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摘要：钩缓连接器是地铁半自动车钩上传输电力、信号的电连接部件。原连接器采用动触头和静触头的端面接触对方式，因车钩间隙导致接触对触点相对滑动，使得接触面磨损和接触不良。本文介绍一种钩缓浮动连接器采用了“浮动”连接的设计思路，连接器的壳体可以随车钩在车钩间隙范围内移动，但是接触对间没有相对移动，产品设计巧妙，性能可靠。
关键词：半自动车钩；钩缓连接器；浮动连接器；动触头；静触头；按钮式动触头；针孔接触对
1 引言
半自动车钩[1]主要用在地铁车辆与车辆或单元与单元之间的自动对接，而装备在其上的钩缓连接器是传递信号的关键部件。目前钩缓连接器采用的是动触头和静触头的端面接触对方式，动触头采用按钮式结构，静触头采用平面或网面结构。图1-1是某地铁车辆装用的4芯钩缓连接器，其静触头为平面结构。图1-2是某地铁车辆装用的7芯钩缓连接器，其静触头为网面结构。现有连接器的接触对形式如图1-3所示，当车钩对接时，动触头103和静触头104相碰并压缩动触头后部的弹簧，直到车钩面贴合，弹簧压缩量达到最大，动触头和静触头在弹簧力的作用下，保证一定接触力，实现电信号的传输。
但是，由于车钩对接后会存在一定的间隙，动触头与静触头不停的滑动摩擦，导致触头表面粗糙、镀层脱落，再加上连接器防护等级不够，出现了接触对“侵蚀”现象，造成接触电阻大幅度升高。同时为防止触头磨损，弹簧力不能设置太大，这样在车辆过弯道和坡道时容易造成动、静触头的瞬断，在这些原因的综合作用下，车辆出现了“位置丢失，完整性丢失”等电信号传输故障。
本文介绍的钩缓浮动连接器解决了现有半自动车钩钩缓连接器信号传输不稳甚至丢失的问题。
2 设计依据
产品设计依据来自于用户的技术协议，并参照了TB/T2761和GB/T25022等标准进行设计，主要要求如下：
2.1接口尺寸：为最大程度降低改装的难度，接口尺寸与现有钩缓连接器一致；
2.2防水等级：IEC 529 IP66；
2.3两对接车钩的轴向间隙小于1.5mm，径向间隙小于0.7mm；
2.4在车钩集合曲线（见图2-1）对应的垂直偏移和水平偏移范围内，连接器应能自动对接。
从集合曲线可见，当车钩对接间隙达到8mm时，车钩在垂直和水平方向就已经集合到了最终状态，车钩在连接状态下，一个车钩相对另一车钩中心线，能够在连挂面上下和左右方向产生的最大错动位移为0.5～0.7mm（绝对值为1.0～1.4mm），因此集合曲线垂直和水平偏移量到达0.7mm即达到最终状态。
3 结构原理
为了解决现有钩缓连接器接触对磨损及瞬断问题，钩缓浮动连接器采用了传统针孔连接方式，利用浮动机构（见图3-1），将由于车钩间隙导致的现有钩缓连接器动、静触头间的滑动摩擦转移到绝缘板组件和连接器外壳间，利用弹簧轴、弹簧和锥台使绝缘板组件悬浮于壳体之间，由具有预压缩的弹簧和锥台进行复位，同时利用弹簧进行补偿，该浮动机构有效的解决了车钩间隙对钩缓连接器接触对的影响，使得接触对形成刚性连接，避免了接触对磨损和瞬断问题。
3.1整体方案
钩缓浮动连接器的插头、插座分别设置在车辆的一对需要连接的车钩上，插头壳体与绝缘板组件刚性连接，插座内绝缘板组件与插座壳体浮动连接，浮动量大于车钩连接间隙，抵消车钩连接间隙对浮动连接器接触对的影响。
3.2 浮动、复位原理及结构
由于车钩连接后存在径向间隙和轴向间隙，采用插座绝缘板组件与插座壳体浮动连接的方式，解决因车钩间隙对接触对的影响。插座绝缘板组件通过三个浮动孔、锥台与复位弹簧形成一个浮动、复位机构（见图3-1）。当插头和插座在车钩的带动下插合时，插头上刚性导向销首先与插座绝缘板组件上对应的浮动导向孔插合；在导向销顺利插合后，插頭上刚性定位销与插座绝缘板组件上对应的定位孔插合，完成接触对的精密定位；进一步的插合，使得接触对的插针插入插孔，并将浮动的插座绝缘板组件向后压入（压缩量为3mm，大于车钩间隙），插座绝缘板组件在复位弹簧的作用下，插头和插座绝缘板组件形成一个整体，保持接触对可靠接触，此时，插头与插座绝缘板组件为刚性连接，插头与插座壳体为浮动连接。插座绝缘板组件与插座壳体的浮动间隙见图3-1，浮动孔、锥台和复位弹簧机构见图3-4；当车钩带着连接器分离的时候，通过三个浮动孔、锥台与复位弹簧的作用，插座绝缘板组件自动复位，有效保证了插头与插座下一次的顺利插合。
为了保证钩缓连接器连接可靠性，所设计的复位弹簧在插头插入插座时，需克服插针与插孔的插入力、导向销与导向孔的摩擦力，还需要克服工作状态下的冲击惯性力。
3.3导向、插合原理及结构
插头、插座插合时，插头绝缘组件上的导向销与插座绝缘组件上对应的浮动导向孔首先接触，如图3-5-a，导向销设计为高出车钩结合面15mm，根据车钩的集合曲线（见图2-1），可查到，当导向销刚与导向孔接触时，其相对于导向孔的纵向偏移量不大于3mm，横向偏移量不大于2.7mm，综合考虑，设置导向销的直径为7.5mm，导向销前端设计为圆锥体，其允许的车钩周向浮动量为3.75mm，这样在车钩集合的范围内确保连接器能顺利导向并插合。
当插头和插座继续插入，如图3-5-b所示，插头绝缘板组件上的定位销通过锥面过渡，顺利插入插座绝缘板组件上对应的定位销孔内，实现精密定位；
插头和插座进一步插入，插针与插孔对接并插入，直至插头绝缘板组件与插座绝缘板组件正面贴合，插针与插孔完全插合，此时，插头和插座需再继续插入，使得插头壳体与座壳体的密封圈贴紧密封，直至两个车钩接触面贴合，如图3-5-d，此时压缩插座绝缘组件向后退T=3mm，处于工作状态，车钩对接完毕。 插头插座插合的顺序见图3-5：导向-对准-插针插孔接触-插合到位。
3.5防转原理
通过导向销的异形截面与相应的导向销孔插合实现防转，如图3-6。
3. 6密封技术
采用径向与端面两级密封，已通过试验验证。
径向与端面两级密封方案见图3-7，连接器对接后，密封圈前端有1.5mm的端面压缩量，单边有0.5mm的径向压缩量，形成一级密封，密封圈内部的唇边与连接器壳体形成二级密封。多级密封，适合与恶劣的引用环境，经有限元分析[3]，其受力状态良好，密封可靠，防护等级可达到IP66。见图3-8。
4 模拟试验及型式试验
为了验证产品性能，进行了实验室试验和车钩模拟试验。
主要试验有对接试验、振动冲击试验、寿命试验及防护性能试验。
4.1对接试验
对接试验在四方所进行，浮动钩缓连接器安装在车钩试验台上，在无电负载的情况下，模拟了水平位移对接、S曲线对接、加减速对接等工况，以及500次插拔试验，接触对没有缩针和退针现象，连接器沒有明显的机械损伤，电连接性能全部合格，见图4-1和图4-2。
4.2振动、冲击
该试验是一个综合性试验。将整套钩缓连接器处于振动、冲击工况下，根据GB/T21563-2008[6]的要求，钩缓连接器按照1类B级进行振动和冲击试验，同时钩缓连接器模拟车钩进行强制性偏移，偏移量1.5mm，且方向交变，试验监测瞬时断电时间远小于0.1ms。
试验结果和分析：试验结果满足试验要求，表明绝缘板、壳体等在冲击和振动条件下都能正常工作；接触件的定位结构在振动冲击条件下也能正常工作。
4.3防护性能
钩缓连接器根据GB/T4208-2008[7]要求进行防水、防尘试验。
试验结果及分析：试验后，钩缓连接器内部无灰尘和水迹，满足IP66的要求。
5 结束语
浮动钩缓连接器采用了接触对相对壳体浮动的原理，解决了端面接触连接器在地铁车钩运用工况下信号丢失等问题，该产品现获得国家发明专利。
参考文献：
[1]王建兵.城市轨道交通车辆车钩选型研究[J].城市轨道交通研究，2011，第4期：21～23.
[2]GB/T 21413.铁路应用，机车车辆电气设备[S].
[3]曾攀.有限元分析及应用[M].北京：清华大学出版社，2004.
[4]GB/T25022-2010.车车辆车端电气通信（控制）连接器[S].
[5]GB/T25023-2010.机车车辆车端动力连接器[S].
[6]GB/T21563-2008. 轨道交通 机车车辆设备 冲击和振动试验[S].
[7]GB/T4208-2008.外壳防护等级[S].
关键词：半自动车钩；钩缓连接器；浮动连接器；动触头；静触头；按钮式动触头；针孔接触对
1 引言
半自动车钩[1]主要用在地铁车辆与车辆或单元与单元之间的自动对接，而装备在其上的钩缓连接器是传递信号的关键部件。目前钩缓连接器采用的是动触头和静触头的端面接触对方式，动触头采用按钮式结构，静触头采用平面或网面结构。图1-1是某地铁车辆装用的4芯钩缓连接器，其静触头为平面结构。图1-2是某地铁车辆装用的7芯钩缓连接器，其静触头为网面结构。现有连接器的接触对形式如图1-3所示，当车钩对接时，动触头103和静触头104相碰并压缩动触头后部的弹簧，直到车钩面贴合，弹簧压缩量达到最大，动触头和静触头在弹簧力的作用下，保证一定接触力，实现电信号的传输。
但是，由于车钩对接后会存在一定的间隙，动触头与静触头不停的滑动摩擦，导致触头表面粗糙、镀层脱落，再加上连接器防护等级不够，出现了接触对“侵蚀”现象，造成接触电阻大幅度升高。同时为防止触头磨损，弹簧力不能设置太大，这样在车辆过弯道和坡道时容易造成动、静触头的瞬断，在这些原因的综合作用下，车辆出现了“位置丢失，完整性丢失”等电信号传输故障。
本文介绍的钩缓浮动连接器解决了现有半自动车钩钩缓连接器信号传输不稳甚至丢失的问题。
2 设计依据
产品设计依据来自于用户的技术协议，并参照了TB/T2761和GB/T25022等标准进行设计，主要要求如下：
2.1接口尺寸：为最大程度降低改装的难度，接口尺寸与现有钩缓连接器一致；
2.2防水等级：IEC 529 IP66；
2.3两对接车钩的轴向间隙小于1.5mm，径向间隙小于0.7mm；
2.4在车钩集合曲线（见图2-1）对应的垂直偏移和水平偏移范围内，连接器应能自动对接。
从集合曲线可见，当车钩对接间隙达到8mm时，车钩在垂直和水平方向就已经集合到了最终状态，车钩在连接状态下，一个车钩相对另一车钩中心线，能够在连挂面上下和左右方向产生的最大错动位移为0.5～0.7mm（绝对值为1.0～1.4mm），因此集合曲线垂直和水平偏移量到达0.7mm即达到最终状态。
3 结构原理
为了解决现有钩缓连接器接触对磨损及瞬断问题，钩缓浮动连接器采用了传统针孔连接方式，利用浮动机构（见图3-1），将由于车钩间隙导致的现有钩缓连接器动、静触头间的滑动摩擦转移到绝缘板组件和连接器外壳间，利用弹簧轴、弹簧和锥台使绝缘板组件悬浮于壳体之间，由具有预压缩的弹簧和锥台进行复位，同时利用弹簧进行补偿，该浮动机构有效的解决了车钩间隙对钩缓连接器接触对的影响，使得接触对形成刚性连接，避免了接触对磨损和瞬断问题。
3.1整体方案
钩缓浮动连接器的插头、插座分别设置在车辆的一对需要连接的车钩上，插头壳体与绝缘板组件刚性连接，插座内绝缘板组件与插座壳体浮动连接，浮动量大于车钩连接间隙，抵消车钩连接间隙对浮动连接器接触对的影响。
3.2 浮动、复位原理及结构
由于车钩连接后存在径向间隙和轴向间隙，采用插座绝缘板组件与插座壳体浮动连接的方式，解决因车钩间隙对接触对的影响。插座绝缘板组件通过三个浮动孔、锥台与复位弹簧形成一个浮动、复位机构（见图3-1）。当插头和插座在车钩的带动下插合时，插头上刚性导向销首先与插座绝缘板组件上对应的浮动导向孔插合；在导向销顺利插合后，插頭上刚性定位销与插座绝缘板组件上对应的定位孔插合，完成接触对的精密定位；进一步的插合，使得接触对的插针插入插孔，并将浮动的插座绝缘板组件向后压入（压缩量为3mm，大于车钩间隙），插座绝缘板组件在复位弹簧的作用下，插头和插座绝缘板组件形成一个整体，保持接触对可靠接触，此时，插头与插座绝缘板组件为刚性连接，插头与插座壳体为浮动连接。插座绝缘板组件与插座壳体的浮动间隙见图3-1，浮动孔、锥台和复位弹簧机构见图3-4；当车钩带着连接器分离的时候，通过三个浮动孔、锥台与复位弹簧的作用，插座绝缘板组件自动复位，有效保证了插头与插座下一次的顺利插合。
为了保证钩缓连接器连接可靠性，所设计的复位弹簧在插头插入插座时，需克服插针与插孔的插入力、导向销与导向孔的摩擦力，还需要克服工作状态下的冲击惯性力。
3.3导向、插合原理及结构
插头、插座插合时，插头绝缘组件上的导向销与插座绝缘组件上对应的浮动导向孔首先接触，如图3-5-a，导向销设计为高出车钩结合面15mm，根据车钩的集合曲线（见图2-1），可查到，当导向销刚与导向孔接触时，其相对于导向孔的纵向偏移量不大于3mm，横向偏移量不大于2.7mm，综合考虑，设置导向销的直径为7.5mm，导向销前端设计为圆锥体，其允许的车钩周向浮动量为3.75mm，这样在车钩集合的范围内确保连接器能顺利导向并插合。
当插头和插座继续插入，如图3-5-b所示，插头绝缘板组件上的定位销通过锥面过渡，顺利插入插座绝缘板组件上对应的定位销孔内，实现精密定位；
插头和插座进一步插入，插针与插孔对接并插入，直至插头绝缘板组件与插座绝缘板组件正面贴合，插针与插孔完全插合，此时，插头和插座需再继续插入，使得插头壳体与座壳体的密封圈贴紧密封，直至两个车钩接触面贴合，如图3-5-d，此时压缩插座绝缘组件向后退T=3mm，处于工作状态，车钩对接完毕。 插头插座插合的顺序见图3-5：导向-对准-插针插孔接触-插合到位。
3.5防转原理
通过导向销的异形截面与相应的导向销孔插合实现防转，如图3-6。
3. 6密封技术
采用径向与端面两级密封，已通过试验验证。
径向与端面两级密封方案见图3-7，连接器对接后，密封圈前端有1.5mm的端面压缩量，单边有0.5mm的径向压缩量，形成一级密封，密封圈内部的唇边与连接器壳体形成二级密封。多级密封，适合与恶劣的引用环境，经有限元分析[3]，其受力状态良好，密封可靠，防护等级可达到IP66。见图3-8。
4 模拟试验及型式试验
为了验证产品性能，进行了实验室试验和车钩模拟试验。
主要试验有对接试验、振动冲击试验、寿命试验及防护性能试验。
4.1对接试验
对接试验在四方所进行，浮动钩缓连接器安装在车钩试验台上，在无电负载的情况下，模拟了水平位移对接、S曲线对接、加减速对接等工况，以及500次插拔试验，接触对没有缩针和退针现象，连接器沒有明显的机械损伤，电连接性能全部合格，见图4-1和图4-2。
4.2振动、冲击
该试验是一个综合性试验。将整套钩缓连接器处于振动、冲击工况下，根据GB/T21563-2008[6]的要求，钩缓连接器按照1类B级进行振动和冲击试验，同时钩缓连接器模拟车钩进行强制性偏移，偏移量1.5mm，且方向交变，试验监测瞬时断电时间远小于0.1ms。
试验结果和分析：试验结果满足试验要求，表明绝缘板、壳体等在冲击和振动条件下都能正常工作；接触件的定位结构在振动冲击条件下也能正常工作。
4.3防护性能
钩缓连接器根据GB/T4208-2008[7]要求进行防水、防尘试验。
试验结果及分析：试验后，钩缓连接器内部无灰尘和水迹，满足IP66的要求。
5 结束语
浮动钩缓连接器采用了接触对相对壳体浮动的原理，解决了端面接触连接器在地铁车钩运用工况下信号丢失等问题，该产品现获得国家发明专利。
参考文献：
[1]王建兵.城市轨道交通车辆车钩选型研究[J].城市轨道交通研究，2011，第4期：21～23.
[2]GB/T 21413.铁路应用，机车车辆电气设备[S].
[3]曾攀.有限元分析及应用[M].北京：清华大学出版社，2004.
[4]GB/T25022-2010.车车辆车端电气通信（控制）连接器[S].
[5]GB/T25023-2010.机车车辆车端动力连接器[S].
[6]GB/T21563-2008. 轨道交通 机车车辆设备 冲击和振动试验[S].
[7]GB/T4208-2008.外壳防护等级[S].