汽車高壓連接器屏蔽端子結構設計

徐明

摘? 要：本文采用了仿真模擬與理論計算的方式對屏蔽端子進行了應力分析，重新設計了屏蔽端子的結構，有效的解決了金屬端子的屈服問題，有效改善了屏蔽端子的接觸問題。

關鍵詞：汽車高壓連接器，屏蔽端子，設計結構，改善問題

1.引言

1.1連接器在震動測試過程中，屏蔽出現瞬斷現象。

1.2連接器在公母端對配后（見圖1），插座與插頭的壓鑄件（鋁合金）通過屏蔽環端子連接（見圖2），此連接屬于簡支梁連接，在震動過程中，屏蔽端子出現屈服（見圖3），使得端子不再與插座接觸，造成屏蔽出現瞬斷。

2.金屬材料特性介紹

2.1應力應變曲線

見圖4，金屬材料在拉伸變形過程中，存在以下應力應變曲線。

從圖4中我們可以看出材料的應變可以分為4個階段

2.1.1 彈性階段? ob

σp為比例極限，σe為彈性極限

oa為直線，應力與應變在此階段成正比關系，材料符合胡克定律。直線oa的斜率就是材料的彈性模量（有些也叫楊氏模量），直線部分的最高點所對應的應力值，記作σp，稱為材料的比例極限。曲線超過a點，圖上的ab段不再是直線，說明材料已不符合胡克定律。但在ab段內卸載，變形也隨之消失，說明ab段也發生彈性變形，所以ab段稱為彈性階段。b點所對應的應力值記作σe，稱為彈性極限。彈性極限與比例極限非常接近，工程實際中通常對二者不做嚴格區分，而近似地用比例極限代替彈性極限。

2.1.2屈服階段? bc（失去抵抗變形的能力）

σs為屈服極限，力達到此線階段叫做“屈服”

曲線超過b點后，出現一段鋸齒形曲線，這一階段應力沒有增加，材料好像失去了抵抗變形的能力，把這種應力不增加而應變顯著增加的現象稱作屈服，bc段稱為屈服階段。屈服階段曲線最低點對應的用力σs稱為屈服點（或屈服極限）。在屈服點卸載，將出現不能消失的塑性變形。工作上一般不允許構件發生塑性變形，并把塑性變形作為塑性材料破壞的標志，所以屈服點σs是衡量材料強度的一個重要指標。

2.1.3 強化階段ce（恢復抵抗變形的能力，此階段為均勻塑性變形）

σb為強度極限

經過屈服階段后，曲線從c點又開始逐漸上升，說明要使應變增加，必須增加應力，材料又恢復了抵抗變形的能力，這種現象稱作強化，ce稱為強化階段（加工硬化）。曲線最高點所對應的應力值記作σb，稱為材料的抗拉強度（或強度極限）。σb是衡量材料強度的又一個重要指標。

2.1.4 局部緊縮階段 ef

曲線到達e點前，材料的變形是均勻發生的，曲線到達e點，在材料比較薄弱的某一局部（材料不均勻或有缺陷處），變形顯著增加，有效橫截面急劇減小，出現了縮頸現象，材料很快被拉斷，所以ef段稱為縮頸斷裂階段。

3.應力計算及分析

3.1材料應力可以用普通公式計算，但是普通公式對處于彈性階段的應力計算比較準確，而對于屈服階段及往后的階段不太準確，必須通過微積分進行計算，但如果高等數學沒學好的或者沒有高等數學基礎的人來講有點難度。不過普通計算公式可以為設計者指明改善的方向，在結合計算機輔助設計軟件（CAE）進行分析驗證。圖5為普通計算公式。

4.屏蔽環應力分析

4.1屏蔽環材料屬性

屏蔽環用的材料是普通磷青銅C5191R-H，材料的彈性模量110Gpa，屈服強度為557Mpa，抗拉強度590～685Mpa，泊松比為0.33

3.2應力分析結果

圖6模擬屏蔽環彈片下壓0.50mm，CAE軟件分析得出材料的最大應力為661.3Mpa。已經大于材料的屈服強度557Mpa，因此會出現永久塑性變形。圖7為端子的位移力量曲線，可知端子在0點下壓0.50mm時，可返回至離原點0.34mm，屈服率68%（0.34/0.50）。

5.改善對策

5.1根據應力公式 ，通過加長力臂L及增大材料的屈服強度，使得端子在最大變形時的應力小于材料的屈服強度，這樣可降低端子的屈服，來改善屏蔽瞬斷情況。

增大材料的屈服強度：現將材料由磷青銅C5191R-H改為鈹青銅C17200-TM06，材料的彈性模量110Gpa，屈服強度為1035Mpa，1060Mpa，泊松比為0.33.

增加力臂：端子由簡支梁改為懸臂梁，同時適當再增加力臂，見圖8

5.2改后應力分析

改后結構分別分析下壓0.50mm（正常工作），0.60mm（過壓0.10mm），下壓0.70mm（過壓0.20mm）三種情況，用來評估改善后的結構是否可靠。

圖9為端子下壓0.50mm時的應力云圖，我們可以看到材料的最大應力為612.1Mpa，小于屈服強度1035Mpa，所以在最大變形情況下處于彈性階段，不會屈服，結構可靠。

圖10為下壓0.50mm時的位移力量曲線，圖11為下壓0.60mm是的位移力量曲線，圖12為下壓0，70mm時的力量位移曲線。我們看到在下壓0.5mm時，端子無屈服。下壓0.60mm是，端子無屈服。下壓0.70mm時，端子屈服0.02mm，屈服率（2.8%）。所以我們預知，改后結構OK。

6.總結

我們通過軟件應力分析，有效的解決了金屬端子的屈服問題，有效改善了屏蔽端子的接觸問題。如果在產品設計初期及開模前能很好的去應用，可以大大的減少產品的改模費用，及縮短產品的開發周期。

參考文獻

[1]? 蘇翼林.材料力學.北京：高等教育出版社，1979

[2]? 莊東漢.材料失效分析[M].上海：華東理工大學出版社，2009

[3]? 余玉芳.機電原件技術手冊—設計.制造.使用.維護[M].北京：電子工業出版社，1992