斜齿端面锁紧螺纹电连接器扭矩控制方法研究

王德伟，青　春，张　文，朱　博

(沈阳兴华航空电器有限责任公司,沈阳 110144)

研究与设计

斜齿端面锁紧螺纹电连接器扭矩控制方法研究

王德伟，青春，张文，朱博

(沈阳兴华航空电器有限责任公司,沈阳 110144)

摘要：文章介绍了斜齿端面锁紧螺纹电连接器的锁紧结构组成、工作原理以及电连接器插合、分离时的扭矩要求。对斜齿端面锁紧螺纹电连接器进行了受力分析，提出了产品最大连接扭矩、最小分离扭矩的计算方法。分析归纳了影响扭矩大小的相关因素，制定了相应的控制措施，从而达到有效控制产品扭矩大小的目的。

关键词：锁紧结构;电连接器;螺纹连接;扭矩计算;扭矩控制

1引言

螺纹连接是电连接器产品常用的连接方式，由于其加工工艺简单，成本低，适用范围广，连接可靠，刚性好等优点，而得到广泛应用，如ZH83723系列、GJB599 Ⅲ系列等[1-3]。在强振动、冲击场合，为了防止螺纹副松脱，结构上常常增加防松锁紧结构。斜齿端面锁紧结构是应用比较广泛的一种，主要由连接螺帽、防松垫圈、防松卡圈及波纹弹簧组成，其结构如图1所示。

防松斜齿在波纹弹簧弹力的作用下啮合在一起，并通过斜齿阻力实现螺纹副的锁紧防松。该结构具有结构形式简单、装配方便、工艺好、防松可靠性高等优点，结构如图1所示。

1.连接螺帽 2.防松卡圈 3.防松垫圈 4.波纹弹簧图1　锁紧结构图Fig 1　Locking Structure

防松斜齿在波纹弹簧弹力的作用下啮合在一起，并通过斜齿阻力实现螺纹副的锁紧防松。该结构具有结构形式简单、装配方便、工艺好、防松可靠性高等优点，结构如图1所示。

电连接器在插合、分离过程中，为了保证使用时的操作性和连接时的锁紧可靠性，对最大连接扭矩和最小分离扭矩有严格规定，不同壳体号产品的最大连接扭矩、最小分离扭矩的要求如表1所示[4]。在设计、制造过程中，需要对影响扭矩大小的因素、参数进行详细的分析、计算及控制，从而保证产品扭矩满足规定的性能要求。

表1　产品扭矩要求(N·mm)

2受力分析及扭矩计算

2.1受力分析

为简化计算，忽略螺纹副及齿面间的摩擦力，并假设螺纹副匀速缓慢对接。锁紧防松结构的受力状态如图2所示。

(a)斜齿受力分析图

(b)螺纹受力分析图

(c)连接扭矩分析图

(d)分离扭矩分析图图2　锁紧结构受力分析图Fig2　Force Analysis of Locking Structure

由防松结构的受力状态可知：

Fi周连=Fi轴构·cotα

(1)

Mi连构=Fi周连·R=Fi轴构·cotα·R

(2)

=F轴构·cotα·R=F波·cotα·R

(3)

Fi调分=Fi轴构·cotβ

(4)

Mi分构=Fi周分·R=Fi轴构·cotβ·R

(5)

=F轴构·cotβ·R=F波·cotβ·R

(6)

式中，

Fi周连——连接时，防松垫圈第i个齿所受的防松机构波纹弹簧作用的周向力；

Fi周分——分离时，防松垫圈第i个齿所受的防松机构波纹弹簧作用的周向力；

Fi轴构——防松垫圈第i个齿所受的防松机构波纹弹簧作用的轴向力；

F轴构——防松垫圈受的防松机构波纹弹簧作用的总轴向力；

F波——防松机构波纹弹簧总压缩弹力，

F波= F轴构；

Mi连构——连接时，防松垫圈第i个齿所受的防松机构波纹弹簧作用的周向扭矩；

Mi分构——分离时，防松垫圈第i个齿所受的防松机构波纹弹簧作用的周向扭矩；

M连构——连接时，防松垫圈所受的防松机构波纹弹簧作用的总周向扭矩；

M分构——分离时，防松垫圈所受的防松机构波纹弹簧作用的总周向扭矩；

n——防松垫圈或防松卡圈齿数；

R——防松垫圈防松齿半径；

α——分离方向齿形夹角；

β——连接方向齿形夹角。

F周螺=F轴螺·tanφ

(7)

F轴螺=F爪+F合接

(8)

M周螺=F周螺·R螺中=F轴螺·tanφ·R螺中

=(F爪+F合接)·tanφ·R螺中

(9)

其中，

F周螺——连接螺帽螺纹受插合阻力作用的总周向力；

F轴螺——连接螺帽螺纹受插合阻力作用的总轴向力；

F爪——电连接器弹簧爪力；

F合接——电连接器所有接触体总插合力；

M周螺——连接螺帽螺纹受的插合阻力作用的总周向扭矩；

φ——螺纹升角；

R螺中——连接螺帽螺纹中径半径。

2.2扭矩计算

为简化计算，忽略摩擦阻力及孔位误差阻力，可知：

M连=M连构+M周螺

=F波·cotα·R+(F爪+F合接)·tanφ·R螺中

(10)

为提高防松可靠性，忽略分离时的所有阻力，仅考虑机构本身的防松扭矩，可知：

M分=M分构=F波·cotβ·R(11)

式中，

M连——连接时的总周向扭矩；

M分——分离时的总周向扭矩。

因此，为保证产品的最大连接扭矩及最小分离扭矩满足规定要求，应满足如下条件：

M连=F波·cotα·R

+(F爪+F合接)·tanφ·R螺中≤M连max

(12)

M分=F波·cotβ·R≥M分max

(13)

(14)

综上所述，影响产品连接扭矩、分离扭矩的参数主要包括波纹弹簧弹力、螺纹半径及升角、壳体弹簧爪力、针孔接触体插合力(主要由孔组排列类别决定，每种孔组排列具有固定的接触体规格和数量[5])及防松垫圈齿形及半径。为满足电接触性能、屏蔽性能、接口互换、信号分配等要求，标准中对螺纹尺寸[4]、壳体弹簧爪力[4]、针孔接触体规格及插合力[6]有明确的规定，如表2～表3所示。而波纹弹簧弹力、防松垫圈/防松卡圈斜齿半径及齿形角度需要根据要求进行相应的计算和优化。

表3　接触件最大插入力要求(N)

根据不同壳体号产品的结构尺寸、扭矩大小等要求，对相关参数进行了计算和优化，参数值及计算结果如表4、表5所示，经计算，扭矩满足规定条件。

表4　参数值及计算结果

表5　参数值及计算结果

3扭矩控制措施

3.1波纹弹簧弹力控制

波纹弹簧为异形弹性件，其力学性能受材料种类、热处理工艺方法、尺寸等因素综合影响[7-8]。实际控制过程中，为保证其力学性能满足规定要求，通常采用极限弹力测试的方法对其弹力进行控制，步骤如下：

第一步，极限压缩量预压处理。将波纹弹簧压缩至最低工作高度(即最大压缩量)，然后恢复；

第二步，最小压缩量时的弹力测试。将波纹弹簧压缩至最大工作高度(即最小压缩量)，并测试弹力大小，应不小于F波设min(设计最小波纹弹簧力)；或当采用F波设min大小的重物压缩波纹弹簧时，其高度应不小于最大工作高度。

图3　波纹弹簧弹力检测装置示意图Fig 3　Wave-shaped Spring Force Test device

开口波纹弹簧应放置在规定尺寸的圆柱形检具内进行弹力测量，否则，由于开口变形将导致弹力测量值偏小，进而容易导致实际产品对接力矩增大。

3.2齿形控制

防松卡圈、防松垫圈的防松齿形(尖端圆角及齿形角度)直接影响扭矩大小。在实际加工中，齿端圆角及齿形角度偏差不可避免。因此，设计上规定齿形圆角的最大值为R0.05max，齿形分离方向齿形角α取正差，连接方向齿形角β取负差。生产过程控制中，每批零件应抽取一定数量的样品对齿形进行严格检测，确保实际齿形尺寸受控，如图4所示。

(a)齿形要求图

(b)三坐标投影齿形检测图图4　齿形要求及投影检测图Fig 3　Shape Requirements and Projection Detection

3.3扭矩控制

为保证扭矩满足规定要求，产品出产验收检验时，应对产品进行100%的连接扭矩、分离扭矩检测，如图5所示，并采用如下控制方法：

(1)最大连接扭矩测试时，产品应送满针孔接触体；

(2)最小分离扭矩测试时，产品不装针孔接触体。

图5　扭矩检测设备及检测过程图Fig 4　Torque Test Equipment and Measure Process

4结论

(1)斜齿端面锁紧螺纹电连接器的最大连接扭矩和最小分离扭矩是影响产品使用操作性、连接可靠性的关键参数，其大小主要受波纹弹簧弹力、防松齿半径及齿形角度等因素的影响。设计时，应根据不同规格产品的扭矩要求及计算方法，对相关参数进行合理计算、优化，并确定相应参数值，以满足生产过程控制的需要。

(2)产品加工、制造过程中，应采用弹力测试、投影检测、扭矩测量等方法对波纹弹簧弹力、齿形角度、产品扭矩等参数进行过程控制，确保实际产品的扭矩满足规定要求。

参考文献：

[1]杨奋为.军用电连接器的应用及发展[J].机电元件,2007,27(3):43-46.

[2]杨奋为.航天电连接器的选用[J].机电元件,2000,20(4):48.

[3]彭祥基. 圆形电连接器发展综述[C].连接器与开关第八届学术会议论文集. 贵州:贵州华烽电器有限责任公司,1999:111-115.

[4]GJB599A-93, 耐环境快速分离高密度小圆形电连接器总规范 [S].

[5]GJB1611-93, GJB599 耐环境快速分离高密度小圆形电连接器的绝缘安装板接触件孔位排列 [S].

[6]GJB1216-91, 电连接器接触件总规范 [S].

[7]姜春英,李盈毅,赵淳宇,鄢文,汪家国,李胜.波形弹簧材料及其热处理工艺选择[J].郑州纺织工学院学报,1996,7(3):15-20.

[8]左韩露,孙红军,梁文娟.电连接器中卡口式锁紧机构的设计与计算[J].机电元件,2009,29(2):29-30.

收稿日期:2014-12-27

Doi:10.3969/j.issn.1000-6133.2015.01.002

中图分类号：TN784

文献标识码：A

文章编号：1000-6133(2015)01-0006-05

The Research on Torque Control Method of Threaded-coupling
Electrical Connectors Locked by Oblique Teeth

WANG De-wei, QING Chun, ZHANG Wen, Zhu Bo

(Shenyang Xinghua Aviation Electrical Co., Ltd, Shenyang 110144, China)

Abstract：The paper introduces the constituent parts and the working principle of the locking structure of the threaded -coupling electrical connectors locked by oblique teeth, and summarizes the mating and unmating torque requirement of the connectors, gives the calculational method of the maximum engagement and the minimum disengagement torque on the basis of the force analysis of the product. The paper also analyzes and summarizes the relative factors of the coupling torque, and makes corresponding control measures in order to control the magnitude of the coupling torque effectively.

Keywords：locking structure, electrical connector, threaded coupling, torque calculation, torque control