Zastosowania wojskowe i lotnicze obejmują elektronikę lotniczą, bezzałogowe statki powietrzne (BPL), samoloty, radary i satelity i wymagają znacznie bardziej rygorystycznych łączników i połączeń między nimi niż urządzenia użytkowe,leczenieTen typ złącza wojskowego/lotniczego jest wymagany do wytrzymania różnych naprężenia elektrycznych, mechanicznych i środowiskowych,i musi zawsze spełniać wskaźniki nominalnej wydajności, podczas gdy wydajność urządzeń konwencjonalnych będzie zmniejszona lub nawet uszkodzona w tych samych warunkach.
Wysoce niezawodne urządzenia łączące do zastosowań wojskowych i lotniczych nie są w żaden sposób jednym lub zestawem kontaktów zamkniętych w sztywnym obudowie.siły kontaktowe i materiały kontaktowe muszą funkcjonować jako zintegrowany system w celu zapewnienia zadowalającej wydajności w określonych warunkach.
W niniejszym artykule omawiane są wyzwania stojące przed projektantami przy wyborze i wykorzystaniu urządzeń do połączeń międzyprzewodowych do zastosowań wojskowych i lotniczych.Trzy produkty Molex są następnie wykorzystywane jako przykłady, aby wyjaśnić, dlaczego te urządzenia pomagają przezwyciężyć te wyzwania.
Wymogi dotyczące wytrzymałych złączy
Połączacze wytrzymałe konsekwentnie spełniają wymagania w warunkach ekstremalnych naprężeń mechanicznych, środowiskowych i termicznych.ale jest też duży stopień nakładania sięNa przykład:
Złącza w systemach wojskowych lądowych muszą być odporne na silne drgania, gęste osady (pył, piasek, piasek) oraz ekstremalny upał i zimno.
Złącza morski i głębinowy muszą być w stanie wytrzymać długotrwałe narażenie na korozyjne środowiska wody morskiej i wysokie ciśnienie kruszenia.
Złącze lotnicze musi być w stanie wytrzymać wielokrotne starty, lądowania i wibracje urządzenia lotniczego, przy wyjątkowo szerokim zakresie temperatur.
Podłącza kosmiczne doświadczają silniejszych wahań temperatury, ekspozycji na próżnię, wentylacji i silnych naprężeń mechanicznych podczas startu i powrotu do atmosfery.
W celu spełnienia specyfikacji tych wymagań niezbędne jest zrozumienie różnych podstawowych czynników fizycznych, w tym:
Wibracje: złącza w pojazdach wojskowych lub myśliwcach zostały przetestowane, aby wytrzymać przyspieszenie do 20 g.
Wpływ: ten rodzaj siły uderzenia wytwarzanej podczas szybkiego przyspieszenia lub opóźnienia różni się od wibracji.Do 50 g uderzenia w przypadku standardowych złączy i do 100 g uderzenia w przypadku projektów nano i mikro; nawet specjalistyczne normy dotyczące warunków wybuchowych obejmują wibracje strukturalne o wysokiej wielkości, wysokiej częstotliwości i krótkotrwałej mocy spowodowane eksplozjami urządzeń wybuchowych,powszechnie występujące w separacji etapu rakiety lub uwalnianiu ładunku użytecznego rakiety.
Ekstremalne temperatury: w systemach lądowych mogą występować wahania temperatur od - 65 °C do 125 °C, podczas gdy w systemach kosmicznych mogą występować temperatury do 200 °C.Zmiana ciepła i zimna powoduje, że materiał się rozszerza i kurczy, mogące osłabić materiał i wpływać na przewodność elektryczną.różnice w współczynniku rozszerzenia termicznego (CTE) między różnymi materiałami w złączach mogą powodować naprężenia mechaniczne na interfejsie materiału, co może powodować nieprawidłowe ustawienie lub awarię w długim okresie użytkowania.
ekspozycja na zanieczyszczenia: w celu zapewnienia wiarygodnej długotrwałej pracy złącza należy zastosować środki takie jak pierścień w kształcie litery O, uszczelnienie i obudowa z drutem ochronnym w celu zapobiegania wilgoci,pył i inne zanieczyszczenia.
Korrozja: Jest to ciągły problem spowodowany mgłą i utlenianiem soli.Materiały złącza muszą być odpowiednio wybrane i stosowane, aby zapobiec tym nieuniknionym warunkom, które mogą zniszczyć integralność złącza.
Co to jest niezawodność?
W prostych słowach niezawodność długoterminowa odnosi się do zdolności do utrzymania stabilnej wydajności w przypadku wielokrotnego użytkowania, narażenia na działanie środowiska i obciążenia mechanicznego.Wydajność ta zależy nie tylko od warunków, w których złącze jest po raz pierwszy używaneWiele złączy, zwłaszcza złącza I/O, przechodzi setki, a nawet tysiące operacji sprzężenia.
Skuteczna konstrukcja wytrzymałości ma dwa nierozerwalnie ze sobą powiązane aspekty: sam kontakt i obudowa (ciało) stacjonarnego kontaktu (rys. 1).
Materiał kontaktowy, geometria i pokrycie są kluczowymi czynnikami (kliknij aby powiększyć)
Rysunek 1. Materiał kontaktowy, geometria i pokrycie są kluczem do wytrzymałości konstrukcji złącza.
Konstrukcja powierzchni stykowej ma zasadnicze znaczenie dla zapewnienia, aby złącze utrzymywało niską siłę wkładania przy jednoczesnym osiągnięciu niezawodnego połączenia.Precyzyjne obróbki geometrii kontaktu zmniejszają żółcie w połączeniu, a pokryta złotem (Au) warstwa na powierzchni kontaktu zapobiega utlenianiuZłoto jest zazwyczaj grubości 50 mikrometrów i nakładane jest na powłokę o bazie niklu (Ni), która służy do zwiększenia przyczepności i dalszego zwiększenia odporności na korozję.
Połowy te pokrywają materiał bazowy z stopów miedzi (Cu) kontaktu.i zastosowań kosmicznychMiedź beryliowa (BeCu) jest szeroko stosowana jako materiał podstawowy ze względu na jej doskonałą wytrzymałość w stosunku do masy i doskonałą odporność na zmęczenie.Stopy te są szczególnie odpowiednie do kontaktów pierścieni sprężynowych, w których elastyczność i odporność po długotrwałym obciążeniu są niezbędne.
Fosfor brązowy (CuSnP) jest odpowiednią alternatywą dla kontaktów bez sprężyny, zapewniając równowagę między wytrzymałością a przewodnością.Ten materiał jest odporny na korozję i ma umiarkowane właściwości sprężynowe i jest powszechnie stosowany w kompaktowych i drobnych złączach, które wymagają pewnej elastyczności, ale nie wymagają ciągłego gięcia.
Zaprojektowanie wytrzymałego złącza wymaga starannego uwzględnienia wielu czynników (rysunek 2):
Utrzymanie normalnej siły jest kluczem do zapewnienia niezawodności.
Poprawiona geometria rozprowadza ciśnienie w celu zapewnienia stabilnej przewodności.
Kontakt jest nakładem osiowym pomiędzy szpilką a zbiornikiem, który łączy siłę, ciągłość i stabilność mechaniczną.
Utrzymanie normalnych sił jest kluczowe dla niezawodności
Rysunek 2: Nieprzerwana siła normalna jest kluczowym czynnikiem zapewniającym niezawodność (powyżej), podczas gdy większe siły kontaktu zmniejszają szczelinę powietrza (dolno), zmniejszając tym samym opór i poprawiając integralność sygnału.Źródło obrazu(Molex)
Na poziomie mikroskopowym obszar kontaktu parzenia nie jest po prostu dopasowaniem między dwiema gładkimi płaskimi powierzchniami.interfejs kontaktowy ma mikroskopijną chropowitośćWyższe siły kontaktowe spłaszczają te maleńkie wystawy, poprawiając przewodność elektryczną, zmniejszając opór kontaktowy i zapewniając stałą wydajność,ale zwiększone siły kontaktu wpływają również na siły wprowadzenia i wycofania, zwiększające zużycie powierzchni kontaktowych.
Dobrze zaprojektowany system kontaktu równoważy długość zaangażowania i normalną siłę, aby zapobiec luźnym połączeniom, nadmiernemu zużyciu i naprężeniom mechanicznym.rezystancja kontaktowa wzrośnie, a sygnał będzie niestabilnyNatomiast nadmierne siły stykowe przyspieszają ścieranie pokrywy i prowadzą do przedwczesnego zmęczenia konstrukcji stykowej.
W przeciwieństwie do dostępnych w handlu złączy z jednym lub dwoma kontaktami, złącza wytrzymałe wykorzystują system wielokontaktowy do rozkładu obciążeń mechanicznych wynikających z drgań lub wstrząsów (rysunek 3).Te systemy kontaktowe zapobiegają łukowieniu lub utracie sygnału z powodu biegania i zapewniają zbędne ścieżki kontaktowe dla systemów krytycznych.
Projekt wielokontaktowy dla zwiększenia stabilności i integralności sygnału
Rysunek 3: Konstrukcja wielokontaktowa w celu poprawy stabilności i integralności sygnału.
System kontaktowy może również zawierać elementy sprężynowe w celu utrzymania stałej siły kontaktu w czasie.Kontakty z wiosną kompensują małe zmiany podczas ustawiania kontaktów, zapewniając jednocześnie niezawodną przewodność poprzez wielokrotne wtykanie i odtykanieJednakże nadmierne siły mogą powodować nadmierne zużycie pokrywy kontaktowej.
Więcej niż kontakty: obudowa złącza i obudowa ochronna
Podstawowa funkcja solidnego złącza zaczyna się od kontaktu, ale obudowa złącza służy znacznie więcej niż kontakt elektryczny otaczający wnętrze: jest odporna na naprężenia mechaniczne,ekstremalne temperatury, agresywnych nośników i wilgoci przy zachowaniu równowagi między trwałością a wagą.
Polimery termoplastyczne, takie jak polieter-eter keton (PEEK), siarczan polifenoleiny (PPS) i imid polietherimidu (PEI), zapewniają doskonałą wytrzymałość mechaniczną, odporność na ciepło,i stabilność chemicznaMateriały te skutecznie wchłaniają wibracje i uderzenia lekkich konstrukcji.
Kompozyty takie jak polimery wzmocnione włóknami szklanymi i kompozyty z włókna węglowego mają doskonały stosunek wytrzymałości do masy.włącznie z wytrzymałością na rozciąganie, odporność na uderzenia lub stabilność termiczną.
Zestawy ze stali nierdzewnej i aluminium są preferowanymi materiałami do obudowy złączy ze względu na wysoki wpływ, wysokie wibracje,i silne zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) w przemyśle lotniczym i obronnym.
Obudowy z łączników ze stali nierdzewnej zapewniają doskonałą odporność na korozję i wytrzymałość mechaniczną, co czyni je idealnymi do zastosowań morskich, przemysłowych i lotniczych narażonych na wilgoć, chemikalia,lub mgły solnejStopy aluminium zapewniają nie tylko silną osłonę EMI, ale także lekką masę i łatwość obróbki, co czyni je preferowanym materiałem do obudowy złączy w pojazdach wojskowych, elektronikach lotniczej,i zastosowań kosmicznych.
Niektóre wytrzymałe złącza wykorzystują płaskie systemy zamykania, które zapewniają stabilność i bezpieczne połączenie przy jednoczesnym zmniejszeniu wymiarów ogólnych.urządzenie blokujące sprężynowe lub urządzenie przytrzymujące zapewnia zarówno niezawodność mechaniczną, jak i łatwość obsługi złącza w warunkach bojowych.