连接器弹性接触件设计与材料

连接器弹性接触件设计与材料苏州接插元件研究所邓志奎沈鑫万庆葛粉兆尹秋《国际线缆与连接》应用版—2002年4月刊摘要：文章就弹性件设计与材料之间的内在关系，通过公式推导，并通过电接触原理的介绍加以论述，以便使设计人员在设计连接器弹性元件时，为合理选择材料，提供一种可行的方法。前言连接器产品一般依据连接器的使用范围和功能要求来考虑其结构尺寸。如果材料选择不当，或结构尺寸参数不合适，将不会设计出一个好品质的连接器产品；同样弹性元件的材料选择不恰当，也不会设计出一个好的连接器产品。即使对一个工作多年的设计师来说，面对几十，上百种可供选择的材料，要能选择一种合理的材料也是很困难的。设计人员在设计连接器时，必须考虑诸多因素，特别是要将结构尺寸设计和弹性材料的选择加以综合考虑。随着材料科学的发展，现在市场上可供选择的弹性材料种类越来越多，这就给设计人员选择时带来了一定的困难。一般而言，针对具体的元件结构尺寸，首先是选择弹性性能能满足要求的材料，而在几种可供选择的材料中，又要选择一种价格相对便宜、工艺简单（工艺成本低）的材料，这种材料是最佳的选择对象。为了选好一种材料，本文首先从连接器的核心部分-接触对的电接触理论加以简单的介绍。1产品性能对连接器弹性接触对的要求电连接器接触性之好坏与连接器接触对间的接触电阻大小有关。一般要求接触电阻小一点为好，这样可减少接触电阻造成的功能损耗。并且也可减少接点发热，接点发热太高反而增加了接触电阻值。另外，过高的热量如散发不好就会使金属软化，加快了金属表面的氧化和磨损，使连接器的品质下降，严重的会使连接器塑壳软化变形，老化等。因此，接触电阻一般仍以偏小以好。同时，对数字电路用的连接器来说，要求连接器在工作时，其接触电阻不仅要小，数值也要求较为稳定为好。如工作中阻值变化太大，容易形成脉冲，从而使整机不能正常工作。我们在试制中曾用一只开关代替施密特电路给一数字电路发脉冲信号，发现由于弹性元件多次弹跳，开关每次开合击发引起计数紊乱。这是由于开关开合时，弹片抖动，引起接触电阻变化，从而产生电压变化所致，所以接触电阻值在工作过程中其数值要尽量稳定。1.1连接器接触对的接触电阻连接器接触对是指连接器一个插头片和一个插座片相互接触实现电连接的金属元件。它们在接触区形成一个电阻，称之为接触电阻。接触电阻有以下几部分组成：1.1.1压缩电阻Rc清洁的金属表面通过施加一定的压力（弹力）互相接触在一起时形成的电阻Rc称之为压缩电阻，见图1，由于接触区的接触面积很小，电流一到接触区相互被压缩在一起，使电流密度增加，此对产生的电阻称之为压缩电阻。当两种金属在弹性压力下相互接触时，由于金属表面并非理想的光滑表面，其表面粗糙度使得接触区并非是面接触，往往是一点或几点接触，在一定压力作用下，高的波峰处首先被压平，使得原来不接触的较低波峰处也产生接触，亦即是说，压力越大，参与接触的点越多。如一对接触对元件采用不同的材料制成。则RC=(p1+p2)/2d=Pf/d(1)、ρ2为两种材料之电阻率,ρ1为ρf、ρ2的平均值，d为接触区的小圆点直径，若为同一种材料，则ρ1=ρ2=ρ于是RC=p/d(2)设有几个点接触，则接触总面积（假使各接触点面积均为A），则于是有膜层电阻Rt金属表面由于吸附气体或表面产生氧化或磁化或受到吸附的氧化物的污染而在表面形成一层薄膜。这种薄膜往往是电的不良导体，从而造成接触电阻很高。这种薄膜在一定的压力，摩擦以及一定电压作用下碎裂，使得底层金属互相接触，产生隧道效应。电阻Rt称为隧道电阻（或称膜层电阻）。膜层电阻是影响接触电阻变大的主要因素。Rt一般占总接触电阻的70%~80%，所以应给Rt以充分重视。膜层电阻主要是由于金属表面被一层氧化膜隔开，这种氧化膜的化学稳定性很好，只有当接触对在足够大的电位差下才会被击穿，电子才会自由地流动。可是，在小功率电路中，有时开路电压仅50mV，要击穿很厚的氧化膜是显得太小了。但由于在不定期的正压力作用下触点之间的振动所产生的摩擦以及热胀冷缩等因素的影响，使金属之间产生微观的相对运动，从而会压碎金属表面氧化层，改善了表面接触状况，在裸露的底层金属接触处产生隧道效应，电流得以通过。因此，在设计连接器时，一定要保证弹性金属件能产生足够的接触压力。另外，为了降低膜层电阻的影响，接触元件表面一般都要镀复抗氧化性能强，化学稳定性好的贵金属镀层，以提高金属元件的抗氧化性能。但有的贵金属，如银，其导电性能很好，但抗氧化和硫化性能很差，为此，几采用镀银工艺的，表面最好用触点保护剂处理一下，以提高抗氧化和硫化性能。1.1.3金属导体本身的体积电阻Rb不同材料的体积电阻不同，体积电阻的大小取决于合金的金相组织结构。当材料上附加一个电场时，其自由移动的电子云在电场的作用下，加速向正极移动，移动越快，材料的导电率就越好（即电阻率越低）而合金中的杂质或微量元素的存在，又引起电场的不均匀度。从而扩大了电子运动的偏转和反射量的增加。并增大了偏移量和反射量，这对材料的导电率产生了不利的影响。见表1。表1部分不同金属材料的电阻率（20℃）材料名称(Ag)银(Au)金(Ba)钡(Pt)铂(Al)铝(Cu)铜(Ni)镍黄铜流银电阻率16.223.51081302716.86861.6290材料名称磷铜铍铜(Pa40Cu)镤铜合金(Cu54Ni46)铜镍合金(Mn86%Cu12%Ni2%)锰铜合金电阻率122102350500430由表1可见，不同合金材料，电阻率变化很大。对散热性不好的连接器，设计人员应选择电阻率小一点的材料，或通过改善散热条件解决。材料的体积电阻由下式计算：其中：A(l)-沿接触元件长度方向的横截面积-零件的长度-材料的电阻率对尺寸较大的接触件，Rb值一般比较小，因此对产品的性能影响不大，只有在散热条件很差的情况下，才加以考虑，一般可忽略不计。于是，接触对的总接触电阻公式可简化为：从使用的角度考虑，就接触电阻本身而言，要求接触电阻在较小的范围内为好。1.2接触电阻的影响因素前面虽然说明了接触电阻小一点为好，但也不是绝对的，因影响接触对的接触电阻大小的因素很多，如受环境影响也是一个重要因素，如H2S和SO2等气体对金属导体的影响，会使接触表面很快生成硫化物和氧化物。如镀银件表面生成黑色的硫化银的不导电物质，将极大地增大接触电阻值。其次材料的硬度及弹性性能同样也影响到接触电阻值。一种弹性较差的金属材料，其强度极限较低，当它产生弹性变形时，储存的变形能较小，因而产生的接触压力较小。但长时间使用后，容易产生机械变形，应力逐渐释放，从而造成接触对间的正压力降低，使接触性能变坏，因此要选择弹性性能好的材料作为接触件的弹性元件为宜。但事物往往是矛盾的对立统一。我们知道一对接触对的接触正压力增加，在一定范围内其接触电阻会随之降低，它基本呈二次曲线的关系。当接触压力很小时，接触电阻会急剧增大；当压力大到一定程度时，接触电阻减小值很不明显。如此时再继续增加接触压力，接触电阻几乎不减少。这时可能造成接触表面磨损严重，既破坏了表面镀层，又由于磨损使表面变得粗糙起来，反而减少了表面接触面积。同表面更易起化学反应，使接触电阻增大，逐步发展下去，就可能造成接触失效。所以在选取弹性件的材料时，要综合考虑多种因素，合理的加以选择。2连接器的弹性元件结构尺寸设计2.1弹性模方法：在讨论设计方法时，我们可将弹性接触件简化为一悬臂梁。如图2所示：设悬臂梁宽度为b，厚度h，长为L，端头施加一接触压力为P，端头绕度为f。（图2a）则梁的端部应力图为图2b所示：最大内应力在材料的上，下两面处向右为最大拉应力，向左为最大压应力。由材料的力学公式：-弹片端部最大内应力-弹片最大力矩-弹片的截面模量此公式在设计弹性接触件时，应根据材料的弹性模量，确定最大的许用应力。结构设计时，如变形量过大，超过材料性性能，就会产生永久塑性变形，这是应该避免的。究竟应该选取多大的σmax和σmin作为设计区域范围，见图3。2.2接触电阻法：对接触对之间存在一接触电阻，接触电阻之大小，与多种因素有关：如材料的电阻率，表面镀层，氧化和硫化等因素的影响，在设计时都要认真加以考虑，但除了上述这因素外，接触件之间的接触压力也能严重影响接触好坏和接触电阻之大小。我们做过一个实验，在一定范围内，接触电阻和接触压力是一个二次曲线的关系，如图4所示：弹性材料为Qsn6.5-0.1(Y)表面镍底镀金。由图4可见，当接触压力很小时，随P的减少接触电阻急剧上升。当P增加到一定程度时，P和R呈二次曲线关系。当P增到足够大时，曲线下降趋势比较平缓。根据产品的性能要求，对不同结构的零件，二次曲线数值略有变化，因此我们可以根据产品设计的总体要求，确定R设计区，从而通过图4确定Pmin和Pmax。将上述Pmin和Pmax值代入图3，确定Emax和Emin，这样就可确定对具体零件结构的弹性件选用什么样的材料。3结论在具体设计过程中，应针对具体情况加以综合考虑各种因素，即使选择正确，其它因素的影响也会造成连接器的不可靠。