基于电连接可靠性的冠簧设计

王 焕，丁 丽，徐 强

(南京康尼科技实业有限公司，江苏南京，210038)

1 引言

电连接器作为一种基础元件，用于实现电信号的传输和控制以及电子与电气设备之间的电连接，在各类电气系统中，比如航天、电子、通信等行业，电连接器在器件与器件、组件与组件、系统与系统之间进行电气连接和信号传递，是构成一个完整系统所必须的基础组件，故应用范围大，数量可观，地位重要。一个复杂的航天系统要求有数以千计的各类电连接器，例如某一型号发射任务，仅地面设备就需各种电连接器3400多套。电连接器要求在各种恶劣环境、各种苛刻的条件下能可靠地沟通电路、传递信息、实现特定的功能，其可靠性直接影响到火箭和导弹等工程系统能否可靠地工作，由于电连接器的失效而导致系统故障的事例时有发生。随着系统中其它电子元器件可靠性水平的不断提高，电连接器的可靠性水平已对系统的可靠性起到了决定性的作用［1］。

因此，电连接器除了要满足一般的性能要求外，特别重要的要求是电连接器必须达到接触良好，工作可靠，维护方便，其工作可靠与否直接影响整个设备电路的正常工作，涉及整个主体的安危。为此，整个电路对电连接器的质量和可靠性有非常严格的要求。接触件作为电连接器内部承担电接触功能的关键部件，对电连接器的可靠性起着决定性作用。接触件的可靠性取决于接触件的结构设计、工艺、制造、管理、原材料性能、工作环境等多种因素义［2］。

2 影响电接触可靠性的因素

电接触可靠性的影响参数比较多，主要涉及接触材料性能、工作条件和环境气体等方面。要找到解决接触实效的方法来保证电接触可靠性，故研究、分析触点的失效机理对于解决电接触问题是非常必要的。研究主要集中在以下几个方面［3］:

(1)材料的研究。各种材料的性能都随时间变化，故应首先选择能长期保持可靠性的高性能材料，然后在考虑使用环境，要具有在恶劣环境中使用的能力。

(2)加工制造方面的研究。目前国内制造的连接器来自这方面的问题比较集中，由于加工能力不足，导致实际制造所得的连接器的性能和理想中的连接器的性能差异比较大，从而降低了可靠性。

(3)环境方面的研宄。当触点在大气环境中被腐蚀时，导致接触点表面的形状发生变化，与理想状态相比，各个参数不但随着时间变化，还会随着使用条件的变化而变化，从而影响电接触性能，最终造成电接触故障。

根据上述的造成电接触故障的三个主要因素，本文主要就某种冠簧的结构、特点及设计步骤做一些探讨，以获得更好的使用性能，避免电接触故障过早发生。

3 冠簧结构

冠簧分内冠簧和外冠簧，外冠簧又称灯笼头，灯笼头安装在插销的外圆柱面上，与圆柱形插套组成接触对，如图1所示。内冠簧安装在插套的内孔中，与圆柱插销组成接触对，如图2所示。

图1 外冠簧(灯笼头)

图2 内冠簧

4 冠簧特点

由冠簧的结构可知，在外冠簧使用时，接触件实际接触面为灯笼头外表面－－球面和圆柱形插套(柱面)接触，内冠簧使用时，接触件实际接触面为内冠簧内表面－－球面和圆柱形插销(柱面)接触，均为点面接触，由于在同等正压力、同等材料及结构下，点面接触形式比面面接触形式可以获得更低的压缩电阻与皮膜电阻［4］，故冠簧结构的实际接触电阻比较低;此外，冠簧利用弹性变形进行锁紧，对接触件有一定的精度要求，故插孔(针)具有插拔柔和、接触稳定可靠、抗振动冲击性好、插拔寿命高的优点，与线簧插孔相比更利于规模化生产，且在大电流应用领域更具有优越性，克服了线簧插孔载流能力差的缺点，而且成本低廉。

近年来，由于冠簧具有以上特点，用冠簧装配的连接器被广泛用于军事工业、航空航天、铁道车辆、城轨地铁和民用的电力、通信和各种控制信号的传输上。

5 冠簧设计步骤及要点

插孔(针)是连接器完成电连接的核心零件，而冠簧作为插孔(针)的核心部分，具有至关重要的作用。所以，如何正确地选用冠簧以及设计冠簧插孔(针)，是实现接触对接触电阻、插拔力、温升等电性能的关键所在。因此，必须十分重视冠簧的选择及与冠簧插孔(针)的设计。

5.1 内(外)冠簧设计步骤

1.确定具体的结构形式，是采用内冠簧结构还是外冠簧结构。根据产品的使用情况选择合适的冠簧结构，看看是内冠簧还是外冠簧更符合要求。

2.确定插针或插套直径。根据产品的使用时最大的负载电流，采取内冠簧结构时，选择适当的插针直径，采取外冠簧结构时，选择适当的插套直径。

3.确定其他尺寸。根据插针或插套直径设计冠簧的其余尺寸。

4.确定冠簧配合件尺寸。根据设计好的内冠簧选择配合插针尺寸，根据设计好的外冠簧选择配合配合插套尺寸。

5.2 设计要点

1.插合时冠簧的单边压缩量应在0.15～0.25mm之间。

2.冠簧的结构尺寸直接影响着接触对分离力的大小，在其余参数不变的情况下，冠簧中部的球面半径R、球形部分长度S越大，球面部分开槽宽度P越小，接触对的分离力也相应的越小。当然，球面半径R、球形部分长度S不是越大越好，球面部分开槽宽度也不是越小越好，为了得到适当的分离力以及良好的接触电阻，这三个参数的数值都要合理的进行设计。为了便于模具的加工和增加模具寿命，槽的宽度不应过小。

3.为了便于模具的设计与加工，需要绘制两端呈开口状冠簧展开图。

4.设计步骤中的尺寸均为指冠簧使用状态下的尺寸。

6 结论

综上所述，内(外)冠簧和与之相配的插针(插套)是电连接器关键组件，它直接影响着电连接器的可靠性。冠簧结构使用性能的好坏不但取决于设计过程，还取决于插针(插套)的材料和加工工艺。一般情况下插针(插套)大多采用铜合金或者纯铜，具体应满足实际使用时的导电性能要求，加工方式采用机械加工。为了达到更好的使用性能，内(外)冠簧表面需要要采用后续的表面处理。内(外)冠簧结构的具体设计过程，将在后续的工作中完成。

［1］ 潘骏.航天电连接器振动可靠性建模与评估［D］.杭州:浙江大学，2002.

［2］ 靳方建.电连接器接触件可靠性分析与高温插拔试验［D］.杭州:浙江理工大学，2012.

［3］ 龙慧娟.振动对汽车连接器可靠性的影响［D］.北京:北京邮电大学，2013.

［4］ 王继超.探针式电连接器的接触可靠性试验与研究［D］.上海:上海交通大学，2009.