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一篇文章教你认识连接器的核心-- 正向力
2017-07-17 17:32 随着连接器可靠性要求越来越高，连接器的端子作为决定连接器电力和信号传输性能的关键组件，往往是连接器设计的重中之重。大家一般对连接器的插拔力、保持力有所了解，但是正向力作为连接器的另一个关键性能指标，往往大多数人不太了解。本文将为你详细介绍什么是“正向力”。
一、正向力定义 正向力（英文：Normal Force）主要来自于两连接器插接时插座的端子梁因与插头配合产生的位移，由该位移产生的弹性恢复力就是端子正向力。
图 1：插针与插座配合示意图（F 表示正向力）
图 2：端子受压产生位移示意图 二、正向力影响因素 正向力与接触电阻有什么关系了？从图 3 我们可以直观看出随着正向力增大，接触电阻变小，在 100g 力时接触电阻趋于稳定，保持在 5mΩ。
图 3：正向力和接触电阻 正向力对于连接器的影响是多个因素的，包括插拔力，磨损，接触弹性部上的压力（弹片应力），连接器壳体上的压力（塑胶应力），接触电阻。增加正向力对以上前四项产生不利影响，而只对一项产生缓和因素。增加正向力提高了磨擦力，也增大了插拔力及磨损率。缓和因素是增加磨擦力同样提高了端子接触部的机械稳定性，这是一个有利的因素，因为它减少了接触面的潜在不稳定性，降低了它在端子接触面或其附近出现腐蚀性物质或污染影响的敏感程度。增加正向力使得在端子弹性部上的压力变大，这样反过来也对连接器壳体产生一个更高的压力，在连接器壳体上的高压力导致壳体更易发生变形，这样可能影响弹性部的固持位置，进而影响正向力。从这一点来看，显示出增加正向力总的来讲对连接性能产生不利影响。
然而增加正向力却可以抵消这些不利影响，正如图 3 所示，接触电阻随着正向力增加而减少。增加的正向力对接触电阻大小的必然影响是，接触面积增加，则接触电阻减小。另外，接触阻力的稳定性同样通过两种影响随着正向力的增加而增加。首先，增加磨擦力提高了接触面的机械稳定性，以及随之产生的对抗端子接触面不稳定的阻力。其次，在端子区域里的这种增加同样提高了接触面的抗腐蚀能力。一个连接器的“最优化”正向力来自于较高正向力对机械性能所带来的不利影响与端子磨擦力有利影响间的权衡。最小正向力必须能够保证氧化膜之破坏和端子接触面在不同应用环境下的稳定性。
三、材料性能和正向力 材料性能是决定端子正向力的基础，假如把端子近似视为一悬臂梁（梁的一端为固定支座，另一端为自由端），如图 4，根据悬臂梁理论，可得到端子的正向力计算公式。
（公式 1）
图 4：悬臂梁模型 其中 D=梁位移量,E=材料弹性系数,W=端子宽度,T=端子厚度,L=端子长度 该等式包括三个要素﹕梁位移、弹性系数和端子的几何形状，其中每个要素都是独立的。当材料选定后，材料厚度 T,材料的弹性系数 E 即固定不变，可以通过改变端子的几何形状来调整正向力的大小，并进而控制端子接触面间的电阻，以确保电力传递及信号传递的稳定性。
四、正向力的损失 对于连接器的失效，正向力的损失，会造成端子接触界面的机械稳定性降低。正向力损失主要有两个方面：永久变形和应力松弛。
永久变形是指端子梁由于塑性变形而偏离原始位置，查看公式 1，永久变形造成梁偏移 D 减少，因此正向力降低。
对于偏移，有一种是设计偏移的塑性变形产生的，还有一种是插拔过程中的过应力，通常是因为不正确的插拔引起的。
应力松弛的结果是应力的减少，导致正向力的减少。端子在正向力作用下会发生弹性变形，产生内应力。悬臂梁上的正向力 F 与应力 σ 间的计算公式如下：
（公式 2）
公式表明了任何的应力减少都会导致正向力的减少。就连接器而言，我们可以定义为在连接器使用期间，随着时间的延续，正向力会以一持续的偏差而削减。换句话说，仅仅是由于端子悬臂梁受到了因其配合偏移而产生的应力，而其所受正向力的削减可看作是时间和温度双重作用的结果。当连接器的工作温度升高，此时应力松弛就更为明显了。图 5 论证了其关系。当悬臂梁位于其最大偏差 0.005 英寸时，在 96 小时内，正向力会随着温度的升高而减小。
应力松弛是不可避免的，只能控制，应力松弛的速度与设计选择的材料和施加的应力以及应用的环境温度相关，应力松弛依赖于时间和温度。
图 5：温度与正向力关系 五、正向力测试介绍 正向力测试参照标准 EIA-364-04（Normal Force Test Procedure for Electrical Connectors）。
常用测试设备：连接器插拔力试验机。
目的：测试连接器母端弹片的位移-力对应值，就是连接器母端弹片下压多少毫米对应的力值。
图 6：连接器插拔力试验机 注意就连接器组成的情形而言，若测试方向受塑胶本体屏蔽阻碍，则须破坏连接器塑胶本体，但是不要动端子原始夹持固定性能为原则。
图 7：剖开的连接器
图 8:根据设计位移执行测试
图 9：绘制位移-力曲线图 六. . 总结 综述连接器正向力是连接器的重要参数之一，我们在设计选型的时候要关注。连接器使用时其接触可靠性与正向力成正比，提高正向力可以减小接触电阻，可以改善连接器振动时信号瞬断问题，但是正向力过大，将使连接器插拔力变大，端子变形产生的内应力对其疲劳寿命也将产生不利影响。最优正向力取决于受影响因素的平衡。只要能保证接触电阻和界面稳定的要求，正向力越小越好。根据业界常用设计标准，镀金接触区设计值建议在 50~100gf 。镀锡表面作可分离界面
为了减少磨损腐蚀，会加大正向力，设计值一般要求高于 150gf。选择合适的材料和几何形状是基础，设计时不断调整参数，结合测试验证，取的最优正向力。
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