電動汽車某連接器彈片式接觸端子的優化設計

歐陽波儀

(湖南汽車工程職業學院，湖南株洲 412001)

電動汽車某連接器彈片式接觸端子的優化設計

歐陽波儀

(湖南汽車工程職業學院，湖南株洲 412001)

以彈片式接觸端子裝配時的插入力、拔出力和應力為質量特性，以端子使用后不會產生永久變形為目標，利用響應曲面法與有限元分析法完成優化設計，利用統計軟件 Minitab以線性回歸方法建構模型，驗證了采用響應曲面法建立的回歸模型具有良好的預測性。

彈片式接觸端子；優化設計；有限元分析

0 引言

電子連接器是電動汽車上非常關鍵的器件之一，其公端圓柱端子和母端彈片端子裝配(如圖1所示)，在接觸界面上產生正向接觸力，從而達到傳輸電流或信號的目的。正向接觸力是由母端彈片端子提供，為提高傳輸性能，希望正向接觸力越大。然而，正向接觸力增大會使得插拔力增大，而使得操作難度增加、連接器壽命降低。因此，連接器端子設計要滿足低插拔力、足夠正向接觸力的要求。行業內常以“經驗+試驗”確定彈片式接觸端子的力臂、寬度等幾何參數，雖然能滿足要求，但需要經過反復試驗修正，設計效率不高。

圖1 電子連接器工作原理示意圖

對此，作者以圖1中彈片式接觸端子為研究對象，利用實驗設計法(Design of Experiments，DOE)和有限元分析設計法，對母端彈片端子幾何參數進行優化設計，使其滿足低插拔力、足夠正向接觸力的要求。

1 相關理論分析

1.1 正向接觸力與插入力分析

將彈片式接觸端子的公端視為剛體，插入過程中的每個瞬間，插入力與接觸力呈靜力平衡，可以用庫侖摩擦定律計算[1]。如圖2所示，由于摩擦力的關系，接觸力的方向為正向角ψ加上偏移摩擦角α，在接觸點上有兩個力，一個是正向力Fn以及與其垂直的切線方向力Ft，而兩個力之間的關系為Ft=μFn(μ為摩擦因數)，兩個力的合力F在y方向的分力可以用式(1)表示：

Fy=Fnsinψ+Ftcosψ=Fnsinψ+μFncosψ

(1)

Fy為接觸點上所需要的插入力，在x方向力F的分力可以用式(2)表示：

Fx=Fncosψ-Ftsinψ=Fn(cosψ-μsinψ)

(2)

插入過程中，開始作用點是公端圓柱端子的前端導圓角，接觸到母端彈片端子，就會有力產生，當接觸角變成0°，作用力趨于平緩不再有變化。

圖2 插入力分析

1.2 響應曲面法的應用分析

響應曲面法是廣泛運用于工程問題的一種優化統計方法，能夠有效地利用實驗設計規劃所獲得的實驗數據，以回歸方法表示質量因子的參數，再以技術優化達到質量優化的結果[2]。響應曲面法不但可回歸實驗結果，更能夠判別實驗中各因子的效果，甚至是復雜的因子間交叉效應，通過統計的檢定、殘差的分析，還可檢驗實驗的精準度與可信度。

2 有限元分析實驗設計

采用性價比較高的磷青銅(C521)為接觸端子的材料[3]，其彈性模量為110 kN/mm2、泊松比為0.34、屈服強度為593 N/mm2。此連接器間距為10 mm×10 mm，受空間限制，采用厚度為1 mm的板材。

2.1 模型設計

如圖3所示，利用Pro/E建立連接器彈片式接觸端子的3D模型，轉為STEP格式提供給ABAQUS軟件進行有限元分析，采用ABAQUS/Standard 的二次四面體元素(C3D10M)網格。以連接器彈片式接觸端子的幾何參數為分析要素，以實驗設計方法規劃有限元分析方案，利用反應曲面方法將模擬方案的分析結果構建反應曲面模型，以探討公端圓柱端子的插入力與拔出力，進而完成優化設計。

圖3 幾何設計參數

2.2 邊界與網格設定

如圖4所示，母端兩側與塑料端子座采取限位處理，沒有任何軸向的自由度運動；公端圓柱端子會沿著負Y軸方向作插入動作和拔出動作，因此設定公端圓柱端子的位移為1 mm，其余均為0。將母端有限元模型的網格數量設置為介于0.5×104～9.5×104之間，并以每1萬個元素網格為增量，觀察網格數量和插入力及拔出力計值結果的關系，選擇適當的元素網格數量進行分析。由于當網格數量7萬以上時，有限元分析的插入力與拔出力可收斂至一穩定值，故文中后續仿真分析的有限元模型皆采用7萬個網格元素來建立。

圖4 CAE模型及邊界條件

2.3 實驗設計

為確定母端端子滿足預設插入力及拔出力的質量特性要求，如圖3所示，選擇彈片力臂長L、彈片根部高度H、彈片力臂切口寬度W以及彈片式接觸端子接觸區間隙D為質量因子，其他的幾何相關參數均為固定數值不變動。

采用響應曲面實驗設計進行仿真實驗，每個質量因子的實驗設計皆采用三水平，分別以編碼變量-1、0、1代表。每個質量因子的自然變量水平與編碼變量水平的關系如表1所示。依照響應曲面四因子三水平設計，設計表2所示的25組實驗。

表1可控制因子及水平表

mm

表2 Box-Behnken 的四因子實驗設計

3 試驗結果分析

3.1 結構安全分析

為了驗證所設定的邊界條件是否合理，以現有端子實測數據與有限元分析數據進行對比測試，如表3所示，發現兩者數據趨近，表明有限元分析值是可參考的。

表3 現有端子實測值與現有端子有限元分析數值 N

依據響應曲面實驗設計規劃表2中實驗點，由ABAQUS有限元軟件分析，得到圖5所示的應力分布圖。將每一實驗點的最大插入力、最大拔出力以及母端子的最大應力值進行優化處理，得到表4所示的模擬點與結果。對表中28組重復角點實驗點的等效應力進行分析，都沒有超出材料屈服強度，即公端圓柱端子插入與拔出的過程中不會產生永久變形，可視為安全設計。

圖5 應力分布圖

序號彈片力臂長L/mm彈片根部高度H/mm切口寬度W/mm接觸區間隙D/mm插入力/N拔出力/N應力/(N·mm-2)11.550.300.3250.130.1400.053485.421.550.400.3250.130.1890.072533.931.350.300.3250.130.2050.077586.041.350.400.3250.130.2870.108586.051.550.350.3000.130.1580.060470.261.550.350.3500.130.1720.065559.371.350.350.3000.130.2340.088586.081.350.350.3500.130.2550.096586.091.550.350.3250.180.1000.044384.0101.550.350.3250.080.2400.081586.0111.350.350.3250.180.1490.065537.2121.350.350.3250.080.3510.115586.0131.450.300.3000.130.1610.061528.8141.450.300.3500.130.1770.067581.2151.450.400.3000.130.2160.082586.0161.450.400.3500.130.2370.090586.0171.450.300.3250.180.1000.044356.8181.450.300.3250.080.2420.081586.0191.450.400.3250.180.1380.061433.0201.450.400.3250.080.3310.110586.0211.450.350.3000.180.1140.050374.4221.450.350.3000.080.2720.091586.1231.450.350.3500.180.1240.054400.4241.450.350.3500.080.2980.099586.1251.450.350.3250.130.1950.074545.5261.450.350.3250.130.1950.074545.5271.450.350.3250.130.1950.074545.5281.450.350.3250.130.1950.074545.5

3.2 模型回歸與實驗

采用 Minitab 統計軟件進行實驗樣本回歸分析，實驗數據見表4，回歸模型采用二階多項式標準模型：

(3)

其中：y代表因變量；x代表自變量；β代表模型系數；ε代表模型殘差，可利用實驗數據以回歸方法決定。回歸采用的因子水平系以自然變量值表示。

回歸模型的顯著性可以用其F統計量判定，數值越大，代表模型越顯著。回歸模型的變異解釋能力可以用其判定系數R2判定，越接近1代表對變異的解釋能力越強:然而，復雜度高的模型會有高估變異能力的傾向，因此修正為利用調整判定系數R2判定。

回歸自由度為14、殘差自由度為13，在信心水平為95%的條件下，分析得到插入力、拔出力和應力預測值的殘差常態概率分別如圖6所示，可以看出沒有明顯偏離，證實該方法的可行性。

圖6 插入力、拔出力和應力預測值的殘差常態概率圖

3.3 優化設計與驗證

端子材料磷青銅的屈服強度為593 N/mm2，并且根據需求，設計插入力及最小拔出力分別為0.263 N及0.079 N。采用統計軟件Minitab求解，所得到的優化參數(即質量因子)如表5所示。

表5 優化設計參數(即質量因子) mm

利用Minitab分析得到如圖7所示的有限元分析等效應力圖，可以看出能夠達到端子使用后不會產生永久變形的目標。

圖7 最佳化幾何組合有限元分析結果

進一步以有限元分析結果為參照，插入力、拔出力及應力等質量特性的統計值誤差都小于±2%，驗證了采用響應曲面法建立模型具有良好的預測性。因此，應用文中方法分析其他類似彈片式接觸端子的結構設計，可為工程設計上的參考。

4 小結

通過響應曲面實驗設計進行仿真實驗，采用 Minitab 統計軟件進行回歸分析，從插入力、拔出力和應力預測值的殘差常態概率可以看出沒有明顯偏離，說明這一方法是可行性的。在此基礎上，設計插入力及最小拔出力分別為0.263 N及0.079 N，采用統計軟件Minitab求解，得出L=1.38 mm、H=0.37 mm、W=0.32 mm、D=0.15 mm，以有限元分析結果為參照，驗證了采用響應曲面法建立模型具有良好的預測性，可為工程設計上的參考。

[1]趙經東.剛性接觸懸掛銅鋁接線端子斷裂分析[J].城市軌道交通研究,2012,15(11):111-113,116.

ZHAO J D.Analysis of Fractures on Copper and Aluminum Connector in Rigid Overhead Catenary System[J].Urban Mass Transit,2012,15(11):111-113,116.

[2]徐衛國.基于響應曲面法的波形彈簧片沖壓工藝參數優化[J].鍛壓技術,2017(3):175-179.

XU W G.Optimization on Stamping Parameters of Wave Spring Sheet Based on Response Surface Method[J].Forging & Stamping Technology,2017(3):175-179.

[3]歐陽金棟.磷青銅薄板的微塑性成形尺度效應研究[D].南京:南京航空航天大學,2015.

OptimizationDesignofShrapnelContactTerminalforConnectorofElectricVehicle

OUYANG Boyi

(Hunan Automotive Engineering Vocational College，Zhuzhou Hunan 412001，China)

Taking the assembly insertion force, pull out force and stress as quality characteristics, taking the terminal not produce permanent deformation as the goal,the response surface method and the finite element analysis were used to make optimization design of the long arm of the shrapnel contact terminal, the mathematic model was built with linear regression method based on Minitab statistical software.The results verify that the regression model built with response surface method has good prediction performance.

Shrapnel contact terminal; Optimization design; Finite element analysis

2017-06-07

湖南省教育廳科學研究項目(16C0820)

歐陽波儀(1978—)，男，碩士，副教授，從事模具設計制造教學與研究。E-mail：oyby721@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.10.011

U469.72

A

1674-1986(2017)10-047-04