可拆卸压接式电缆组件锁紧结构设计及仿真_王乐义.pdf

第 2 期2023 年 4 月机电元件ELECTOMECHANICAL COMPONENTSVol.43 No.2Apr.2023收稿日期:2022 11 02研 究 与 设 计可拆卸压接式电缆组件锁紧结构设计及仿真王乐义，鲍小会，程利娟，郑学飞(中航光电科技股份有限公司，河南洛阳，471003)摘要:可拆卸压接式电缆组件因其适用性强，可靠性高，使用方便等优点在武器装备中得到广泛应用。锁紧结构是保证电缆组件有效连接及可靠接触的关键因素。电缆组件锁紧结构设计包括解锁行程和材料在锁紧和解锁状态的弹性性能两个关键因素。设计 3 种电缆组件锁紧结构，利用数学模型计算解锁行程，采用仿真软件对锁紧状态及解锁过程进行仿真，验证各结构优缺点，为电缆组件锁紧结构的设计提供依据。关键词:锁紧结构;解锁行程;弹性性能;解锁过程Doi:10 3969/j issn 1000 6133 2023 02 002中图分类号:TP391.9文献标识码:A文章编号:1000 6133(2023)02 0010 05Design and Simulation of Locking Structure ofemovable Crimping Cable AssemblyWANG Le yi，BAO Xiao hui，CHENG Li juan，ZHENG Xue fei(AVIC Optoelectronic Technology Co，Ltd，Luoyang，Henan，471003)Abstract:emovable crimped cable assembly has been widely used in weapons and equipment due to its ad-vantages of strong applicability，high reliability and convenient use Its locking structure is the key factor to ensureeffective connection and reliable contact of cable assembly The locking structure design of the cable assembly in-cludes two key factors:the unlocking stroke and the elastic properties of the materials in locking state and unlockingprocess Three kinds of cable assembly locking structures were designed，the mathematical model was used to cal-culate the unlocking stroke，the simulation software were used to simulate the locking state and unlocking process，verify the advantages and disadvantages of each structure，provide a basis for the design of cable assembly lockingstructureKeywords:locking structure，unlocking stroke，elastic performance，unlocking process1引言可拆卸压接式电缆组件作为通用性产品，可广泛用于军事装备系统中印制板之间及印制板与其他设备之间的电气连接、信号和能量传递1、2，如图 1 所示。可拆卸压接式电缆组件，因其安装、拆卸方便，可靠性高，用途广泛等优点，特别适合航空、航天、无人设备、车载设备等对安全性、机动性、可维修性、产品可靠性和环境适应性要求较高的场合3。锁紧结构作为可拆卸压接式电缆组件的重要组成部分，负责锁紧对插到位的连接器，防止脱落造成连接中断，其可靠锁紧及解锁是保证电缆组件工作可靠的关键因素，可靠性至关重要，是影响电缆组件使用寿命的关键因素4。图 1电缆组件使用场景2电缆组件锁紧结构设计2 1电缆组件锁紧结构组成电缆组件包含插头和插座电缆组件，插头及插座电缆组件均包括接触件、绝缘体和电缆三个核心零件。电缆组件锁紧结构包括与绝缘体一体锁紧结构和单独零件锁紧结构两类，设计 3 种电缆组件锁紧结构，分别如图 2、图 3、图 4 所示。图 2锁紧结构一图 3锁紧结构二图 4锁紧结构三2 2锁紧结构工作原理结构一采用锁扣、卡扣与绝缘体为一体的锁紧结构，其工作原理为:插头绝缘体上设置卡扣，插座绝缘体上设置锁扣，当插头和插座连接器对准后，垂直插合，锁扣及卡扣沿引导斜面配合，听到咔哒一声，完成锁紧，如图 5 所示。断开连接时，按压锁扣一端，另一端超出卡口锁紧位置时即可反方向拔出，如图 6 所示。图 5结构一锁紧结构配接过程图 6结构一锁紧结构解锁过程结构二采用锁扣、按扣与绝缘体为一体的锁紧结构，其工作原理为:插头绝缘体上设置锁扣，插座绝缘体上设置按扣，当插头和插座连接器对准后，直接推入，当插座连接器外壳上的按扣穿过插头上的锁扣后，听到咔哒一声，就完成了配接，如图 7 所示。断开连接时，只需轻压按扣，反方向拔出即可分离，如图 8 所示。图 7结构二锁紧结构配接过程图 8结构二锁紧结构解锁过程结构三采用金属锁紧片与绝缘体卡扣配合使用的结构实现锁紧与解锁，插座锁紧片与绝缘体强装固定，如图 9 所示。图 9结构三插座锁紧片与绝缘体固定示意图结构三锁紧和解锁依靠插座上的锁紧片结构与插头上的卡扣结构配合实现，原理是锁紧片不受力时，与挂台形成配合，配对的电缆组件进行限位，头座无法分11第 2 期王乐义等:可拆卸压接式电缆组件锁紧结构设计及仿真离;头座分离操作时，压住锁紧片的一端，锁紧一端的挂钩抬起超过插座上的挂台高度，即可实现分离。锁紧和解锁状态如图 10 所示。图 10结构三锁紧和解锁状态示意图3锁紧可靠性设计及仿真锁紧结构要得到稳定的锁紧效果，一是解锁行程不能太短，太短容易误碰或在剧烈振动环境中误解锁，不能发挥作用;二是锁紧结构材料的弹性要好，锁紧时能承受较大的轴向负荷而不发生塑性变形，解锁时不能屈服变形，若出现屈服可能造成基体断裂，锁紧结构无弹性，无法满足反复锁紧与解锁的需求。由于材料性能、结构参数的影响，会出现如材料屈服、尺寸参数设计不合理等导致无法解锁或锁紧不稳定的情况，且军用系统产品使用环境更加严酷，影响因素更多，对锁紧的可靠性提出更高要求，因此在进行锁紧结构设计时，需要进行理论计算分析、仿真验证等，以达到满足军用的要求。利用数学模型计算 3 种锁紧结构解锁行程;采用Abqus 仿真软件建立仿真模型，分别在锁紧结构锁紧及解锁两种状态下进行仿真，验证其在锁紧时的稳定性，在解锁时(极限位置)是否发生塑性变形。3 1结构一设计及仿真31 1理论计算结构一锁紧结构中锁扣与绝缘体本体的连接部位为解锁转轴，如图 11 所示，解锁时挂钩需抬起高度 L4=0 75mm，L3=4 7mm，L2=4 5mm，根据数学模型计算，解锁端需压下距离 L1=0 7mm，解锁行程短，容易因为误操作或剧烈振动环境等导致解锁。图 11结构一解锁数学模型示意图31 2仿真分析结构一采用锁紧结构与绝缘体材料一体式结构，绝缘体采用弹性较好的 PA66 材料建立模型进行仿真。锁紧状态时，施加沿插头插座分离方向轴向载荷，其应力分布如图12 所示，卡扣承受约23 5N 的轴向载荷时，转轴部位出现了屈服。图 12结构一锁紧状态示意图解锁时卡扣的应力分布如图所示(仿真边界条件为卡扣抬起高度刚好能完成解锁，即 0 75mm)，材料发生了明显的屈服，锁紧结构锁扣转轴部位发生塑性变形，多次解锁后容易造成锁紧不稳定的情况。如图13 所示，解锁提供力的情况如下，可以看出，在力达到8N 左右时产生塑性变形。图 13结构一解锁仿真示意图3 2结构二设计及仿真3 2 1理论计算结构二锁紧结构中弹性部位与绝缘体本体的连接部位即解锁转轴，如图 14 所示，解锁时锁扣需下压高度 L2=0 3mm，L1=1 7mm，L4=2 2mm，L5=8mm，根据数学模型计算，解锁端需压下距离 L3=0 22mm，解锁行程短，可能误操作或剧烈振动环境等导致解锁。21机 电 元 件2023 年图 14结构二解锁数学模型示意图32 2仿真分析结构二采用锁紧结构与绝缘体材料一体式结构，绝缘体采用弹性较好的 PA66 材料建立模型进行仿真。锁紧状态时，施加沿插头插座分离方向轴向载荷，其应力分布如图 15 所示，锁扣与按扣搭接部位承受约35N 的拉力时，出现了屈服。图 15结构二锁紧状态示意图产品绝缘体采用 PA66 材料，解锁时按扣的应力分布如图 16 所示(仿真边界条件为按扣下降高度刚好能完成解锁，即 0 22mm)，应力主要集中在按扣根部，解锁时未发生塑性变形，需要提供 3N 的作用力按扣解锁。图 16结构二按扣的下压应力分布图3 3结构三设计及仿真3 3 1理论计算从解锁时仿真剖面图可以看出，转轴在如图 17 所示位置，数学模型与结构一相同，解锁转轴的位置相比结构一塑料卡扣有明显前移，解锁时挂钩需抬起高度L4=0 75mm，L3=1 64mm，L2=7 7mm，根据数学模型，计算出解锁端需压下距离 L1=3 52mm，即解锁行程大，锁紧稳定。图 17结构三解锁时仿真剖面图3 3 2仿真分析结构三锁紧结果对金属锁紧片材料分别采用铍青铜 TBe2、铜镍合金 C70250、和不锈钢 00Cr17Ni14Mo2分别做了仿真，其结果分别如下:铍青铜材料时，卡扣脱出时弹片上的应力如图 18所示(仿真边界条件为卡扣抬起高度刚好能完成解锁，即 0 75mm)，主要集中在弹片根部，解锁时未发生塑性变形，需要提供 66N 的作用力时卡扣解锁。图 18铍青铜 TBe2 仿真结果铜镍合金 C70250 材料时，卡扣脱出时弹片上的应力如图 19 所示，主要集中在弹片根部，最大应力超过了材料的屈服极限，弹片发生了一定程度的屈服，需要提供 6 5N 的作用力时卡扣解锁。不锈钢材料时，卡扣脱出时弹片上的应力如图 20所示，主要集中在弹片根部，最大应力超过了材料的屈服极限，弹片发生了一定程度的屈服，需要提供 11 5N31第 2 期王乐义等:可拆卸压接式电缆组件锁紧结构设计及仿真的作用力时卡扣解锁。图 19铜镍合金 C70250 仿真结果图 20不锈钢 00Cr17Ni14Mo2 仿真结果图 21结构三锁紧状态示意图综上分析，结构三当锁紧片材料为铍青铜 TBe2时，解锁应力未超过材料的屈服极限，可保证多次插拔后稳定锁紧。采用铍青铜 TBe2 在锁紧状态下仿真其轴向耐受力，如图 21 所示，金属锁紧片可承受约 45N 的拉力。4结论根据三种结构理论计算及仿真情况，将解锁行程、锁紧屈服力及解锁是否屈服情况总结如表一所示。表 1三种结构性能对比锁紧结构锁紧距离解锁行程锁紧屈服力解锁力解锁是否屈服结构一0 75 mm0 7 mm23 5 N8 N是结构二0 3 mm0 22 mm35 N3 N否结构三0 75 mm3 52 mm45 N6 6 N否锁紧结构与绝缘体一体的结构一和结构二，绝缘体材料为塑料，相对结构三弹性差(结构二解锁未发生塑性变形，但解锁行程过短)，解锁行程与锁紧距离相当，锁紧屈服力小，结构三金属锁紧结构数学模型与结构一一致，转轴位置可根据需求调节，将转轴位置前移，极大的增大了解锁行程(相同锁紧距离时，解锁行程为结构一的 5 倍)，防误操作和抵御剧烈振动环境等的能力更好;结构三金属锁紧片弹性更好，锁紧状态下，可以承受更大的锁紧屈服力，不易发生损坏，解锁应力未超过材料的屈服极限，可保证多次插拔后稳定锁紧。参考文献:1 接插件行业协会秘书处 中国线缆组件行业的市场分析及发展概况 J 机电元件 2010(