冠簧接触对由三部分组成:插孔体、插针、冠簧,其结构示意
3、图如图 所示。在接触对对插的过程中直接接触的是插针与冠簧,因此其寿命的高低由插针及冠簧的寿命直接决定。已有研究发现:抛开接触对使用的环境因素,单从接触对本身考虑,其主要失效有:接触压力不足、接触磨损、镀层接触状态改变等 。在冠簧接触对中,接触压力的不足主要是由于冠簧的应力松弛及塑形变形导致,而磨损及镀层状态的改变主要发生在插针接触面上。冠簧寿命影响因素分析根据冠簧结构可知,冠簧是利用簧片的弹性变形提供正压力,从而保证接触件的有效接触,其受力可近似简化为简支梁集中载荷模型 ,如图 所示。图 冠簧簧片简化受力模型在该力学结构模型中:最大弯曲应力为:()冠簧的近似拔出力 ,即:()式中:修正系数;簧
4、片长度;簧片截面厚度;簧片截面宽度;簧片压缩量;簧片数量;摩擦系数;材料的弹性模量;材料的屈服极限。由式()、()可知冠簧寿命的影响因素可分为两大类:)材料因素:影响冠簧寿命的两个关键材料物性是屈服极限及弹性模量。材料屈服极限越高,其抵抗塑性变形能力越强,冠簧的寿命就越高。冠簧常用的材料为 ,根据实验测试,此材料常温情况下屈服强度约为 ,弹性模量约为 。)结构因素:簧片的长度 、厚度 、宽度 、瓣数 及压缩量 都对冠簧寿命有影响。其中冠簧长度的影响最大,增长长度可以有效的降低其弯曲应力,但是同时会降低拔出力,因此在设计时需要综合分析,合理选择相关参数。而压缩量 ,一般设计在 之间 。插针寿命影
5、响因素分析影响插针寿命的因素有插拔力、插针头部结构、插针材料、插入深度、表面镀层、表面粗糙度等。而表面粗糙度是一个相对比较固定的值,一般要求插针接触表面的粗糙度为 。()插拔力插拔力是影响插针寿命的一个重要因素,插拔力越小,插针的寿命越长,但是如果插拔力设置过小,会影响接触件的接触稳定性,因此需要对插拔力进行合理的选择 。()插针材料插针基体材料的硬度、延展性等对插针的耐磨性都有重要影响。常用的插针材料为:,这种铜材导电率好,但硬度较低,耐磨性差,因此插拔寿命不高,一旦在插拔过程中镀层磨损且露出基体后,基材的损伤速度非常快。目前常用的其他材料有:、,这三种材质硬度相对较高,但是导电率相对低,一
6、般用在小规格或导电要求不高的接触件上。()表面镀层的种类接触件与贵金属镀层之间增加镍打底能够有效增加其耐环境性能及机械寿命 。但镍很容易氧化,一旦表面贵金属镀层被磨损露出镍层后,其导电性能将很快下降。已有研究发现纯镀镍的接触件的微动磨损寿命很短,的接触载荷作用下为 次,的接触载荷作用下为 次 。工程实践也证明接触件表面纯镀镍的电连接器在使用了一段时间后会出现异常发热的现象。常用的镀镍层有电镀和化学镀两种形式,化学镀镍的耐磨性明显优于电镀镍 ,高磷化学镀镍的硬度能达到 ,电镀暗镍硬度为 。因此在要求高寿命的情况下,可通过采用化学镀镍来提高插针镀层的耐磨性。结构设计 设计要求本文设计一款 规格的冠
7、簧接触对,其初始状态要求:)插拔力:之间;)接触电阻:;装入产品插拔 万次后,要求:)插拔力:之间;)接触电阻:初始测试值的 倍;)插针表面无明显磨损。关键参数设计基于以上分析及设计目标,本文将冠簧的材料定为铍铜,对冠簧结构进行不同参数设计,同时对插针的材料及表处进行合理选择。冠簧关键参数设定如表 所示,插针的参数如表 所示。表 冠簧关键参数长度 厚度宽度瓣数设计压缩量 方案 方案 方案 表 插针关键参数规格材料表处方案 黄铜电镀镍后镀金方案 锡磷青铜化镍后镀金 仿真分析利用 软件建立接触对的三维实体模型,在 软件中进行几何清理和网格划分,在 中进行仿真。冠簧的参数设定如表 所示,得到的结果如
8、图 所示。第 期胡月等:常规冠簧接触对的寿命影响因素研究表 冠簧材料参数材料抗拉强度 屈服强度 弹性模量 密度 泊松比铍铜 图 冠簧应力云图:()方案 ;()方案 ;()方案 图 为接触对在完全插合情况下冠簧的应力分布情况,三款冠簧使用同一插针。由以上分析结果可知:三种不同冠簧的应力大小不一样,其中 长,压缩量为 冠簧的应力最大为 ;长度为 ,压缩量为 冠簧的应力最小为 ,三款 冠 簧 的 最 大 应 力 均 小 于 材 料 的 屈 服 强 度 。因此从仿真分析结果可以看出,三款冠簧在正常插拔情况下均不会出现塑性变形。试验验证 试验方案对以上不同冠簧、插针进行组合试验验证,其组合方案如表 所示
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