一种圆形密封电连接器的设计

臧竹青

(泰州市航宇电器有限公司，江苏泰州，225300)

1 引言

电连接器是武器装备中的重要接口元件，武器装备系统的各种信号都需要靠电连接器来完成传递和转接。为了保证极端气候条件下，武器装备系统内信号传递的可靠性，电连接器的环境性能，特别是密封性的要求正在逐步提高。电连接器一般采用橡胶密封圈、灌封硅橡胶等方式实现密封，可根据具体使用场合来加以选择。

本文介绍的圆形电连接器，通过特殊的头壳体结构设计，提高水密功能的可靠性。

2 产品介绍

2.1 开发背景

该圆形密封电连接器是我公司为某研究所开发的用于轨道交通设备上的连接器。客户要求连接器有防水功能，可耐1米水深。其具体性能指标如下：

额定电压：500V(50Hz)；

额定电流：5A；

绝缘电阻：≥5000 (MΩ)；

耐电压：1500V(50Hz)；

环境温度：-55℃～+200℃；

机械寿命：1000 次；

振动：10Hz～2000Hz， 196m/s2；

冲击：980m/s2；

耐盐雾能力： 200小时；

防护要求：于水下1米，可正常工作。

2.2 整体结构设计

图1是电连接器的三维造型，图2是电连接器的剖面图。该款圆形密封电连接器采用卡口式结构，锁紧牢靠，抗振耐冲，可满足振动与冲击的性能指标。插头插座具有五种键位角度定位，可实现盲插和防错插功能。方法兰插座采用腰形安装孔结构，使插座安装有更大的兼容性。插头插座与尾部附件的连接形式为螺纹连接，为保证产品密封的可靠性，插头插座壳体末端均设计有防转端齿。插头插座的端接形式采用焊接式，连接牢靠，接点电阻小。

图1 连接器结构图

图2 连接器剖面图

3 零件设计

3.1 外壳

产品在使用过程中，外壳是主要的漏在外部的零件,故外壳零件的耐盐雾性能，直接关系到成品的耐盐雾性能。客户要求该连接器的耐盐雾性能为200小时，且对连接器的重量有所限制。圆形连接器常用的外壳材料为铝材、铜材及不锈钢材料，密度分别为2.7g/cm3、8.5/cm3、7.9g/cm3。根据客户的需求，该连接器使用铝材作为外壳材料。铝材的表面处理一般为电镀镍、化学镀镍、阳极氧化、喷涂。铝材电镀镍的耐盐雾性能为48小时，无法满足要求。相较电镀镍，化学镀镍的镀层更为致密，孔隙少，所以防护性能更好，一般耐盐雾性能为96小时。铝材阳极氧化的耐盐雾性能受铝合金材质、氧化膜的厚度及封孔影响，从几十到几百小时不等。铝材喷涂的抗腐蚀性能优良，耐酸碱盐雾大大优于阳极氧化，不过涂层质地较脆，振动冲击时易剥落。因该连接器耐盐雾性能要求较高，且可耐振动、冲击，我们采用6系列铝材，镀层为阳极氧化。

在插头插座旋合过程中，可以听到一声清晰的咔哒声。此时，插头插座插合到位，头壳体挤压插座内的座线圈，实现该电连接器的密封功能。此时，头壳体受座线圈的推力与波形圈的推力，达到力平衡。考虑到波形圈长时间持续受力，有可能存在弹性失效的风险，导致电连接器连接界面进水。为提高产品密封功能可靠性，于头壳体与防跳圈配合处，设计有台阶结构，避免波形圈弹性失效时，防止头壳体回退过大，导致座线圈没有压缩量，引起产品密封功能失效。

图3 头壳体结构图

3.2 基座

表1是常用工程塑料的热变形温度。该连接器的使用环境温度为-55℃～+200℃，由表1可知，满足该连接器使用温度要求的有PT610，PA46，PA6T，LCP。综合考虑该连接器的尺寸稳定性的要求及材料成本，我们选择了PT610作为绝缘体和盖板的原材料。

表1 常用工程塑料热变形温度表

3.3 接触件

3.3.1 接触件类型、材料及镀层选择

为了满足插拔力小、寿命长的要求，该圆形密封电连接器选择可靠性高的线簧孔结构，线簧孔具有插拔柔和、接触电阻小、抗振动冲击、寿命长等特点。

该电连接器插针为细长结构，因此插针选用锡青铜材质。插孔基材采用H62铜，接触件表面镀金。

3.3.2 接触件直径

电流与接触件的关系如式⑴所示：

I= k·π·(d/2)2·S

⑴

式中，I为接触对载流量，A；d为接触对直径，mm；k为接触系数；S为导体单位面积的最大安全电流，A/mm2，对铜导体一般取6 A/mm2。

接触系数k取决于接触对的发热和散热状况。发热状况取决于接触电阻和接触面积，散热状况则取决于接触对和连接器的结构。一般k在0.9～1之间，根据连接器插头插座的结构特点和使用环境，k取0.95。

由式⑴可以计算出：d=1mm。

为确保产品设计的合理性，我们对该连接器的温升值进行了理论计算摸底。连接器的温升结果除了受接触件的发热影响外，还受到其散热方式及产品结构的影响，为简化估算过程，我们需对连接器的各项参数进行假定，我们假定连接器接触件的分布是均匀的，其载流量假定是相同的，此时连接器达到热平衡后的温度值可按下述方法估算：

Tc=q/(4·π·L·k)+Ts(℃)

(2)

Ts=q/(π·D·L·h)+Ta(℃)

(3)

q=I2·R·N·[1+α·(Tc-20)] (W)

(4)

其中：Ts—连接器外表面温度(℃)；

Tc—连接器圆截面内部最高温度(℃)；

Ta—环境温度 (℃)；

L—连接器总长；(m)

k—绝缘材料热导率(W/m·℃)

D—连接器外圆直径(m)

I—单个接触件负载电流(A)

α—电阻温度系数(1/℃)

R—20℃接触电阻 (Ω)

N—连接器芯数

h—连接器表面对流传热系数与辐射传热系数之和(W/m2·℃)

合并式⑵、⑶、⑷，最终简化得到：

Tc=[M·(1-20·α)+ Ta] (1-M·α)-1

⑸

M=I2·R·N·(π·L)-1[(4·k) -1+(D·h)-1]

⑹

对该款连接器在标准大气压条件下，正常工作时温升进行估算，各项数值取值如下：I=5A，R=5×10-3Ω，L=55×10-3m，N=7，D=23×10-3m，k=1.2 W/m·℃，h=7.2 W/m·℃，α=0.004/℃，Ta=25℃。按式⑹计算可得M=31.6℃，按式⑸计算可得Tc=61.9℃，温升T=Tc- Ta=61.9℃-25℃=36.9℃。该连接器工作时的温升为36.9℃，其影响可忽略不计，故我们选择了直径为1mm的接触件。

4 总结

本文通过对我司开发圆形密封电连接器的设计分析，得到以下结论：

⑴ 头壳体与防跳圈配合处，设计有台阶结构，避免波形圈弹性失效引起的产品密封失效，提高产品可靠性。

⑵ 根据产品性能指标要求，逐一分解，正向设计，充分验证，保证产品设计质量。

⑶ 接触件直径及温升的理论计算可以有效的指导设计，规避质量风险。