摘 要 |
ID连接即绝缘位移连接。ID连接器的研制适应了小型化、高密度发展的趋势。目前已有不少应用在仪器仪表计算机系统、办公机械和通讯等部门,文章结合国内外技术发展情况作出介绍。由于该产品在国内方面方兴未艾,在技术理论上与产质量量上尚需进一步研究提高。 |
ID connection means insulationdisplacement connection.Developments of this kind of connectors aresuited for the developing trends of small scale and highdensity.They have presently found application ininstruments,computers, office equipment and communicationsectors,etc.This paper gives an introduction of the developmentsituations both at home and abroad.Owing to becoming popularfurther research and improvement must be still made in technicaltheory and quality of products. |
一概述
ID连接(InsulationDisplacement Connections)即绝缘位移连接,20世纪六十年代继压接和绕接之后出现的一种新的连接器端接方法。*早是由美国公司研究成功的,到20世纪七十年代末,日本和西欧的一些公司也形成了自己的ID连接器产品。这类连接器的发展顺应了连接器小型化、高密度发展的趋势。目前,这类连接器已广泛地应用在仪器仪表、计算机系统、办公机械和通讯等部门,并迅速向其它应用领域扩展。
国内ID连接器起步较晚,始于20世纪七十年代末、八十年代初。目前,有数家厂矿企业生产此类连接器,但无论从质量上还是品种数量上均不能与国外大公司相匹敌。究其原因,除了制造技术不如人家外,该项技术从理论上是否完全掌握仍有探讨的必要。
就该类连接器来说,ID连接问题是带缆连接器技术的核心问题。本文通过对照国外该项技术的研究成果及我们自己的研究情况,对连接器原理,连接的可靠性以及设计带缆连接器应注意的问题作一介绍,以便有关人员参考。
二ID连接原理
所谓ID连接,即是将端部成尖角的“U”形接触件刺入导线,使导线强行进入接触片角叉之间的槽中,而尖角使导线绝缘层首先从导线上被撕开,使导线卡在角叉之间的槽中,角叉的两内侧边夹紧导体从而实现电连接。这一连接方式称为ID连接(绝缘位移连接)。
当导线被压入角叉槽中时,角叉受到导线压力,产生弹性变形,稍稍向两边张开。反之,导线受到角叉的反作用力。这就形成了接触压力,从而实现压力连接(见图1)。
在角叉力F的作用下,导体也会产生机械变形。这就增加了接触区的接触面积。而角叉的弹性变形又保证接触区形成高压力的状态。两种因素的综合结果,就形成了气密性的ID连接。所谓气密性连接,是指在金属材料接触区,结合得非常紧密,气体分子也很难进得去。
ID连接,既适用于单股铜芯线,又适用于多股(一般为7股)铜芯线,但二者的连接情况略有不同。
当单股铜芯线强行压入角叉槽时,角叉对单股铜芯线的压力一旦超过导线铜芯线的屈服点时,导体将产生塑性变形,从而增加接触面积并实现气密性连接(图2.b)。
a.多股铜芯线压入角叉槽的排列变形情况(放大50倍) | .单股铜芯线压入角叉槽显微照片(放大200倍) |
图2 ID连接效果图
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当多股铜芯线强行压入角叉槽时,由于角叉的槽宽小于线芯直径,会出现两种情况:一方面是多股铜芯线束沿角叉槽的方向位置重新排列。另一方面,由角叉槽两边对导体的相互摩擦运动以及角叉对线芯的压力作用,在线芯重新排列的同时,线芯也产生机械变形(图2.a),从而实现可靠的连接。
三接触电阻与测量
3.1接触电阻
当两个金属相互接触时,总会有接触电阻产生。因接触表面不可能是理想平面,总会有一些凸出部分。这样,实际接触是一些点接触,使实际接触面积比理论上小得多,但材料的塑性和接触压力增大,会使一些较高的点被压平,从而影响接触电阻的大小。
一个连接器性能的好坏,*终反映在接触电阻上,因此我们要求接触电阻小一点外,更重要的是接触电阻的稳定性。
ID连接除了角叉对导体产生一接触压力外,由于导体进入角叉槽时有滑动摩擦,两种因素的综合结果,使接触表面的凸出部分被磨平。同时摩擦使接触表面的氧化物、硫化物及油污等被**,形成清洁的表面接触。因此,增加了接触面积,降低了ID连接的接触电阻。
图3给出了仅有接触压力和接触压力加滑动摩擦作用情况下的接触电阻变化曲线,可见后者电阻值低得多。
假设ID连接的导体和角叉均是纯金属制成,并压平了表面突起产生有效接触,则接触电阻计算公式为:
R0=(ρ/2)sprt(π/nAw)....................(1) |
式中:ρ为两种金属的平均电阻率(mΩ·mm2/mm)
Aw各接触面总面积
n接触面数
对单股ID连接来说n=2,则(1)式可改写为
Rc=(62.665×10-2ρ)/sprt(Aw)....................(2) |
通过(2)式可算出Rf的值。
一个理想的接触表面所可能得到的*小接触电阻可用下式计算:
Rmin=ρf/D....................(3) |
式中,D为导体的直径
`Pf为角叉材料的电阻率(mΩ·mm2/mm)
例如,导线规格为导体直径D=0.32mm,接触角叉采用Qbe制造,其电阻率为0.1mΩ·mm2/mm,则ID连接在理想状况下的*小接触电阻为
Rmin=0.1/(2×0.32)≈0.15(mΩ) |
实际上,接触情况远非理想状况,而是相当复杂的。所以实际接触电阻远远大于理论*小值。一般应将理论值扩大10倍左右。
3.2接触电阻的测量
我们在研制ID连接器时,采用SW-1型数字微欧计进行接触电阻测量。该仪器系根据电流电压法原理采用四端子连接测量方法,能有效地消除端子与样件的接触电阻产生的误差。有测量精度高、性能稳定、操作方便的优点。其量程范围及电压电流值见表1
我们选用量程为200mΩ,电流100mA,电压为20mV,对我们开发的ID连接器的接触电阻进行测量,一共测了四十个接触对,测量结果为:小于1mΩ的27点、1~1.5mΩ的9点、23mΩ的4点,可见绝大多数ID连接的接触电阻均小于1.5mΩ。
四ID连接可靠性设计
如何保证和提高ID连接的可靠性?综上所述,ID连接方法是比较简单的,要保证其可靠性,在设计ID连接器产品时,必须考虑以下几方面的问题。
4.1保证ID连接的高可靠性。关键是“U”型角叉的两侧边必须与嵌入槽中的导体可靠地接触,并尽可能增加接触面积,才能保证接触稳定和维持较低的接触电阻。因此,在设计ID连接角叉时,其槽宽必须小于导体的芯线直径,以导线为AWG28号线为例,导线直径为0.32,推荐的角叉槽宽为0.232为宜。太厚的槽会产生绝缘层残留和接触**。太窄则容易切断线芯导体反而造成接触**现象产生。
为了防止导体被角叉槽侧边切断,角叉槽两侧边不能做成刀口形,应做成平面形。我们在试制ID连接器时,一开始怕绝缘层切不掉采用刀形结构,后来发现有断导线现象产生,*后改为平面形槽,消除了这一问题。同时平面形也便于加工,工艺性好。
4.2不管哪种结构的角叉,其入口处都必须做成漏斗形。这是为了帮助导线的可靠定位,同时也为了导线压入角叉槽时,漏斗形的叉角侧边能有效地将导线绝缘层撕开关在随后的压接过程中剥去绝缘层,从而避免绝缘层在接触区残留。
4.3为了使导体顺利地导入角叉槽中的预定位置,连接器线夹的支承槽口不能太宽,以保证在压接连接时起到支承导线的作用,不致使导线产生垂直面上的弯曲变形(图4),从而使导体不能达到角叉槽的预定部位,造成接触性能变坏。
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a 支承槽口太宽 引起导线弯曲 | b 支承槽口宽度 正确 |
图4 支承槽口宽度 |
4.4合理选择角叉弹性材料。为了保证角叉在压入后产生弹性变形所产生的对导体的较大压力,必须选择好的弹性材料,一般地,建议采用铍青铜材料。国产的Qbe2铍青铜材料具有很好的弹性性能,其强度高和应力松弛缓慢。屈服强度比一般铜合金高很多。当它发生弹性变形时,就会收贮大量的变形能。一旦卸荷时,存贮的能量释放可使角叉恢复原状。这是保证ID连接接触电阻长期稳定的重要条件。
4.5在设计ID连接时,应优先考虑无支撑线夹连接器结构。连接器线夹分有支撑和无支撑两种(图5)。
ID连接的电接触可靠性是靠“U”型接触片的结构和铍青铜的特性来保证的,而不是靠支撑结构来夹紧导体而降低角叉的材料性能。采用诸如黄铜、磷铜之类的材料,虽然开始一段时间性能还可以,但随着塑料的线夹的角叉力的作用下产生蠕变,同时其它材料的角叉也不能长期贮存较高的变形能量,从而导致角叉和导体之间的压力降低,造成电气性能下降。如采用铍青铜材料制造角叉形接触件,可以采用无支撑线夹,而采用有支撑线夹则效果更好。