一种快锁连接器产品设计

(贵州航天电器股份有限公司，贵州贵阳，550009)

1 引言

连接器是电子电气设备中不可或缺的重要组成部分，广泛应用于通信、通讯、国防、电力等行业中。随着行业的发展，客户对连接器的要求越来越高，尤其是对其可操作的快捷性要求越来越高。

本文通过对一款快锁连接器设计过程的阐述，说明了该连接器的设计要点。

2 产品介绍

2.1 开发背景

本连接器是客户用于某智能设备与终端设备的连接，为确保客户在现场施工时更快捷的使用，连接器的端接方式应快捷、可靠、易识别。

2.2 快锁结构设计

连接器的常见锁紧方式有卡口式、螺纹锁紧式、直插拔式及快锁式几种，其中快锁连接器因其操作方便，结构可靠受到越来越广泛关注。目前行业内常见的快锁结构主要有钢珠锁紧机构、雷莫欧度等公司的簧片式推拉快锁等机构，但这些机构普遍存在结构复杂，加工工艺难度大，成本高等特点，本连接器设计的一种快锁连接器设计了一种异型卡环锁紧的结构，其具有结构简单可靠，成本低等特点。

2.2.1 锁紧结构设计

图1 插头插座锁紧示意图

图2 锁紧卡环示意图

图1 示出了本快锁连接器插头与插座对接后锁紧的效果图。其关键零件为锁紧卡环，如图2所示，锁紧卡环为异型开口环，其上有三处往内侧凹陷。如图3所示，卡帽中设有装配锁紧卡环的槽特征，且在卡帽前端设有开口特征，便于组装锁紧卡环。锁紧卡环装入卡帽后的效果如图4所示。

图3 卡帽示意图

图4 锁紧卡环装入卡帽剖视图

图5示出了插座壳体的结构，插座前端具有锥形斜面，斜面下方设有卡槽特征。锁紧卡环上三个凹陷特征与插座壳体为过盈配合，当卡帽带着锁紧卡环与插座对接时，插座前端的斜面挤压锁紧卡环上的倒角特征，使得锁紧卡环受力往外扩张至卡帽的槽中，使得插头能够继续往前插入插座，当锁紧卡环运动到插座壳体上的卡槽特征处时，锁紧卡环不再受到插座斜面的挤压，回弹复位，锁紧卡环上的三个凹陷特征正好卡在插座壳体的卡槽中，连接器实现锁紧，其对接状态如图6所示。

图5 插座壳体示意图

图6 插头插座对接示意图

2.2.2 解锁结构设计

为确保插头插座对接后能够顺利的实现解锁，我们进行了以下设计：插座部分我们对插座壳体的斜面进行了三处铣扁，三处铣扁的角度与锁紧卡环三处凹陷特征的位置角度保持一致。铣扁尺寸如图7所示，小于插座壳体的卡槽直径。因此，若锁紧卡环的三个凹陷特征刚好在插座壳体的三个铣扁位置时，锁紧卡环对插座无锁紧作用，此时连接器可实现解锁。

图7 插座壳体铣扁示意图

为实现锁紧卡环的三个凹陷特征可运动到插座壳体的三个铣扁特征处。我对插头结构进行了改进。如图8所示，卡帽中三个缺口及头壳体三个凸台的位置尺寸我们设计成凸台抵死在小环形槽左侧时，卡帽上的红点标识与主键位对齐，复位弹簧略有预压缩，卡帽处于初始位置，锁紧卡环的三个凹陷特征卡在插座壳体的卡槽中，连接器处于锁紧状态。如图9所示，当转动卡帽，压缩复位弹簧，一直到头壳体凸台抵死在小环形槽由侧时，卡帽上的蓝点标识与主键位对齐，此时锁紧卡环的三个凹陷特征刚好处于插座壳体三个铣扁位置，锁紧卡环与插座无干涉，此时拔开插头可实现解锁。当撤去对卡帽的旋转力后，在复位弹簧回弹力的作用下卡帽复位，卡帽上的红点标识与主键位对齐。

图8 锁紧状态示意图

图9 解锁状态示意图

2.3 关键零件设计

根据上文对本快锁连接器的结构的阐述，本连接器中，为实现连接器快速锁紧和解锁，其关键零件在于锁紧卡环和复位弹簧。这两个零件均是弹性元件，根据《弹簧设计手册》的分类，锁紧卡环属于圆弧形悬臂薄板弹簧，复位弹簧属于压缩螺旋弹簧。下面针对这两个关键零件的设计进行详细分析。

2.3.1 锁紧卡环尺寸设计

根据上文的阐述，我们知道锁紧卡环的主要作用在于卡在插座壳体卡槽中，确保在锁紧状态下拉拽插头，插头插座不会发生分离。在连接器的使用过程中，只有在插头插入插座的过程中锁紧卡环受到插座外壳对其施加的径向往外的力，而解锁过程中则不会受力。为确保连接器锁紧状态时的耐拉力，我们对将锁紧卡环内切圆直径设计成与插座外壳卡槽内径相同，以尽量增加锁紧状态下锁紧卡环与座壳体的干涉量。同时，为了保证产品在对接过程中，锁紧卡环不会对插座壳体造成刮伤，我们对锁紧卡环进行了倒角处理。在材料选择方面为满足该产品96小时盐雾的要求，我们优先选用了不锈钢12Cr18Ni9材料。

为确保锁紧卡环尺寸及材料设计的合理性，我们进行对此设计状态下的锁紧卡环锁紧时所需的力进行了理论分析。从3D模型中可以模拟出，插头插入插座时锁紧卡环三处凹陷特整需往外扩张0.9mm，为便于简化计算，我们在设定锁紧卡环的开口处完全固定，经计算确定当施加的力为60N时，其形变量达到0.95mm。由于我们在锁紧卡环与插座配合处作了倒角处理，其受力的分解应如图10所示，此时F1=60N，F=F1/cos21°=60N/cos21°=64N。也就是说插头插座对接时需要轴向施加64N的力可使锁紧卡环正常锁紧到插座壳体的卡槽中。因我们在理论计算时完全固定住锁紧卡环的开口，实际产品中，开口处装入卡帽的上的开口特征处还有1mm的间隙，在对接过程中，锁紧卡环的开口处可变形，因此，实际产品啮合力应小于64N，可以满足客户的正常使用。

图10 锁紧卡环受力分析图

2.3.2 复位弹簧尺寸设计

复位弹簧是保证连接器在对接后解锁之后卡帽及锁紧卡环能恢复到锁紧状态的关键零件，考虑到产品的结构空间限制，我们选用了结构紧凑，易于制造的压缩螺旋弹簧。材料方面同样考虑到盐雾的需求，也是用了不锈钢12Cr18Ni9材料。图11示出了本连接器复位弹簧的结构尺寸。

为验证复位弹簧设计的准确性，我们进行了理论计算及仿真分析。从上文的阐述可知，在解锁状态下，卡帽压缩弹簧的转动量受头壳体上凸台的限位。在解锁状态下弹簧压缩变形量约为17.5mm。根据公式P=Gd4/(8nD3)及公式G=E/2(1+v)，其中P为弹簧所受压力，G为切变模量，d为材料直径，为形变量，n为弹簧有效圈数，D为螺旋节径，E为弹性模量，v为泊松比。对于本复位弹簧，=17.5mm，n=27，D=2mm，不锈钢12Cr18Ni9材料E=1.97×104kgf/mm2，v=0.3。可计算出G=1.97×104/2(1+0.3)=7576.9 kgf/mm2，P=7576.9×0.44×17.5/(8×27×23)=1.964kgf=1.964×9.8N=19.25N。

对于本产品，两个复位弹簧在卡帽中围绕中心轴转动，根据理论估算的力，我们可以算出其旋转力矩为M=F×L，其中F为弹簧压力，L为弹簧受力点到连接器中心的距离，如图12所示，F=19.25N,L=21mm=0.021m，单个弹簧的力矩为M=F×L=19.25×0.021=0.4Nm。两个弹簧力矩为0.8Nm，与GJB598中24号壳体的分离力矩相当，可满足客户使用要求。

图11 复位弹簧示意图

图12 复位弹簧力矩示意图

3 试验验证

根据以上理论估算设计的快锁连接器样品完成后，我们按GJB1217A-2009《电连接器试验方法》对其振动冲击，机械寿命，啮合力，分离力矩进行了试验，结果均为合格。

其中啮合力与分离力矩试验数据如表1所示。其中连接器的啮合力较理论计算的64N偏小，符合预期的因锁紧卡环开口不完全固定导致啮合力偏小的预期。分离力矩基本与理论计算结果一致。证明了该快锁连接器设计的合理及理论分析的可行性。

表1 啮合力与分离力矩试验结果

4 总结

本文通过对我司开发一款快锁连接器的设计分析，得到以下结论：

(1)锁紧卡环式的快锁连接器结够有效可靠，且成本相对于其他快锁连接器更具优势。

(2)连接器中不同颜色标识点及限位的设计使得连接器的使用更为方便、可靠。

(3)设计前期的理论计算能够大大提高设计的准确性，避免设计风险。