一篇文章教你認識連接器的核心
發(fā)布時間：2022-03-23 22:58:21點擊:742
隨著連接器可靠性要求越來越高，連接器的端子作為決定連接器電力和信號傳輸性能的關(guān)鍵組件，往往是連接器設(shè)計的重中之重。大家一般對連接器的插拔力、保持力有所了解，但是正向力作為連接器的另一個關(guān)鍵性能指標，往往大多數(shù)人不太了解。本文將為你詳細介紹什么是“正向力”。
一、正向力定義
正向力（英文：Normal Force）主要來自于兩連接器插接時插座的端子梁因與插頭配合產(chǎn)生的位移，由該位移產(chǎn)生的彈性恢復(fù)力就是端子正向力。
圖1：插針與插座配合示意圖（F表示正向力）
圖2：端子受壓產(chǎn)生位移示意圖
二、正向力影響因素
正向力與接觸電阻有什么關(guān)系了？從圖3我們可以直觀看出隨著正向力增大，接觸電阻變小，在100g力時接觸電阻趨于穩(wěn)定，保持在5mΩ。
圖3：正向力和接觸電阻
正向力對于連接器的影響是多個因素的，包括插拔力，磨損，接觸彈性部上的壓力（彈片應(yīng)力），連接器殼體上的壓力（塑膠應(yīng)力），接觸電阻。增加正向力對以上前四項產(chǎn)生不利影響，而只對一項產(chǎn)生緩和因素。增加正向力提高了磨擦力，也增大了插拔力及磨損率。緩和因素是增加磨擦力同樣提高了端子接觸部的機械穩(wěn)定性，這是一個有利的因素，因為它減少了接觸面的潛在不穩(wěn)定性，降低了它在端子接觸面或其附近出現(xiàn)腐蝕性物質(zhì)或污染影響的敏感程度。增加正向力使得在端子彈性部上的壓力變大，這樣反過來也對連接器殼體產(chǎn)生一個更高的壓力，在連接器殼體上的高壓力導(dǎo)致殼體更易發(fā)生變形，這樣可能影響彈性部的固持位置，進而影響正向力。從這一點來看，顯示出增加正向力總的來講對連接性能產(chǎn)生不利影響。
然而增加正向力卻可以抵消這些不利影響，正如圖3所示，接觸電阻隨著正向力增加而減少。增加的正向力對接觸電阻大小的必然影響是，接觸面積增加，則接觸電阻減小。另外，接觸阻力的穩(wěn)定性同樣通過兩種影響隨著正向力的增加而增加。首先，增加磨擦力提高了接觸面的機械穩(wěn)定性，以及隨之產(chǎn)生的對抗端子接觸面不穩(wěn)定的阻力。其次，在端子區(qū)域里的這種增加同樣提高了接觸面的抗腐蝕能力。一個連接器的“最優(yōu)化”正向力來自于較高正向力對機械性能所帶來的不利影響與端子磨擦力有利影響間的權(quán)衡。最小正向力必須能夠保證氧化膜之破壞和端子接觸面在不同應(yīng)用環(huán)境下的穩(wěn)定性。
三、材料性能和正向力
材料性能是決定端子正向力的基礎(chǔ)，假如把端子近似視為一懸臂梁（梁的一端為固定支座，另一端為自由端），如圖4，根據(jù)懸臂梁理論，可得到端子的正向力計算公式。
（公式1）
圖4：懸臂梁模型
其中D=梁位移量,E=材料彈性系數(shù),W=端子寬度,T=端子厚度,L=端子長度
該等式包括三個要素﹕梁位移、彈性系數(shù)和端子的幾何形狀，其中每個要素都是獨立的。當材料選定后，材料厚度T,材料的彈性系數(shù)E即固定不變，可以通過改變端子的幾何形狀來調(diào)整正向力的大小，并進而控制端子接觸面間的電阻，以確保電力傳遞及信號傳遞的穩(wěn)定性。
四、正向力的損失
對于連接器的失效，正向力的損失，會造成端子接觸界面的機械穩(wěn)定性降低。正向力損失主要有兩個方面：永久變形和應(yīng)力松弛。
永久變形是指端子梁由于塑性變形而偏離原始位置，查看公式1，永久變形造成梁偏移D減少，因此正向力降低。
對于偏移，有一種是設(shè)計偏移的塑性變形產(chǎn)生的，還有一種是插拔過程中的過應(yīng)力，通常是因為不正確的插拔引起的。
應(yīng)力松弛的結(jié)果是應(yīng)力的減少，導(dǎo)致正向力的減少。端子在正向力作用下會發(fā)生彈性變形，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。懸臂梁上的正向力F與應(yīng)力σ間的計算公式如下：
（公式2）
公式表明了任何的應(yīng)力減少都會導(dǎo)致正向力的減少。就連接器而言，我們可以定義為在連接器使用期間，隨著時間的延續(xù)，正向力會以一持續(xù)的偏差而削減。換句話說，僅僅是由于端子懸臂梁受到了因其配合偏移而產(chǎn)生的應(yīng)力，而其所受正向力的削減可看作是時間和溫度雙重作用的結(jié)果。當連接器的工作溫度升高，此時應(yīng)力松弛就更為明顯了。圖5論證了其關(guān)系。當懸臂梁位于其最大偏差0.005 英寸時，在96小時內(nèi)，正向力會隨著溫度的升高而減小。
應(yīng)力松弛是不可避免的，只能控制，應(yīng)力松弛的速度與設(shè)計選擇的材料和施加的應(yīng)力以及應(yīng)用的環(huán)境溫度相關(guān)，應(yīng)力松弛依賴于時間和溫度。
圖5：溫度與正向力關(guān)系
五、正向力測試介紹
正向力測試參照標準EIA-364-04（Normal Force Test Procedure for Electrical Connectors）。
常用測試設(shè)備：連接器插拔力試驗機。
目的：測試連接器母端彈片的位移-力對應(yīng)值，就是連接器母端彈片下壓多少毫米對應(yīng)的力值。
圖6：連接器插拔力試驗機
注意就連接器組成的情形而言，若測試方向受塑膠本體屏蔽阻礙，則須破壞連接器塑膠本體，但是不要動端子原始夾持固定性能為原則。
圖7：剖開的連接器
圖8:根據(jù)設(shè)計位移執(zhí)行測試
圖9：繪制位移-力曲線圖
六.總結(jié)
綜述連接器正向力是連接器的重要參數(shù)之一，我們在設(shè)計選型的時候要關(guān)注。連接器使用時其接觸可靠性與正向力成正比，提高正向力可以減小接觸電阻，可以改善連接器振動時信號瞬斷問題，但是正向力過大，將使連接器插拔力變大，端子變形產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力對其疲勞壽命也將產(chǎn)生不利影響。最優(yōu)正向力取決于受影響因素的平衡。只要能保證接觸電阻和界面穩(wěn)定的要求，正向力越小越好。根據(jù)業(yè)界常用設(shè)計標準，鍍金接觸區(qū)設(shè)計值建議在50~100gf 。鍍錫表面作可分離界面為了減少磨損腐蝕，會加大正向力，設(shè)計值一般要求高于150gf。選擇合適的材料和幾何形狀是基礎(chǔ)，設(shè)計時不斷調(diào)整參數(shù)，結(jié)合測試驗證，取的最優(yōu)正向力。
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