绝缘位移技术接触件结构设计及优化_郭建设.pdf

书书书第 2 期2023 年 4 月机电元件ELECTOMECHANICAL COMPONENTSVol.43 No.2Apr.2023收稿日期:2022 10 02研 究 与 设 计绝缘位移技术接触件结构设计及优化郭建设，程利娟，郑学飞，王乐义，鲍小会(中航光电科技股份有限公司，河南洛阳，471003)摘要:绝缘位移技术(IDT)是一种将电缆导线连接到接触件上的技术，它是压接技术的一种替代方案，其中，接触件的刀口尺寸设计是绝缘位移技术实现的关键。接触件刀口处与导线之间连接可靠性对连接器性能有重要影响。本文通过仿真手段，分析接触件刀口结构参数变化对导线应力应变的影响、压接接触电阻和线缆拉脱力变化规律，最后通过试验验证了绝缘位移连接器的线缆拉脱力满足 IEC 60352 3 的测试要求。关键词:绝缘位移技术;刀口结构设计;拉脱力Doi:10 3969/j issn 1000 6133 2023 02 001中图分类号:TP391.9文献标识码:A文章编号:1000 6133(2023)02 0003 07Structure Design and Optimization of IDT ContactGUO Jians he，CHENG Li juan，ZHENG Xue fei，WANG Le yi，BAO Xiao hui(AVIC Optoelectronic Technology Co，Ltd，Luoyang，Henan，471003)Abstract:The insulation displacement technique is one kind of technology to connect the cable wire to the con-tact，it is an alternative to crimping technology，among which，the design of the contact blade size is the key to real-ize the insulation displacement technology The reliability of the connection between the cutting edge of the contactpiece and the wire has an important influence on the performance of the connector In this paper，the influence of thestructural parameters of the contact blade on the stress and strain of the wire，the change of the contact resistance andthe change of the cable pull out force are analyzed by means of simulation Finally，the test results verify that thecable pull out force of the insulated displacement connector meets the test requirements of IEC 60352 3Keywords:IDT，knife edge structure，pull off force1前言随着电子信息技术的飞速发展以及军用装备上的应用需求，电连接器正朝着高密度、模块化等方向发展1。目前常规的布线技术面临着巨大的压力，这种压力主要来源于线束供应商的成本控制、控制设备的模块集成、控制设备要易于维护和拆卸的要求。绝缘位移连接器可实现远距离，高密度信号的传输，在空间和成本上皆可以满足上述需求。绝缘位移连接技术即为绝缘导线压入比导线直径更细的“U”槽里。在插入的过程中绝缘皮在发生位移的过程中被刺破，露出线芯，在继续移动的过程中，线芯变形。当线芯被压入“U”槽中时，“U”型悬臂梁受到线芯压力，产生弹性变形，稍稍向两边张开。反之，线芯受到“U”悬臂梁的反作用力。这就形成了接触压力，即接触压力由“U”型悬臂梁的弹性变形提供，从而实现压力连接2。绝缘位移技术提供了一种将电线连接到电子设备的快速方便的方法。具体原理如下图所示。图 1绝缘位移连接过程2接触件的力学仿真2 1绝缘位移接触件结构分析电连接器的可靠性与其结构设计是否合理、完善直接相关，同样作为电连接器的关键元件，接触件的结构设计也非常重要。应将能否达到预期的性能要求、质量以及可靠性作为接触件结构设计的重点 3。本绝缘位移接触件结构可分为接触端、尾部“U”槽两部分，如图 2所示。接触端为与对插端接触实现信号传输，尾部“U”槽为导线接触端，实现信号通过导线远距离传输。图 2某绝缘位移接触件结构示意图连接器处于工作状态时，线芯与接触件之间依靠“U”悬臂梁形变产生的弹性力保持可靠连接，在连接器的整个生命周期中，线芯会长期处于压紧状态。由于接触件端部的“U”悬臂梁厚度薄，挠度大，出现屈服的风险较大，造成悬臂梁与线芯之间的正压力减小，降低连接可靠性。此外，多股线芯中单根线芯较细，若悬臂梁与线芯之间的正压力过大时，会造成线芯屈服甚至断裂。因此，通过对接触件端部“U”悬臂梁结构参数进行优选，保证“U”悬臂梁和线芯在极限压缩状态下各自的塑性形变都在可接受的范围内就成了保证产品可靠性的关键。当“U”悬臂梁受线芯挤压时，悬臂梁在接触压力的作用下产生弹性变形，其弹性变形的模型可简化为悬臂梁进行分析4。如图 3 所示。图 3悬臂梁模型示意图根据悬臂梁计算公式:P=3EIL3f其中:E 为接触件材料的弹性模量;I 为接触件截面对形心的惯性矩，接触件截面为矩形，I=1/12 bh3;b为接触件扰变方向材料横截面的宽度;h 为接触件扰变方向材料横截面的厚度;f 为“U”悬臂梁受压后的挠变量;L 为接触件悬臂梁长度。由公式可见，影响接触件应力分布的关键参数是“U”悬臂梁长度、接触件料厚。为满足既定的产品指标及功能，这两项参数已被限制在特定范围内，其余可能影响“U”悬臂梁应力应变的主要为悬臂梁之间间距，即挠度，如图 4 所示。因此在仿真设计中，针对这一参数进行了仿真分析。图 4接触件参数2 2“U”悬臂梁与线芯的三维建模某型绝缘位移连接器由接触件、带状线缆，胶体等部件组成，其接触件数量几十个，为快速求解，选定同类型中的一个结构为研究对象，仿真模型如图 5 所示。图 5仿真模型方案中接触件选用材料为铍青铜，线芯材料为紫铜，绝缘皮材料为 PET，其具体材料参数如下:4机 电 元 件2023 年表 1仿真所用的材料参数材料名称弹性模量/Mpa泊松比屈服强度/Mpa热导率 W/(mk)电导率 S/mm铍青铜1280000 35103510510578紫铜1100000 3437039055600PET40000 3450 20研究内容主要为线芯装配到位时，“U”悬臂梁与线芯之间通过正压力连接的可靠性。仿真模型中省去线芯初始压入接触件尾部刀口时绝缘皮被刺破的状态，即“U”悬臂梁的强度是否可以刺破绝缘皮，可通过强度计算公式获得。建立仿真模型时，选取单根导线进行分析，并对模型进行简化。(a)将接触件刀口与导线线皮干涉部分进行去除，减少仿真时计算量。(b)导线压入时，导线主要变形区域是导线与刀口接触部分。因此以刀口为中心，两侧各留 1mm 长度导线。(c)导线压入时，接触件主要变形区域为“U”悬臂梁，因此将接触件其它区域去除。(a)初模型(b)接触条件(c)边界条件(d)网格划分图 6仿真的模型设置建立简化后的仿真模型，此时导线位置距离压合到位位置为 0 85mm，此时导线与接触件完全分离。接触条件设置为通用接触，保证所有零件与其它零件之间均有接触，且设置摩擦系数为 02(铜与铜)。设置线芯与线皮之间摩擦系数为 0 6(铜与 PET)。边界条件将接触件底部与 P1 耦合，设置为固定约束。将7 根线芯的两个截面分别与 P2 和 P3 耦合，设置为 X 方向与 Y 方向位移固定，Z 方向移动 085mm。Z轴转动约束固定，X 轴和 Y 轴转动自由。将导线线皮设置为 Y 方向移动固定，Y 轴转动约束固定。网格均采用六面体网格，可以提高计算效率与计算精确度。导线网格尺寸为 0 02mm，接触件网格尺寸 0 04mm，导线线皮尺寸为 0 03mm。2 3线芯状态分布对仿真结果的影响(1)仿真结果与实际状态对比产品装配时，因线缆线芯为七股线芯，装配到位时线芯在“U”悬臂梁中分布状态有所不同，具体分布状态如下图 7 所示。线芯在悬臂梁中的分布状态由下至上为 1 2 1 2 1(图左)、2 2 1 2(图右)分布，即仿真模型时，在线芯移动进入悬臂梁中时初始线芯为 2 根和 1 根，具体见下图所示。图 7线芯真实分布状态图 8仿真模型两种线芯状态排布(2)不同线芯状态下正压力分布及线芯拉脱力分析两种线芯装入悬臂梁中后的仿真结果可提取线芯与接触件之间的正压力和线芯的拉脱力，结果如下图所示。5第 2 期郭建设等:绝缘位移技术接触件结构设计及优化(a)1 2 1 2 1 状态线芯与接触件之间的正压力(b)2 2 1 2 状态线芯与接触件之间的正压力(c)两种线芯状态线缆拉脱力(d)两种线芯状态线芯正压力图 9两种线芯状态排布仿真结果(3)压接接触电阻分析对压接到位后的模型进行压接接触电阻仿真。对压接到位时的模型进行提取，设置接触件底部为 0 电势面，设置导线端面输入 1A 电流，压接接触电阻可由导线端面电势与输入电流比值计算得到。(a)1 2 1 2 1 状态压接接触电阻(b)2 2 1 2 状态压接接触电阻图 10两种线芯状态排布压接接触电阻仿真结果(4)对比分析从线芯与悬臂梁之间的 X 方向应力力分布图中可以看出，2 1 2 2 线芯分布状态悬臂梁 X 方向应力力分布与1 2 1 2 1 线芯分布状态悬臂梁 X 方向应力力分布规律不同，但是应力力数值基本一致，X方向应力力峰值分别为 65MPa 和 75MPa。线芯拉脱力基本一致，即为 0 67N。2 1 2 2 线芯分布压接接触电阻为 5 588m，1 2 1 2 1 线芯分布压接接触电阻为 6 225m。分析可知，线芯在悬臂梁中的 1 2 2 2、1 21 2 1 分布时，三项参数部分值一致，即线芯的初始刺入悬臂梁状态并不影响结果分析，即在模型仿真时即定一种线芯分布状态即可，即图 8 中图左状态。2 3 值的影响规律研究中涉及三种模型(A/B/C)，具体参数见下表，研究 值的影响规律，三种模型的参数分布如下表所示。6机 电 元 件2023 年表 2三种模型的参数分布模型料带厚度(mm)线规格(AWG)值(mm)A0 4300 140 170 210 230 25B0 12300 140 170 200 230 26C0 17280 170 200 230 260 29对以上三个模型进行仿真，仿真结果如下图所示。(1)悬臂梁应力分布对插合到位后悬臂梁应力分布曲线进行提取，三种模型对不同 值的 X 方向应力力分布曲线进行提取。数据如下图所示。由仿真结果可知，三种模型随着 值增大时应力均变小，但当 值为 0 14、017、020、0 21 时，应力降低幅度小，当 值为 0 23 时，应力值开始降低幅度较大，此时接触可靠性也很小，则 值越接近于线径时，接触可靠性逐渐降低。(2)线芯应力分布对不同 值下，线芯插合后线芯的应力进行分析可知，当 值较小时，线芯应力值较大，存在压断线芯的风险。随着 值增大，虽然线芯的应力和屈服面积变小，线芯压合时不会出现压断线芯的情况，但是存在连接不可靠的风险。(3)压接接触电阻对不同 值下，当 值较小时，因悬臂梁与线芯之间的应力较大，压接接触电阻较小。随着 值增大，压接接触电阻逐渐增大，则随着 值的增大，悬臂梁与线芯之间的接触可靠性逐渐降低。(a)模型