某型車用線控換擋執行器連接器接觸性能研究

袁建波 羅水根 陳志勇 黃銳景 李用

摘 ?要：線控換擋執行器是實現汽車正確換擋的重要部件，可匹配車輛智能駕駛及自動泊車等功能。本文以設計開發階段的某型線控換擋執行器為研究對象，詳細分析執行器在恒定濕熱試驗過程中出現的故障問題，確定了執行器連接器接觸失效是導致執行器故障產生的真實原因。同時結合失效端子樣件微觀分析及端子恒定濕熱試驗對比驗證，明確了試驗過程中的連續多次插拔連接器導致電連接器接觸部件表面磨損氧化是造成電路故障的主要原因。

關鍵詞：線控換擋執行器;連接器;接觸失效;插拔;磨損氧化

中圖分類號：U463.62 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1005-2550（2022）01-0048-06

Research on Connector Contact Performance of Shift-by-wire Actuator for A Certain Vehicle

YUAN Jian-bo， LUO Shui-gen， CHEN Zhi-yong， HUANG Rui-jing， LI Yong

（ GAC Component Co.， LTD. Technology center， Guangzhou 511447 ， China ）

Abstract： The shift-by-wire actuator is an important part to realize correct shift of automobile， which now can match with intelligent driving and automatic parking of vehicles. In this paper， a certain shift-by-wire actuator was taken as the research object at the design and development stage. Then， the failure problem of the actuator in the constant humidity and heat experiment was analyzed in detail， and it was confirmed that the true reason of the actuator failure was the actuator connector contact failure. At the same time， according to the microanalysis of the failure terminal sample and the comparison validation of constant humidity and heat experiment about terminals， it was confirmed that the main reason of circuit failure was the wear and oxidation of the connector contact parts by continuous several times insertions and extractions during the experiment.

Key Words： Shift-by-wire Actuator;Connector;Contact Failure;Insertion and Extraction;Wear and Oxidation

1 ? ?引言

1.1 ? 概述

線控換擋執行器是線控換擋操縱系統（換擋器、執行器及執行器控制器）的重要組成部分，可匹配車輛智能駕駛及自動泊車等智能化功能，安裝于發動機艙內的變速箱上，通過接收線控換擋器GSM模塊或變速箱TCU模塊發送的擋位信號執行相關做動進而帶動變速箱執行相應的擋位切換，以確保車輛能夠按照駕駛員的駕駛意圖實現車輛駐車、行駛及倒車等相關駕駛操作[1-2]。

線控換擋執行器連接器是實現與換擋器GSM模塊或變速箱TCU模塊通訊的重要組成部分，連接器內部端子又是確保電路導通的關鍵部件，連接器端子接觸狀態的好壞直接影響到控制電路中電流及信號的傳輸狀況。當連接器端子接觸狀態出現故障時將會導致電路失效進而使車輛無法進行正常的換擋操作，更嚴重情況下會危及駕駛員及乘員的人身安全。

按照SAE/USCAR-2 Revision 6[3]連接器溫度等級分類，線控換擋執行器用連接器工作溫度 -40℃～+125℃，考慮到變速箱處于發動機艙內且靠近發動機位置，當車輛長時間連續運轉時，線控換擋執行器用連接器將會經受嚴苛的高溫環境考驗，其使用過程的可靠性與穩定性對車輛穩定運行至關重要。

恒定濕熱耐久試驗是線控換擋執行器DV試驗中一項重要的驗證性試驗，由于該試驗具有嚴苛的試驗條件，連接器能否在該試驗條件下正常運行是執行器能否正常工作的關鍵因素。試驗方法參照IEC 60068-2-78[4]相關條款執行，試驗溫度85±3℃，試驗濕度85±3%（試驗濕度按照廣汽集團相關標準執行），執行器需模擬整車裝配狀態連接模擬負載（替代變速箱進行模擬換擋操作），在通電狀態下連續進行換擋循環操作，按照換擋邏輯P→R→N→D→P換擋周期在通電條件下進行換擋循環操作，持續運行1000h，換擋操作運行期間需對執行器進行持續監控，試驗過程中執行器應無功能失效。

本文以設計開發階段的線控換擋執行器為研究對象，詳細分析了實驗過程中導致執行器電機堵轉的原因，對連接器失效公端子及全新公端子進行微觀對比分析，并分別結合端子及執行器的恒定濕熱試驗驗證，確定了連接器接觸失效的演化機理，為汽車零部件設計開發階段實驗過程中正確使用連接器提供參考。

1.2 ? 試驗臺架

線控換擋執行器及其所用連接器分別如下圖1、圖2所示：執行器底部支架通過螺栓固定于模擬負載，執行器推拉連桿通過球碗與模擬負載變速桿相連;執行器用連接器是利用嵌件注塑將公端子與塑料底殼注塑為一體而形成的。

恒定濕熱試驗臺架搭建如下圖3所示：本試驗臺架主要由高低溫-濕熱試驗箱、上位機、功率電源、整車連接線束、模擬負載、線控換擋器、執行器控制盒、線控換擋執行器搭建而成。

2 ? ?故障描述及原因分析

2.1 ? 故障描述

恒定濕熱耐久試驗進行約35天時間，2號執行器上位機監控顯示電路霍爾傳感器信號丟失，執行器內部電機出現堵轉故障，經試驗現場多次對2號執行器進行上電下電操作，電路霍爾傳感器信號丟失情況一直存在，執行器依舊無法正常工作。上位機故障顯示詳情如下圖4所示：霍爾傳感器A、B兩路獨立檢測通道傳感器數值均為0，同時監控顯示霍爾傳感器A、B兩路傳感器電路故障，執行器在R擋位運行時間超過軟件預設最大值2500ms，因此判定執行器電機處于堵轉故障狀態。

2.2 ? 故障原因排查

在執行器通電狀態下，晃動執行器連接器不同PIN腳所連接的試驗線束并監控上位機運行狀況，當晃動霍爾傳感器GND回路所對應的電線時，上位機監控到霍爾傳感器信號瞬間正常而后又丟失的現象，經初步分析認為信號丟失是由于霍爾傳感器GND回路中公端子與母端子接觸不良引起的。

接觸電阻是評價連接器公端子與母端子接觸性能的重要參數指標[5]，連接器端子接觸電阻按照SAE/USCAR-2 Revision 6[3]第5.3.1條推薦的端子接觸電阻測量方法實施。接觸電阻的測量方式如下圖5所示，采用的設備為直流電阻測試儀：型號同惠TH2516B、選擇自動量程?；魻杺鞲衅鱃ND回路公端子與母端子接觸電阻約為7.727kΩ，測量結果如下圖6;霍爾傳感器電源回路公端子與母端子接觸電阻約為17.801mΩ，測量結果如下圖7。

根據線性霍爾傳感器（MLX90365）應用數據手冊信息計算可得：在保證霍爾傳感器芯片能夠正常工作的前提下，電路中最大電阻可允許達到50Ω?；魻杺鞲衅鱃ND回路公端子與母端子接觸電阻測量結果約為7.727kΩ，遠大于霍爾傳感器芯片正常工作可允許的電路電阻值，因此可判定霍爾傳感器GND回路公端子與母端子接觸性能失效導致執行器霍爾傳感器信號丟失。

霍爾傳感器GND回路公端子、母端子實物外觀如下圖8所示，公端子與母端子非接觸區域保持較好的鍍錫狀態，公端子與母端子接觸區域表面覆蓋了大量的黑色物質，該黑色物質是導致霍爾傳感器GND回路接觸電阻變大的主要原因。

3 ? ?接觸失效微觀分析

按照SAE/USCAR-2 Revision 6[3]第5.3.1.3條所述公端子與母端子配合深度要求，結合線控換擋執行器連接器公端子與母端子配合深度，現按照下圖9所示的相關區域，分別對失效公端子樣件和全新公端子樣件（未做過任何試驗）真實接觸區域表面進行掃描電鏡（SEM）及能譜（EDS）分析，從微觀層面解析失效公端子樣件表面黑色物質的組成成分，從而更好地探究導致連接器接觸性能失效的演化機理。

失效公端子樣件真實接觸區域掃描電鏡（SEM）及能譜（EDS）分析結果如下圖10所示：

全新公端子樣件真實接觸區域掃描電鏡（SEM）及能譜（EDS）分析結果如下圖11所示：

對比圖10和圖11中掃描電鏡（SEM）分析結果可知：與全新公端子真實接觸區域表面形貌相比，失效公端子真實接觸區域表面磨損腐蝕嚴重、腐蝕物呈顆粒狀碎屑，結合本文第2章節接觸電阻分析可知，失效公端子真實接觸區域表面磨損腐蝕物是導致霍爾傳感器GND電路失效的根本原因。

對比圖10和圖11中能譜分析（EDS）結果可知：與全新公端子真實接觸區域表面元素組成為單一Sn元素相比，失效公端子真實接觸區域表面元素除Sn元素外又增加了C、O、Si、Ni、Cu五種元素成分。失效公端子真實接觸區域表面元素組成比重如下表1所示，通過對不同元素組成比重分析可知各組成元素來源如下：C元素主要是由執行器內部所用潤滑脂及模擬負載所用潤滑脂蒸發后吸附于失效公端子表面的物質;O元素來自于吸附于失效公端子表面的潤滑脂及失效公端子表面形成的各種氧化物;Si元素只有單一來源，來自于吸附于失效公端子表面的模擬負載所用的潤滑脂;Ni、Cu、Sn三種元素分別有兩種來源，一種來自是鎳鍍層、基材銅及錫鍍層，另一種是來自與空氣中氧氣所形成的氧化物。

通過以上對不同元素來源的分析，結合下表1所示的各元素比重可知：失效公端子表面黑色物質是由是錫的氧化物、鎳的氧化物及銅的氧化物混合而成，并吸附有一定量的潤滑油脂。從Ni元素、Cu元素的存在可知，失效公端子表面的錫鍍層、鎳鍍層遭到破壞，基材銅已經裸露出來，在高溫潮濕的試驗環境作用下，錫、鎳、銅三種金屬之間相互形成電化學腐蝕模式，從而使失效公端子真實接觸區域表面的氧化物膜層不斷增多，使公母端子之間接觸電阻不斷增大，最終導致電路的失效。

4 ? ?接觸失效機理分析與試驗驗證

4.1 ? ?接觸失效機理分析

經向相關試驗操作人員確認：2號執行器在試驗過程中由于模擬負載的問題共與試驗線束進行過不少于6次的插拔操作。由于公端子與母端子在裝配時存在一定的正向壓力，且連接器插入與拔出力均大于35N，連接器在試驗過程中的每一次插拔操作都會導致公端子、母端子接觸區域表面產生一定程度的摩擦磨損，特別是當連接器插入與拔出過程不能沿著端子中心線方向進行時，將會導致連接器內部極個別的端子產生更加嚴重的摩擦磨損。由于端子表面粗糙不平并非絕對平面[6]，磨損下來的碎屑會堆積在端子表面的低凹處，當多次插拔操作后，磨損碎屑會加速端子表面的摩擦磨損，進而損壞端子表面的鍍錫層及鍍鎳層甚至會使銅基材裸露出來，且在高溫高濕的試驗環境下，鍍層金屬與基材銅之間形成電化學腐蝕，進一步加速端子表面氧化物的生成。當磨損碎屑及氧化物膜層積累到一定厚度后，將會導致電路接觸失效進而使電路失效。

4.2 ? 試驗驗證分析

4.2.1 端子恒定濕熱試驗

經查閱標準SAE/USCAR-2 Revision 6[3]，該標準僅規定了連接器在試驗前的插拔特性，未對連接器在試驗過程中的插拔特性做相關規定。為驗證本文4.1節所述接觸失效機理分析的可靠性，現分別對連接器所用公、母端子分別在不插拔狀態、試驗前插拔5次（根據執行器生產組裝時連接器插拔次數預估）及試驗過程中連續插拔10次（按照前述執行器試驗期間發生故障時連接器插拔次數預估）三種工作狀態下進行端子恒定濕熱試驗，通過對其試驗后接觸電阻的測量及表面形貌的觀察來確定其使用性能，試驗周期2020.12.31至2021.2.8共41天，試驗分組詳情如下表2所示。

試驗結束后公端子表面外觀如下圖12所示。從編號A1、A2、A3三組公端子樣件真實接觸區域外觀狀態可知：公端子真實接觸區域表面鍍錫質量良好，沒有發生氧化現象。從編號B1、B2、B3三組公端子樣件真實接觸區域外觀狀態可知：公端子真實接觸區域表面出現輕微的摩擦磨損痕跡且存在少量的黑色氧化物。從編號C1、C2、C3三組公端子樣件真實接觸區域外觀狀態可知：公端子真實接觸區域表面出現明顯的摩擦磨損痕跡且接觸區域已基本完全被黑色氧化物所覆蓋。

分別測量試驗后公、母端子的接觸電阻，直流電阻測試儀參數設置如下：量程2Ω、電流100mA、分辨率100μΩ、開路電壓≤40mV，每個樣件接觸電阻分別測量三次并取其平均值，試驗結束后各組樣件接觸電阻測量結果如下表3所示：

結合本章節試驗后公、母端子表面外觀及接觸電阻測試結果分析可知：C1、C2、C3三組樣件接觸電阻雖未達到能使電路失效的電阻阻值，但通過A、B、C三組樣件的加速老化試驗對比結果，明確了試驗過程中的多次插拔會加速公端子表面的摩擦磨損及氧化腐蝕，在連接器的極端插拔使用條件下會加速公端子表面氧化物的生成進而導致電路失效。

4.2.2 執行器恒定濕熱試驗

為進一步驗證本文4.2.1章節結論的正確性，又采用三個全新執行器樣件在通電狀態下進行恒定濕熱試驗驗證，執行器試驗過程中連接器無插拔，在試驗驗證周期內執行器通電運行正常且無問題發生，該試驗也同步驗證了試驗過程中的連接器插拔是導致連接器端子表面氧化的主要原因。

5 ? ?研究結論

（1）導致執行器電機堵轉的主要原因是由于霍爾傳感器GND電路中接觸部件接觸電阻超出許用范圍。

（2）試驗過程中的連續多次插拔連接器進而導致電連接器接觸部件表面磨損氧化，最終演化為接觸電阻超出許用范圍是造成電路故障的主要原因。

（3）相關環境類試驗過程中盡量不要進行連接器的插拔操作，可降低連接器在使用過程中的故障率。

參考文獻：

[1]陳家瑞.汽車構造：上冊[M].北京：人民交通出版社，1993.

[2]康展權.汽車工程手冊設計篇[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]SAE/USCAR-2 Revision 6，Performance Specification for Automotive Electrical Connector Systems[S].

[4]IEC 60068-2-78，Environmental Testing-Part 2-78：Tests-Test Cab：Damp heat， steady state[S].

[5]余俊. 插拔對電連接器接觸性能退化規律影響的研究[D].杭州：浙江理工大學，2016.

[6]劉新龍.電接觸條件下的微動磨損性能影響因素研究[D]. 成都：西南交通大學，2018.

專家推薦語

郭軍朝

東風汽車集團有限公司技術中心

汽車電子 ?高級工程師

本論文以線控執行器的連接器接觸失效問題為研究對象，從主觀角度觀察公端子表面的狀態，到微觀角度分析端子表面結構與氧化物的成分及比例，再到開展三組的樣件試驗，充分論證了連續多次插拔導致電連接器接觸部件表面磨損氧化是造成電路故障的主要原因。