汽車連接器簧片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)振動(dòng)特性影響分析

【摘" 要】振動(dòng)可靠性是對(duì)汽車連接器的一項(xiàng)基本要求，在連接器設(shè)計(jì)研發(fā)階段，可通過合理的端子設(shè)計(jì)來提高連接器的耐振動(dòng)性能。根據(jù)常用連接器的結(jié)構(gòu)特征，選定連接器簧片結(jié)構(gòu)參數(shù)作為設(shè)計(jì)因素?；谶B接器端子的受力狀態(tài)和動(dòng)力學(xué)理論，分析連接器簧片的振動(dòng)響應(yīng)特征，以及結(jié)構(gòu)參數(shù)與耐振動(dòng)性能間的相關(guān)性，并采用有限元方法進(jìn)行計(jì)算分析，從簧片根部應(yīng)力變化率和觸點(diǎn)處接觸力變動(dòng)率兩方面對(duì)分析結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果均表明，當(dāng)外部激勵(lì)頻率在簧片共振頻率以下時(shí)，增加簧片寬度、縮短簧片厚度、增長(zhǎng)簧片長(zhǎng)度均有益于提高連接器耐振動(dòng)性能。

【關(guān)鍵詞】汽車連接器；耐振動(dòng)性；插座簧片；設(shè)計(jì)參數(shù)

中圖分類號(hào)：U463.62" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）04-0056-05

Analysis of the Influence of Structural Parameters of Automotive Connector Reed on Vibration Characteristics

WANG Yanpeng，WANG Wujun，CHEN Guoqiang，ZHAO Pingtang，LI Houkun，WANG Xin

（Tianhai Auto Electronics Group Co.，Ltd.，Hebi 458030，China）

【Abstract】Vibration reliability is a basic requirement for automotive electrical connectors. And the vibration durability can be improved by selecting the proper parameters of the terminals in the design stage. According to the structure of the electrical connectors which commonly used in practical，the effect of design parameters of the reed of the socket were mainly considered in the present paper. Based on the condition of the constraints and theories on the dynamics，the dynamic response of the reed of socket were analyzed，as well as the correlations between the design parameters and the vibration durability. And calculations were also conducted by the method of FEM，the variation of stress and contact force under different design parameters were calculated，the calculation results agree well with the analysis conclusions. The results show that，increasing the width of the reed of socket，decreasing the thickness of the reed of socket，and increasing the length of the reed of socket are all benefit to improve the performance of vibration durability，when in the frequency range under the resonance frequency.

【Key words】 automobile electrical connectors；vibration durability；reed of the socket；design parameters

1" 引言

連接器是電子電氣系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)電信號(hào)傳輸?shù)闹匾骷瑥V泛應(yīng)用于車輛、航空、通信等領(lǐng)域，連接器電信號(hào)傳輸?shù)目煽啃詫?duì)儀器設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行意義重大[1-2]。連接器電信號(hào)的傳輸是通過連接器端子實(shí)現(xiàn)的，因此，連接器端子間接觸電阻是連接器電信號(hào)傳輸可靠性的重要評(píng)定因子，當(dāng)接觸電阻超過規(guī)定值即可判定出現(xiàn)接觸失效[3]。連接器的接觸電阻與端子間的接觸壓力直接相關(guān)[4]。增大接觸壓力可以減小端子間的電阻，連接器端子間通常需要保持穩(wěn)定的接觸壓力值以增大端子的接觸面積，降低端子間的壓降，但在振動(dòng)、沖擊等外部載荷作用下，連接器端子間的接觸力極易發(fā)生改變。因此，振動(dòng)環(huán)境下連接器的接觸可靠性一直是研究熱點(diǎn)[5-8]。

連接器端子接觸失效可分為間歇性失效和永久性失效，間歇性失效不能通過檢測(cè)復(fù)現(xiàn)，失效現(xiàn)象可自行恢復(fù)[9]。間歇性失效的典型形式為瞬斷，由于其危害較大，得到大量學(xué)者的關(guān)注。間歇性失效與連接器端子的振動(dòng)響應(yīng)緊密相關(guān)，沈親沐、李乾等學(xué)者分別對(duì)振動(dòng)應(yīng)力下電連接器間歇性失效機(jī)理開展了研究，認(rèn)為振動(dòng)應(yīng)力是電連接器出現(xiàn)間歇性接觸失效的最主要因素[10-11]。呂克洪等人的研究結(jié)論顯示，振動(dòng)量級(jí)、沖擊強(qiáng)度對(duì)連接器間歇性接觸失效影響顯著，通過分析和試驗(yàn)測(cè)試，認(rèn)為連接器接觸電阻對(duì)振動(dòng)/沖擊應(yīng)力表現(xiàn)敏感，在振動(dòng)作用下易發(fā)生間歇性接觸失效現(xiàn)象，且與外界振動(dòng)環(huán)境具有明顯的跟隨特性[12]。

與振動(dòng)相關(guān)的參量為振幅和頻率，郁大照等人對(duì)航空電連接器的研究表明：振動(dòng)幅值越大，接觸電阻越大，發(fā)生接觸失效的可能性越大。在振動(dòng)頻率影響分析方面，進(jìn)行了定幅掃頻振動(dòng)試驗(yàn)，認(rèn)為在20～1000Hz頻率范圍內(nèi)，低頻振動(dòng)對(duì)接觸電阻的影響較大，高頻振動(dòng)對(duì)接觸電阻的影響不明顯，另外，具有敏感振動(dòng)方向[13]。潘駿等人通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法除了得出隨著振動(dòng)量級(jí)增加，接觸電阻增加的速率變大的結(jié)論之外，還得出了接觸電阻與振動(dòng)時(shí)間的關(guān)系，認(rèn)為連接器接觸電阻隨振動(dòng)時(shí)間的增加而波動(dòng)式上升[14]。駱燕燕等人的研究表明沖擊脈沖持續(xù)時(shí)間相比峰值加速度對(duì)連接器接觸性能的影響更為顯著，當(dāng)沖擊在2ms以內(nèi)時(shí)，會(huì)引起連接器在沖擊初期出現(xiàn)瞬斷失效現(xiàn)象[15]。賀占平等人的研究表明當(dāng)外界振動(dòng)頻率與連接器的某階固有頻率相近時(shí)，連接器簧片產(chǎn)生的共振模態(tài)也會(huì)使連接器觸點(diǎn)脫離，從而產(chǎn)生失效[16]。

振動(dòng)作為外界因素，一般受制于應(yīng)用環(huán)境，較為不可控。為提高連接器在振動(dòng)環(huán)境下的可靠性，一種可行的方法是合理設(shè)計(jì)連接器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，改善其振動(dòng)響應(yīng)。駱燕燕考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)連接器振動(dòng)特性的影響，針對(duì)航空連接器，利用Ansys分析軟件對(duì)接觸件振動(dòng)過程進(jìn)行了仿真分析，認(rèn)為簧片長(zhǎng)度對(duì)接觸壓力的影響最大[17]。

目前階段，外部環(huán)境振動(dòng)特性對(duì)連接器產(chǎn)生的影響得到了廣泛的研究，但是，連接器結(jié)構(gòu)參數(shù)與振動(dòng)響應(yīng)相關(guān)性之間的研究比較匱乏。隨著汽車電動(dòng)化、智能化的發(fā)展，汽車上電子元件越來越多，對(duì)電氣元件的可靠性要求也越來越高。本文以汽車常用低壓連接器為研究對(duì)象，分析在振動(dòng)環(huán)境下，端子結(jié)構(gòu)參數(shù)變化與端子間接觸力的相關(guān)性，探究汽車低壓連接器端子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，為高可靠性連接器設(shè)計(jì)開發(fā)提供參考。

2" 連接器結(jié)構(gòu)組成及振動(dòng)傳遞路徑分析

常見的低壓汽車連接器結(jié)構(gòu)如圖1所示，包含插頭與插座兩部分。插頭部分主要由插頭端子、護(hù)套等組成，插座部分主要由插座端子、護(hù)套等組成。插頭端子和插座端子一般為同種金屬材質(zhì)，插接導(dǎo)通電路，護(hù)套一般為塑料件，起到固定和防護(hù)的作用。連接器為可拆卸件，通常包含一定的自由度，但是，為避免使用過程中發(fā)生較大沖擊與振動(dòng)，通常會(huì)將線束和護(hù)套進(jìn)行固定。因此，連接器在使用過程中的振動(dòng)傳遞路徑可分為以下幾種情況。

1）在鄰近護(hù)套的A、B處對(duì)線束進(jìn)行固定，護(hù)套未能固定，插頭與插座均有一定的自由度。此時(shí)，插頭和插座均可視為質(zhì)點(diǎn)，基體的振動(dòng)同時(shí)傳遞到插頭和插座上，插頭和插座具有相同的加速度，當(dāng)插頭和插座質(zhì)量不同時(shí)，產(chǎn)生的附加作用力不同，將在端子連接處產(chǎn)生一定的接觸力變動(dòng)，接觸力變動(dòng)量與插頭和插座的質(zhì)量差正相關(guān)。護(hù)套相比端子具有更大的質(zhì)量，影響較大，為保持接觸的穩(wěn)定性，應(yīng)減小插頭護(hù)套和插座護(hù)套的質(zhì)量差，以及護(hù)套間的間隙。

2）另一種情況較為常見，即是對(duì)外層護(hù)套進(jìn)行固定，另一端具有一定自由度。此時(shí)，由于插頭端子為平整結(jié)構(gòu)，且端子的厚度較厚，剛度值較大，在外部激勵(lì)作用下的變形量相對(duì)插座端子較小，可將插頭端子視為剛性元件。插座端子提供接觸時(shí)的正壓力，為懸臂梁結(jié)構(gòu)，通常被視作彈性元件。在承受外部激勵(lì)時(shí)，插座端子更易發(fā)生彈性形變，從而改變接觸點(diǎn)處的接觸力大小，影響連接器穩(wěn)定性。因此，應(yīng)主要對(duì)插座端子的振動(dòng)響應(yīng)特性進(jìn)行分析。本文在分析連接器端子結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)振動(dòng)響應(yīng)的影響時(shí)，僅考慮插座端子結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3" 插座端子振動(dòng)相關(guān)性分析

初始狀態(tài)下，連接器端子具有一定的初始正壓力，以保證插座簧片與插頭端子間的接觸狀態(tài)。連接器端子在運(yùn)行過程中受到外部激勵(lì)產(chǎn)生振動(dòng)，當(dāng)連接器具有一個(gè)自由度時(shí)，可認(rèn)為插頭端子在觸點(diǎn)處會(huì)給插座簧片一個(gè)作用力，插座端子在外力的作用下產(chǎn)生振動(dòng)。插座端子可視為單自由度振動(dòng)系統(tǒng)，在外部激振力F（t）的作用下，不考慮簧片的阻尼特性，則簧片滿足如下所示的運(yùn)動(dòng)方程：

假定外部激振力為簡(jiǎn)諧力，表示為：

F（t） = Fsinωt（2）

則方程的解可表示為：

x = Xsinωt（3）

代入運(yùn)動(dòng)方程，可求得幅值X為：

振幅越大，則插座端子根部所受應(yīng)力越大，較大的應(yīng)力易造成插座端子根部發(fā)生屈服現(xiàn)象，從而降低端子接觸點(diǎn)處的正壓力。另一方面，端子根部在長(zhǎng)時(shí)間受到較大應(yīng)力作用時(shí)，會(huì)發(fā)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象，亦會(huì)降低端子接觸點(diǎn)處的正壓力。端子接觸點(diǎn)處的正壓力降低，在振動(dòng)環(huán)境下極易出現(xiàn)瞬斷等失效現(xiàn)象。為滿足連接器的使用要求，提高連接器的可靠性、穩(wěn)定性，要盡量降低簧片的振動(dòng)幅值，即|k-mω2|應(yīng)取大值。

公式（4）中，m為接觸點(diǎn)處的等效質(zhì)量。對(duì)于如圖2所示的插座端子結(jié)構(gòu)，其等效質(zhì)量可表示為：

式中：ρ——材料密度；b——簧片寬度；h——簧片厚度；a——簧片根部到接觸點(diǎn)之間的距離；θ——簧片自由端折角；l——簧片總長(zhǎng)。

插座端子簧片的等效剛度k可表示為：

截面慣性矩I可表示為：

角頻率ω與外部激勵(lì)振動(dòng)頻率f存在如下關(guān)系。將以上代入即可知，為滿足穩(wěn)定性，需滿足的條件為：

從上式可知，簧片各參數(shù)對(duì)保持接觸壓力穩(wěn)定性均有影響，其中簧片寬度越寬，對(duì)保持接觸壓力穩(wěn)定性越有利，其它參數(shù)則與激勵(lì)頻率相關(guān)。令：

將簧片端部折邊常見參數(shù)θ≈40°，l≈1.3a代入，則

簧片厚度與簧片長(zhǎng)度的最優(yōu)取值與u的正負(fù)相關(guān)，當(dāng)ugt;0時(shí)，簧片長(zhǎng)度越小，簧片厚度越大，則對(duì)提高連接器性能越有利。當(dāng)ult;0時(shí)則相反。u的取值與激勵(lì)頻率f緊密相關(guān)，在共振頻率fr處u=0。

常見連接器簧片厚度在0.3～0.6mm之間，接觸點(diǎn)到根部距離在3～6mm之間，代入可知u=0時(shí)，轉(zhuǎn)折頻率fr=2942～23533Hz。一般應(yīng)用環(huán)境中，外部激勵(lì)頻率以中低頻為主，實(shí)際應(yīng)用中需要關(guān)注的頻率一般在轉(zhuǎn)折頻率以下。

總結(jié)以上可知，在對(duì)簧片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，可通過增大簧片厚度、減小簧片接觸點(diǎn)到端部的距離、增大簧片寬度等措施改善簧片根部受力特點(diǎn)，保持受力穩(wěn)定性，從而提高連接器耐振動(dòng)可靠性。

4" 分析驗(yàn)證

為驗(yàn)證以上分析結(jié)論的準(zhǔn)確性，建立連接器端子模型，并采用有限元方法進(jìn)行計(jì)算，分析不同參數(shù)下簧片所受應(yīng)力的變化情況。實(shí)際應(yīng)用中，簧片的厚度一般由料帶厚度決定，其可設(shè)計(jì)性相對(duì)較差，而簧片長(zhǎng)度和寬度的設(shè)計(jì)更具靈活性。因此，本部分主要對(duì)簧片在不同寬度和不同長(zhǎng)度時(shí)，在振動(dòng)激勵(lì)下應(yīng)力的變化情況進(jìn)行分析。

所建模型包括插座端子與插頭端子，與圖1所示插座端子和插頭端子結(jié)構(gòu)一致，采用QSn6.5-01作為端子材質(zhì)（楊氏模量為118GPa，密度為8.8g/cm3）。分析時(shí)設(shè)定插座為固定元件，插頭端為自由端，插頭端子受到外部激勵(lì)，并通過接觸點(diǎn)傳遞給插座端子。不同參數(shù)下，設(shè)定端子觸點(diǎn)處發(fā)生等幅值的位移量。

在分析簧片寬度變化與應(yīng)力相關(guān)性時(shí)，建立了3組端子模型，所建模型中，簧片寬度依次為0.9mm、1.6mm和2mm，簧片厚度為0.3mm，簧片長(zhǎng)度為3.6mm。設(shè)定端子接觸點(diǎn)處振動(dòng)幅值為0.75mm，分析振動(dòng)頻率為100Hz時(shí)簧片的應(yīng)力變動(dòng)情況，分析結(jié)果如表1所示。

在分析簧片長(zhǎng)度變化與應(yīng)力相關(guān)性時(shí)，同樣建立了3組端子模型，所建模型中簧片長(zhǎng)度依次為3mm、4mm和5mm，簧片厚度為0.3mm，簧片寬度為0.9mm。設(shè)定接觸點(diǎn)處振動(dòng)幅值為0.75mm，振動(dòng)頻率為100Hz，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表1、表2中，初始應(yīng)力指插頭端子插入插座端子時(shí)產(chǎn)生的靜應(yīng)力，最大應(yīng)力指在受到周期性載荷激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生的最大應(yīng)力值，應(yīng)力變動(dòng)率指最大應(yīng)力和初始應(yīng)力之差與初始應(yīng)力的比值。應(yīng)力變動(dòng)率越大，表明在振動(dòng)環(huán)境下，簧片的受力情況較為惡劣，發(fā)生塑性變形和應(yīng)力松弛的可能性越大，連接器的可靠性越低。

從表1中可知，當(dāng)保持簧片長(zhǎng)度和簧片厚度不變，簧片寬度依次為0.9mm、1.6mm、2mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力變動(dòng)率依次為23.08%、15.24%和14.88%。隨著簧片寬度增加，簧片應(yīng)力變動(dòng)率逐漸降低。從表2中可知，當(dāng)保持簧片寬度和簧片厚度不變，簧片長(zhǎng)度依次為3mm、4mm、5mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力變動(dòng)率依次為15.83%、23.2%、52.33%，即應(yīng)力變動(dòng)率隨著簧片長(zhǎng)度的增加而逐漸增大，簧片的受力狀態(tài)逐漸趨于惡劣。

從計(jì)算結(jié)果中易知，在振動(dòng)環(huán)境下，簧片寬度及簧片長(zhǎng)度與簧片所受應(yīng)力的相關(guān)性和前述分析結(jié)論相一致。增加簧片寬度和降低簧片長(zhǎng)度均可改善簧片在振動(dòng)環(huán)境下的應(yīng)力狀態(tài)，有利于提高連接器的可靠性。

5" 接觸力分析

插座端子與插頭端子間接觸力是連接器較為重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，連接器的電性能參數(shù)與該物理量具有緊密聯(lián)系，接觸力穩(wěn)定性是連接器耐振動(dòng)最直接的體現(xiàn)。為進(jìn)一步驗(yàn)證插座簧片結(jié)構(gòu)參數(shù)與耐振動(dòng)性能之間的關(guān)系，在振動(dòng)環(huán)境下，對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的接觸力變動(dòng)情況進(jìn)行分析計(jì)算。

計(jì)算分析時(shí)所建模型結(jié)構(gòu)樣式仍與圖1所示相同，端子材質(zhì)等參數(shù)設(shè)置及約束條件等與上述分析相同。分析不同參數(shù)影響時(shí)，均在插頭端子施加振幅為0.75mm、頻率為100Hz的正弦激勵(lì)。分析計(jì)算簧片寬度、長(zhǎng)度、厚度3個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)變化時(shí)接觸力的變化情況。

在分析振動(dòng)環(huán)境下，簧片寬度變化與接觸力之間的相關(guān)性時(shí)，建立了3組對(duì)比模型。所建插座端子模型簧片厚度均為0.3mm，長(zhǎng)度均為3.6mm，寬度分別為0.9mm、1.4mm、2mm。在分析簧片長(zhǎng)度變化與接觸力之間的相關(guān)性時(shí)，同樣建立了3組對(duì)比模型，所建模型簧片厚度均為0.3mm，簧片寬度均為0.9mm，簧片長(zhǎng)度分別為3mm、4mm和5mm。分析簧片厚度變化與接觸力之間的相關(guān)性時(shí)，建立的3組對(duì)比模型中，簧片寬度為1.4mm，簧片長(zhǎng)度為3.6mm，簧片厚度分別為0.3mm、0.4mm和0.6mm。所建模型各結(jié)構(gòu)參數(shù)及計(jì)算分析結(jié)果如表3～表5所示。

在表3～表5中，初始接觸力指插座端子與插頭端子處與初始接觸狀態(tài)時(shí)的接觸力，最小接觸力指在受到幅值為0.75mm、頻率為100Hz的外界激勵(lì)時(shí)，在振動(dòng)周期內(nèi)端子間所保有的接觸力。接觸力變動(dòng)率指初始接觸力和最小接觸力間的差值與初始接觸力的比。接觸力變動(dòng)率越小，端子間的接觸越穩(wěn)定，發(fā)生瞬斷等失效現(xiàn)象的可能性就越小。

表3為簧片寬度不同時(shí)所得計(jì)算結(jié)果，從中可知，當(dāng)簧片寬度分別為0.9mm、1.4mm和2mm時(shí)，計(jì)算得接觸力的變動(dòng)率分別為41.97%、24.69%和13.34%。接觸力間的變動(dòng)率隨著簧片寬度的增加逐漸減小。表4為簧片長(zhǎng)度不同時(shí)所得計(jì)算結(jié)果，從中可知，當(dāng)簧片長(zhǎng)度分別為3mm、4mm和5mm時(shí)，計(jì)算得端子間接觸力的變動(dòng)率分別為28.93%、49.22%和76.44%。隨著簧片長(zhǎng)度的增加，端子間接觸力的變動(dòng)率逐漸增大。表5為簧片厚度不同時(shí)所得計(jì)算結(jié)果，從中可知，當(dāng)簧片厚度分別為0.3mm、0.4mm和0.6mm時(shí)，計(jì)算得端子間接觸力的變動(dòng)率分別為24.69%、3.97%和2.44%。隨著簧片厚度的增加，端子間接觸力變化趨緩，接觸更為穩(wěn)定。

接觸力變動(dòng)率是評(píng)估連接器接觸穩(wěn)定性的直接參數(shù)，從計(jì)算結(jié)果可知，增加簧片寬度、縮短簧片長(zhǎng)度、增加簧片厚度均可降低端子間接觸力變動(dòng)率，維持端子間良好的穩(wěn)定性，對(duì)接觸力與端子簧片參數(shù)相關(guān)性和應(yīng)力分析結(jié)果具有一致性。

6" 結(jié)論

1）根據(jù)連接器的結(jié)構(gòu)特征和受力特點(diǎn)，以插座簧片為主要研究對(duì)象，基于動(dòng)力學(xué)理論，分析了簧片的振動(dòng)響應(yīng)，建立了簧片的等效質(zhì)量模型，通過分析振動(dòng)響應(yīng)與連接器耐振動(dòng)性間的關(guān)系，總結(jié)了不同振動(dòng)頻率下簧片各參數(shù)的設(shè)計(jì)原則。

2）結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，建立了連接器端子模型，并進(jìn)行了仿真分析，在振動(dòng)環(huán)境下對(duì)簧片根部應(yīng)力變動(dòng)量和接觸點(diǎn)處接觸力變動(dòng)量進(jìn)行了計(jì)算分析，驗(yàn)證了理論分析的準(zhǔn)確性，表明在常用環(huán)境中，可通過增加簧片寬度、縮短簧片厚度、增長(zhǎng)簧片長(zhǎng)度的方法來提高連接器耐振動(dòng)性能。

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（編輯" 凌" 波）