鹰爪 (EAGLE GRIP)接触件的设计与应用

2015-03-05邹作涛

机电元件 2015年5期

邹作涛，刘贲

(贵州航天电器股份有限公司，贵州贵阳，550009)

1 引言

矩形自浮动电连接器是拟用于空间飞行器遥控作业装置中的一款特殊用途连接器，由机械臂操控插头和插座对接或分离，其插座内置的对准互插装置在产品对接时起到浮动对准的作用，产品插头和插座插合后实现电气连接功能。

在高真空环境下，金属表面的气体分子膜、有机污染膜会被清除掉，使金属表面原子直接接触，在原子配对机理和热扩散机理的作用下产生冷焊现象。一般认为真空度在10－6数量级就可能产生冷焊效应，电连接器如果在高真空环境下进行插拔等操作，在接触对之间可能产生冷焊现象，将影响连接器的使用寿命和接触可靠性。避免真空冷焊现象的一个主要措施就是尽可能的降低接触件之间的正压力。另外，该连接器插拔次数要求至少为6000次，高于目前国内大多数军用连接器的500次插拔次数指标要求，常规的接触件形式已经不能满足要求。因此，对满足既定使用要求的长寿命、轻插拔力接触件的设计是开展矩形自浮动电连接器研制的关键。

本文从接触件的选型、计算、仿真及试验验证几个方面进行介绍，提出了一种新型鹰爪(EAGLE GRIP)接触件的应用模式，论证了该接触件在矩形自浮动电连接器上应用的可行性。

2 鹰爪(EAGLE GRIP)接触件的特点

近年来，国外某公司推出了一种新型的鹰爪(EAGLE GRIP)接触件，其符合MIL－C－39029标准规定，已通过了 MIL－STD－790、EN9100、AS9100、JISQ 9100认证以及 MIL－C－39029的QPL认证，在 Amphenol Aerospace(安费诺航天)、Boeing Aerospace(波音航天)和European Space A-gency(欧洲航天局)均有应用。图1为鹰爪接触件的结构示意图，其采用接触簧圈结构，每个接触簧圈周圈均匀分布3个或3个以上的接触片，具有接触可靠性高、长寿命、轻插拔力的特点，机械寿命能达到6000次以上。

图1 EAGLE GRIP(鹰爪)端子结构示意图

表1为该EAGLE GRIP(鹰爪)接触件(20号、22号)的技术参数。与常规的军用高可靠接触件相比，它具有以下优势:

1)多个簧爪可多面和插针柔性接触，使插入和拔出力差异更小;

2)减少插拔时接触压力和磨损，保持低的接触电阻和良好的电连接;

3)采用分体式结构，接触簧圈和本体可选择不同的材料和镀覆，减少材料及加工成本。

表1 EAGLE GRIP(鹰爪)接触件技术参数

3 鹰爪接触件的设计

3.1 力学模型

根据接触对的接触原理，插针插入后，将在接触簧圈接触片的最小直径处接触。由于接触片的一端固定，另一端可以沿径向移动，故可将EAGLE GRIP(鹰爪)接触件简化为直梁悬臂梁力学模型，简化后的力学模型如图2所示。

图2 接触簧圈接触片简化力学模型图

图中，δ:接触变形量，即啮合时接触片被撑开的距离;

l:接触片长度;

b:接触片宽度;

t:接触片厚度;

P:接触正压力。

3.2 参数计算

根据接触件结构尺寸特征，初步设计接触簧片的长、宽、厚分别为 l=1.37mm、b=0.35mm、t=0.1mm。

根据材料力学的相关知识，以上力学模型的相关参数计算如下:

1)允许变形量计算

式中，σ允:允许应力;

E:弹性模量。

查铍青铜带的σ允=1127Mpa，E=127400MPa，通过计算得σ允=0.11mm。

2)正压力计算公式

式中，J:接触片的惯性矩;

由式(2)、(3)联立求出接触正压力P与接触片变形量δ之间的关系式(4)。

式中，F:接触件分离力;

n:接触片数目(3);

μ:摩擦系数(金与金之间μ=0.2)。

4)正压力选取

正压力越大，接触越可靠，接触电阻越低，但是当正压力增加到一定程度后，接触电阻减小的适度将变得极其微小，而且本项目要求提高接触对的插拔寿命，则需要尽可能降低分离力以减小磨损。按照GJB1216的规定，20#和22#接触对的最小分离力均为0.19N，本项目即以0.19N作为最小分离力进行正压力设计。

5)变形量计算

由式(4)、(5)联立求出变形量δ与分离力F之间的关系式(6)。

根据最小分离力指标要求，则可由式(6)计算出两种规格接触件的最小变形量22#为0.073mm、20#为0.077mm。

对于22#接触件，插针直径为 Φ0.762 ±0.013，最小直径为 Φ0.749mm，按0.073mm的变形量设计，则簧圈喉圆最大直径设计为Φ0.60mm;对于20#接触件，插针直径为 Φ1.02 ±0.02，最小直径为Φ1.00mm，按0.077mm 的变形量设计，则簧圈喉圆最大直径设计为Φ0.85mm。

6)变形量复核

对于上述设计的最小变形量，簧圈喉圆尺寸给定公差0.05mm，则簧圈喉圆尺寸最小对应相应插针尺寸最大时为产生最大变形量的状态。通过计算，22#接触件的最大变形量为0.07mm、20#接触件的最大变形量为0.08mm，小于允许的最大变形量0.11mm 要求。