تربط حزمة الاسلاك بين عنصرين صلبين: موصل في كل طرف. وبين الطرفين ينثني الكابل ويتعرض لاحمال ميكانيكية ناتجة عن الاهتزازات والدورات الحرارية والتعامل اليدوي. يدير تخفيف الاجهاد المنطقة الانتقالية بين الاجزاء الصلبة والمرنة. بدونه تتركز كل قوة سحب او التواء او انحناء مباشرة على وصلات اللحام واطراف التجعيد.
نمط الفشل متوقع: انتزاع الاسلاك من الموصلات اثناء التركيب، وانكسار الشعيرات داخل غلاف الموصل بعد اشهر من الاهتزاز، واتصالات متقطعة بسبب اجهاد الموصل عند نقطة انحناء حاد. تتسبب هذه الاعطال في مرتجعات ضمان اكثر من اي سبب اخر في تجميعات الكابلات التي تفتقر الى تخفيف اجهاد مناسب.
يتطلب اختيار الطريقة الصحيحة مراعاة البيئة الميكانيكية وحجم الانتاج ومتطلبات الصيانة. يغطي هذا الدليل كل طريقة بالبيانات الكافية لتحديد مواصفات تخفيف الاجهاد بثقة.
لماذا يعد تخفيف الاجهاد مهما في تصميم حزم الاسلاك
ينقل تخفيف الاجهاد الحمل الميكانيكي بعيدا عن نقاط التوصيل الكهربائي. عندما يسحب شخص ما كابلا يجب ان تمتص قوة السحب غلاف الكابل واليه التخفيف وليس اسطوانة التجعيد او وصلة اللحام او لوحة الدائرة المطبوعة داخل الموصل.
الفيزياء واضحة: يركز انحناء الكابل الاجهاد عند نقطة اقصى تغير في الانحناء. بدون تخفيف تكون تلك النقطة بالضبط حيث يخرج الكابل من الموصل وهي الحلقة الاضعف في التجميع.
يضيف تخفيف الاجهاد ما بين 0.10 و5.00 دولار لكل تجميع حسب الطريقة المستخدمة. مقارنة بعطل ميداني واحد يصبح العائد على الاستثمار واضحا.
"نرى نفس الخطا في واحد من كل ثلاثة طلبات تسعير: يحدد الرسم الموصل ومقطع الكابل لكنه لا يذكر شيئا عن تخفيف الاجهاد. يفترض المهندس ان المصنع سيتولى الامر. يختار المصنع ارخص رباط. بعد ستة اشهر نتلقى الاتصال بسبب اعطال ميدانية."
Hommer Zhao
مدير الهندسة، WellPCB Wire Harness Production
اربع طرق رئيسية لتخفيف الاجهاد
تقدم كل طريقة موازنات مختلفة بين مستوى الحماية والتكلفة والعزل البيئي وامكانية الصيانة.
تخفيف بالقولبة الزائدة
حقن لدائن حرارية او مطاط صناعي مباشرة على وصلة الكابل بالموصل.
اعلى مقاومة للسحب (50-200+ رطل حسب التصميم).
عزل ضد الرطوبة والغبار (يمكن تحقيق IP67/IP68).
تكلفة القوالب: 2,000-8,000 دولار لكل تجويف.
غير قابل للاصلاح ميدانيا (الاستبدال يتطلب قطع الكابل).
المشابك واغلفة الموصلات
مشابك معدنية او بلاستيكية تثبت غلاف الكابل ميكانيكيا.
بدون تكلفة قوالب؛ مكونات قياسية متوفرة.
قابل للاصلاح ميدانيا (ازالة المشبك تسمح باستبدال الموصل).
نطاق واسع من الاحجام للكابلات من 3 مم الى 50 مم واكثر.
عزل محدود بدون حشوات اضافية.
الحلقات المطاطية والاكمام
اكمام من المطاط او البلاستيك بتجويف داخلي مخروطي.
اقل تكلفة للوحدة (0.05-0.50 دولار).
تركيب بالضغط بدون ادوات.
مقاومة سحب منخفضة (3-15 رطل عادة).
تدهور المطاط عند التعرض للاشعة فوق البنفسجية والاوزون.
الاغطية المرنة والانكماش الحراري
اغطية مطاطية مسبقة التشكيل او انابيب انكماش حراري مزدوجة الجدار.
انتقال تدريجي جيد في الصلابة (تصاميم مجزاة).
تكلفة متوسطة (0.50-5.00 دولار للوحدة).
نسخ الانكماش الحراري تعزل ضد الرطوبة (IP65-IP67).
قوة سحب محدودة بالاحتكاك بين الغلاف والغطاء (10-40 رطل).
مواد تخفيف الاجهاد: الخصائص والموازنات
يحدد اختيار المادة نطاق الحرارة والمقاومة الكيميائية وعمر التعب والتكلفة. المادة غير المناسبة تفشل حتى مع تصميم ميكانيكي صحيح.
| المادة | نطاق الحرارة | صلابة شور | المقاومة الكيميائية | الاستخدام الامثل | التكلفة |
|---|---|---|---|---|---|
| PVC | -20 الى +80 درجة | 60A-90A | متوسطة | الاستهلاكي، الصناعي العام | $ |
| TPE | -40 الى +120 درجة | 35A-95A | جيدة | السيارات، الصناعي | $$ |
| TPU | -40 الى +100 درجة | 70A-95A | ممتازة (الزيوت) | السيارات، الروبوتات | $$ |
| سيليكون | -60 الى +200 درجة | 20A-80A | جيدة (اوتوكلاف) | الطبي، الفضاء | $$$ |
| نايلون PA6/PA66 | -40 الى +120 درجة | صلب (75D+) | جيدة | المشابك، الاغلفة | $ |
| فولاذ مقاوم للصدا | -200 الى +800 درجة | صلب (معدن) | ممتازة | الفضاء، العسكري | $$$$ |
"رباط مشدود خلف الموصل ليس تخفيف اجهاد. انه يركز القوة على خط بعرض 2 مليمتر عبر الغلاف. بعد بضع مئات من دورات الانحناء يقطع حافة الرباط الغلاف ويبدا بتاكل الموصلات."
Hommer Zhao
مدير الهندسة، WellPCB Wire Harness Production
معايير التصميم الحرجة
الحد الادنى لنصف قطر الانحناء: 5 اضعاف القطر الخارجي للكابل للتركيبات الثابتة، و10 اضعاف للتطبيقات الديناميكية ذات الحركة المستمرة.
نسبة انتقال الصلابة: يقلل التخفيف المثالي الصلابة تدريجيا على مسافة 3-5 اضعاف قطر الكابل. تغيير اقصى بنسبة 3:1 في اي نقطة يمنع تركز الاجهاد.
قوة السحب: يحدد معيار IPC-620 الحدود الدنيا حسب المقطع (0.9 كجم لمقاس AWG 28، و9.1 كجم لمقاس AWG 14). عادة ما تطلب شركات السيارات 1.5-2 ضعف الحدود الدنيا لمعيار IPC.
الاختيار حسب القطاع الصناعي
السيارات: قولبة زائدة بـ TPE للتوصيلات المعزولة، مشابك نايلون بحشوات مطاطية لمسارات التوجيه، اغلفة لموصلات الجهد العالي في السيارات الكهربائية.
الاجهزة الطبية: قولبة زائدة بالسيليكون لكابلات الاتصال بالمريض، TPE طبي لكابلات الاجهزة، اغطية معزولة للتجميعات ذات الاستخدام الواحد.
الاتمتة الصناعية والروبوتات: اغطية مجزاة من TPU لمفاصل الروبوت (اكثر من 10 مليون دورة انحناء)، مشابك فولاذ مقاوم للصدا لمداخل اللوحات في بيئات الغسيل.
الفضاء والعسكري: اغلفة معدنية مع حماية EMI لحزم الاسلاك المدرعة، اغطية سيليكون مجزاة للمسارات غير المدرعة.
متطلبات تخفيف الاجهاد وفقا لمعيار IPC-620
معيار IPC/WHMA-A-620 هو المعيار الرئيسي لجودة تجميعات الكابلات وحزم الاسلاك. يحدد ثلاث فئات منتج بمتطلبات متزايدة لتخفيف الاجهاد.
| المتطلب | الفئة 1 (عام) | الفئة 2 (خدمة) | الفئة 3 (موثوقية عالية) |
|---|---|---|---|
| التخفيف مطلوب | حيث يحدد | جميع نقاط التوصيل | جميع النقاط + التوجيه |
| التحكم بنصف قطر الانحناء | فحص بصري | حسب الرسم | مقاس وموثق |
| اختبار السحب | غير مطلوب | القطعة الاولى | القطعة الاولى + دوري |
| الفحص | عينات | عينات حسب AQL | فحص 100% |
| تخفيف احتياطي | غير مطلوب | غير مطلوب | مطلوب للدوائر الحرجة |
خمسة اخطاء في تخفيف الاجهاد تسبب اعطالا ميدانية
1. استخدام الاربطة كتخفيف اساسي: تخلق نقطة ضغط حاد تحتك بالغلاف.
2. تجاهل انتقال الصلابة: الانكماش الحراري القياسي يخلق قسما صلبا ينقل نقطة الفشل.
3. مواد غير متوافقة: PVC فوق TPU ينتج وصلة ضعيفة تنفصل مع الدورات الحرارية.
4. تحديد قوة السحب بدون طريقة اختبار: 50 رطل محوري تختلف عن 50 رطل بزاوية 45 درجة.
5. عدم تضمين التخفيف في الرسم: بدون مواصفات يختار المصنع الخيار الارخص.