连接器中波纹簧的特性分析和选用指南

陈继利，汤 振，江 浪，赵光甫

(中航光电科技股份有限公司，河南洛阳，471000)

1 引言

波纹簧是利用弯曲模具[1]或其它设备通过冲压成形、拉伸成形[2]等方法将带类材料加工而成、利用材料自身的弯曲变形发挥弹性作用、具有若干个波峰和波谷的一类零件。连接器中常用的波纹簧从形状完整性上可分为闭口波纹簧、叠口波纹簧和开口波纹簧。闭口波纹簧的轮廓为一完整的封闭曲线，内力的传递为连续的，如图1所示。叠口波纹簧的轮廓为一完整的曲线，但是波纹簧的起始端与末端互相搭叠一定的距离，内力的传递在搭叠处出现剧烈变化，如图2所示。开口波纹簧的轮廓为一不封闭曲线，波纹簧的起始端与末端分开，内力的传递在开口处出现断裂，如图3所示。

图1 闭口波纹簧 图2 叠口波纹簧图 图3 开口波纹簧

波纹簧具有空间利用率高、形状简单、弹性刚度范围大等特点，在圆形连接器中经常作为弹性零件使用，起到防松预紧的作用。现以GJB599I系列插头为例，介绍波纹簧的使用特点。插头结构如图4所示，波纹簧安装在插头壳体和连接螺帽之间，用挡圈轴向定位连接螺帽后使波纹簧处于预压缩状态，连接螺帽在波纹簧预压力的作用下保持相对位置固定。插头插座插合后，波纹簧压缩到位且一直处于弹性变形范围内，波纹簧提供的弹性力大于连接螺帽因自身质量产生的惯性力，从而实现了连接螺帽的防松，因此波纹簧对连接器的可靠连接有着非常重要的影响，然而在工程应用中由于波纹簧压缩后恢复不到位引起的连接螺帽松动、连接扭矩超标等问题时有发生，给圆形连接器的正常使用埋下了质量隐患。本文就连接器中常用的闭口、开口和叠口类型的波纹簧特点进行分析，给出连接器波纹簧的选用指南。

图4 波纹簧在插头中的应用示意图

2 加工方法对波纹簧力学性能的影响分析

闭口、开口和叠口类型的波纹簧在平面投影上都是内外同心圆结构，立体构造上有若干个波峰和波谷组成，形状如图5。

图5 波纹簧结构参数

可以得到波纹簧的弹性刚度为[3]：

(1)

已知：

(2)

将公式(2)代入公式(1)，整理后得到：

(3)

其中，公式(3)中参数含义为：R为波纹簧平均半径，m为波纹簧波数，δ为波纹簧的高度的一半，E为材料的弹性模量，b为波纹簧宽度，h为波纹簧的材料厚度。分析公式(3)可知，波数m、波纹簧平均半径R和材料厚度h对波纹簧的弹性刚度影响较大。

闭口波纹簧为封闭结构，材料厚度h是影响弹性刚度的主要因素。该类波纹簧一般采用带材冲压成形，而带材的厚度公差较大且存在局部不均匀性，根据公式(3)可以知道，即使0.3±0.02厚的带材也可造成弹性刚度产生1.49倍的差异，因此闭口波纹簧的弹性刚度个体差异大，批次稳定性差，但由于闭口波纹簧结构是封闭的，单个零件的弹性刚度在一定范围内呈良好的线性关系，见图6。

图6 闭口波纹簧的弹性刚度

开口波纹簧为不封闭结构，波数m和材料厚度h是影响弹性刚度的主要因素。由于结构不封闭，导致波数m不完整，有效波数随缺口的变大而减小，这导致单个波纹簧的弹性刚度随着压缩量发生较大变化，弹性刚度呈现出的线性关系较差，如图7所示。开口波纹簧的加工方法有两种，一是带材冲压加工，另一种为线材压扁绕制，这两种加工方法对开口波纹簧弹性刚度的影响程度是不同的：当采用带材冲压加工时，其影响程度同闭口波纹簧；当采用线材压扁绕制加工时，用专用设备将圆丝线料压制成厚度偏差±0.01mm的带材，这样厚度h对弹性刚度的影响大大降低。但是由于线材压扁绕制工艺复杂，成本高，开口波纹簧一般采用带材冲压加工，这样就导致开口波纹簧的影响因素较多，质量一致性较差。

图7 闭口波纹簧的弹性刚度

叠口波纹簧的起始端与末端互相搭叠一定的距离，且只能采用线材压扁绕制工艺，冷压工序不仅大大提高了材料的弹性极限，而且材料厚度可控制在±0.01mm，降低了材料厚度h对弹性刚度的影响，这些都提高了叠口波纹簧的耐受性和一致性。在相同条件下叠口波纹簧的弹性刚度适中，且随压缩过程缓慢增大，基本成线性变化，如图8所示，更为重要的是叠口波纹簧自身还可做成串、并联结构，使得该类波纹簧的用法更加灵活。

图8 叠口波纹簧的弹性刚度

3 波纹簧的串并联特性分析

闭口、开口和叠口波纹簧均能够实现串并联结构，但是它们实现的途径是不同的。闭口和开口波纹簧在实现串联时需要相邻的波纹簧之间增加垫圈，这就要求连接器给出足够的安装空间，在实现并联时需要波峰对波峰、波谷对波谷进行叠加。由于闭口和开口波纹簧弹性刚度的一致性较差，这就使得并联和串联后的波纹簧的弹性力变化范围更大且检测困难，在连接器中使用该类结构时需要给出足够大的安全系数，极易造成连接扭矩不稳定等问题，影响操作手感。

叠口波纹簧的串联结构是指叠口波纹簧的层数大于1、且每层的波数为半波(例如：2.5、3.5、4.5……)，使得相邻层之间的波峰与波谷对顶在一起，这样的结构使得波纹簧的弹性刚度表现出串联特性，结构如图9所示。叠口波纹簧的并联结构是指波纹簧的层数大于1、且每层的波数为整数波(例如：2、3、4……)，使得相邻层之间的波峰与波峰重叠在一起，这样的结构使得波纹簧的弹性刚度表现出并联特性，结构如图10所示。叠口波纹簧的串并联结构使得波纹簧的设计和应用变得非常灵活，在微型圆形连接器中得到大量应用。

图9 串联波纹弹簧结构 图10 并联波纹弹簧结构

4 连接器中波纹簧的选用指南

无论连接器符合怎样的标准，在实际使用中它们都是复合物理场的考核，例如在振动的情况下保证信号传输性能；在运输的过程中遇到淋雨天气；在严寒酷暑中进行高强度作业等，电缆自重、灌胶处理以及尾夹类型都大大增加了插头插座的质量，作为插头插座连接机构中的波纹簧首当其冲，承受着严酷的振动、冲击环境，除特殊情况外，连接器中的波纹簧都需要按照承受很大的力来考虑，因此防止波纹簧发生塑性变形是圆形连接器结构设计和波纹簧类型选择的基本要求。

相同条件下闭口波纹簧的弹性刚度最大，可压缩量最小，很小的变形即可吸收大量的能量，单只波纹簧的弹性刚度的稳定性好，但不同批次的波纹簧的弹性刚度一致性很差，主要因为该类波纹簧只能用带材加工，而带材厚度公差较大可造成弹性刚度很大的差异。因此该类波纹簧比较适合应用在减振、防松、对力学性能一致性要求不高的场合，例如紧固螺母的防松等。

相同条件下叠口波纹簧的弹性刚度适中，且随压缩过程缓慢增大，可压缩量较闭口波纹簧有所增加，叠口波纹簧只能采用线材压扁绕制工艺，冷压工序不仅大大提高了材料的弹性极限，而且材料厚度的精度可控制在±0.01mm，这些都提高了叠口波纹簧的耐受性和一致性，更为重要的是叠口波纹簧自身还可做成串、并联结构，使得该类波纹簧的用法更加灵活。该类波纹簧比较适合应用在对压缩量、力感和力学性能有一致性要求的场合，例如圆形插头连接螺帽处和电磁分离连接器中的电磁铁运动单元处等。

相同条件下开口波纹簧的弹性刚度最小，可压缩量最大，如果采用线材压扁绕制工艺，该类波纹簧的批次一致性也很好，但是由于缺口的存在使得波纹簧内力的传递出现断裂，导致该类波纹簧的弹性刚度随着压缩量发生很大变化，使得单个零件的弹性刚度稳定性很差。该类波纹簧特别适合应用在需要大范围变形、对力学稳定性要求不高的场合，例如各类零件的预定位、圆形连接器中的屏蔽接地等。

因此，在连接器的结构设计中要根据实际情况选择合适类型的波纹簧，不同类型波纹簧对比见表1。

表1 波纹簧性能对比表

闭口波纹簧叠口波纹簧开口波纹簧弹性压缩量小适中大弹性刚度数值大小大适中小单件线性度优良差批次稳定性良优差适用场合减振、防松对压缩量、力感和力学性能有一致性要求预定位、屏蔽接地

5 总结

本文分析了闭口、开口、叠口波纹簧的结构特点，并论述了弹性刚度与结构、加工方法之间的影响关系，给出了连接器中波纹簧的选用指南，对于解决圆形连接器中波纹簧塑性变形引起的连接螺帽松动、扭矩超标问题具有一定的指导意义。