Методика расчета контактной пары

Электрические контакты являются неотъемлемыми элементами любого электрического устройства или машины. Несмотря на широкое применение контактов, надежность их сравнительно низка и зачастую снижает надежность всего устройства. Поэтому встает проблема создания надежных контактов, решить которую можно лишь путем теоретического и экспериментального исследования физических явлений, происходящих при работе контактов, а также проведения необходимых расчетов.

Для соединителей и разъемов широко используется гиперболоидная кон­тактная пара (ГКП). ГКП (рисунок 1) конструктивно сложнее применяемых ранее контактных пар, но обладает повышенными механическими и электрическими характеристиками при тем­пературе окружающей среды до + 85 °С. Поэтому в качестве при­мера рассмотрим методику расчета ГКП.

Рисунок 1

Полный расчет ГПК состоит из механического и электрического.

1 Механический расчет

1 Определение длины и прогиба упругих элементов

Гиперболоидная контактная пара (ГПК) состоит из жесткого штыря и многоупругого гнезда. Упругие элементы (УЭ) выполнены в виде упру­гих нитей (проволок) на двух опорах с жесткой «заделкой». Оси УЭ и гильзы развернуты на угол , так что огибающая УЭ при вра­щении вокруг оси гильзы образует гиперболоид. Количество УЭ определяется диаметром гильзы и равно 6,8 или 12.

Натянутая при сборке проволока перед формированием концов образует касательную к краям гильзы. При под­гибке свободных концов ось УЭ из-за упругости проволоки выгибается к оси гильзы (рисунок 2). Величина выпукло­сти определяется жесткостью, дли­ной УЭ и величиной зазора в сбороч­ном приспособлении. Величина вы­пуклости, измеренная экспериментально на изготовленных контакт­ных парах, приведена в таблице 1.

Рисунок 2

Если рассечь сочлененную ГКП плоскостью, проходящей вдоль оси УЭ, то поверхности штыря и гильзы будут иметь форму эллип­сов с осью симметрии, расположенной на оси ГКП.

Таблица 1– Величины технологических выпуклостей

Диаметр штыря dш, мм	Максимальная выпуклость fт, мм	Колебание максимальной выпуклости dfт, мм
1,0	0,06	0,01
1,5	0,09	0,025
3,0	0,09	0,02
3,5	0,11	0,01

Если штырь не касается УЭ или касается без натяга, то Р_к=0. При увеличении диаметра штыря УЭ начинает прогибаться и будет работать как балка на двух опорах с обоими защемленными концами до тех пор, пока ось УЭ не пройдет положение касательной и длина его не будет равна длине в свободном поло­жении. Распорную силу, т. е. силу, направленную по оси УЭ, практически можно принять равной нулю, так как переме­щение штыря направлено под углом 8° к оси УЭ и изгиб УЭ будет проходить не только в вертикальной плоскости, но и в горизонтальной.

Рисунок 3

При даль­нейшем увеличении диаметра штыря УЭ будет работать как растягиваемая упругая нить с активной длиной, равной дли­не огибающих штыря и двух полукруглых опор гильзы до заделок обоих концов Удлине­ние нити L равно

, (1)

где L—длина растянутой нити, L₁—длина нити в свободном со­стоянии. Длину L определяем из схемы рисунка 3:

(2)

где R и r – расчетные значения радиусов:

R_Ш – среднее значение максимального радиуса рабочей части эллипса, полученного при сечении штыря плоскостью под углом , - малая полуось эллипса, равная радиусу штыря (d_Ш/2); - большая полуось эллипса, равная

следовательно,

(3)

r_г— среднее значение минимального радиуса рабочей части эллип­са, полученного при сечении гильзы плоскостью под углом 8° (для расчета можно принять r_г, равным половине толщины стенки концов гильзы); d_П—диаметр проволоки УЭ.

откуда

(4)

Для определения величины угла составим систему уравнений:

Из этих уравнений находим выражения для а и приравни­ваем их:

Преобразуем уравнение:

Подставляем

Возводя в квадрат обе части этого уравнения, получаем:

(5)

Следовательно, получили уравнение второй степени типа число действительных решении которого зависит от знака дискриминанта D, равного При D<0 имеется 2 ре­шения, D=0 — одно решение, при D>0 — уравнение не имеет реше­ния. Последний случай в ГКП исключен. Параметр A определяем из рисунка 3.

(6)

где - длина гильзы.

Размер В равен

Размер у определяем из уравнения эллипса:

Так как то

Таким образом, размер В равен:

(7)

Длина УЭ в свободном положении равна:

При наличии тexнoлогической выпуклости f_т (таблица 1) наименьшую свободную длину УЭ, при которой начинается деформа­ция растяжения, следует определять по выведенной формуле (2), нo для расчетного радиуса штыря, равного

При этом следует иметь в виду, что при условии

УЭ работает как балка на двух опорах; размеры площадки контак­тирования неопределенны; при УЭ работает как балка на двух опорах, но длина площадки контактирования вычисляется по формуле (13), при УЭ испытывает дополнительное растяжение.