電連接器疊片叉狀結構接觸件的受力研究

【歡迎引用】 曾羽飛， 陳向榮. 電連接器疊片叉狀結構接觸件的受力研究[J]. 汽車文摘，2024（XX）： X-XX.

【Cite this paper】 ZENG Y F， CHEN X R. The Research on the Force Distribution of the Lamination Fork-Shaped Structure Contacts of Electrical Connectors[J]. Automotive Digest （Chinese）， 2024（XX）： X-XX.

【摘要】為了優化疊片叉狀結構接觸件的結構設計，對疊片叉狀結構接觸件插合過程中的受力情況進行了研究，對接觸件的各結構參數與受力情況之間的耦合關系進行了理論分析。利用COMSOL對該接觸件進行了機械場仿真，對接觸件的應力場分布情況、插合過程的插入力變化情況、接觸件之間的接觸壓力等進行了仿真計算。理論分析表明，接觸件之間的接觸壓力及插入力與其材料的彈性模量、截面慣性矩、過盈量成正比，與叉狀簧片的懸臂長度成反比，疊片叉狀結構接觸件的應力集中區位于叉狀簧片根部內側。未來，對以上各構參數進行針對性優化可以提升接觸件之間的接觸性能。

關鍵詞：電連接器；疊片叉狀結構接觸件；接觸特性

中圖分類號：U463.62；U469.72 " 文獻標志碼：A " DOI： 10.19822/j.cnki.1671-6329.20240111

The Research on the Force Distribution of the Lamination Fork-Shaped Structure Contacts of Electrical Connectors

Zeng Yufei1，2， Chen Xiangrong2

（1. Chery New Energy Automobile Co.， Ltd， Wuhu 241000; 2. College of Electrical Engineering， Zhejiang University， Hangzhou 310027）

【Abstract】 In order to optimize the structural design of laminated forked contact， the stress of laminated forked contact is studied， and the coupling relationship between the structural parameters and the stress of the contact is analyzed. The mechanical field simulation analysis is conducted using COMSOL to simulate the stress field distribution， insertion force variation during the insertion process， and contact pressure between the contacts. Theoretical analysis reveals that the contact pressure and insertion force are directly proportional to the elastic modulus， cross-sectional moment of inertia， and material interference. The stress concentration area of the laminated fork-shaped contact component is located at the inner side of the root of the fork spring. In the future， targeted optimization of the above structural parameters can improve the contact performance between contacts.

Key words： Electrical connector， Laminated fork-shaped structure contact， Contact characteristics

0 引言

隨著我國電動汽車行業的發展，電動汽車正逐漸成為中國汽車市場的主流產品。相較于傳統燃油汽車12 V低壓電氣系統，因電動汽車存在驅動電機、電動空調等大功率用電負載，在12 V低壓電氣系統的基礎上增設了一套400 V高壓電氣系統[1-2]，其中高壓電連接器內的接觸件是電動汽車高壓電氣系統之間進行大功率電能傳輸的關鍵部件，分析電連接器接觸件的接觸特性對于電動汽車高壓電氣系統的可靠性分析具有重要意義[3]。

目前，電動汽車常用的高壓電連接器接觸件的結構形式多為圓針圓孔的樣式，插針為圓柱形剛性體，根據載流能力的不同，設計多種直徑規格進行適配使用。插孔根據其結構形式的不同，大致可分為：開槽式、線簧式、冠簧式及環簧式[4-5]。以采用環簧式接觸件的電連接器為例，其結構剖視圖及關鍵組件如圖1所示，主要由電纜密封結構、外殼體、電磁屏蔽結構、絕緣殼體、環簧接觸件、功率接觸件、殼體密封結構、電纜屏蔽層壓接套及屏蔽電纜組成。該類接觸件的結構復雜，生產工藝繁瑣，通常需要通過精密機械加工后再進行復雜的裝配操作，造成該類電連接器成本較高。

近年來，一些電連接器廠家開始推廣一種采用疊片叉狀結構的接觸件[6]的電連接器，典型結構如圖2所示，其主要由外殼體、內殼體、疊片叉狀結構接觸件、螺栓安裝孔及屏蔽結構組成。

相較于目前常用的圓針圓孔樣式的接觸件，疊片叉狀結構的接觸件結構更為簡單，僅需一次沖壓工藝即可成型，生產工藝簡單，可拓展性強，成本低，是電動汽車用電連接器接觸件工程設計研究的新方向。

電連接器是依靠接觸件插合后，簧片結構發生彈性形變而產生穩定的接觸壓力來保證接觸的可靠性[7-8]，由電接觸理論可知，適當加大接觸件之間的過盈配合尺寸可增大接觸件之間的接觸壓力，但若接觸壓力過大，易導致接觸件表面材質損壞，加大接觸件之間的接觸電阻，易在電連接器持續載流的過程中造成熱失控，從而造成整車電安全風險。在工程設計中如何對接觸件的各結構參數進行合理定義是電連接器接觸件設計的難點，本文通過建立疊片叉狀結構接觸件的力學模型，結合有限元仿真方法，研究了該類接觸件各結構參數對其接觸特性的影響，以期為疊片叉狀結構接觸件的工程設計提供指導。

1 疊片叉狀結構接觸件的力學模型分析

1.1 結構特征分析

本文對某額定載流量為250 A的電連接器進行分析，電連接器外形如圖3a所示，電連接器內部的接觸件如圖3b所示。

對該型號電連接器接觸件的結構特征進行分析可知，接觸件的公端為一端帶倒角的銅排組成，接觸件的母端由多片叉狀對稱結構的銅排堆疊構成。選取單片叉狀結構接觸件進行結構特征分析，其結構關鍵尺寸如圖4所示，主要包括：單片叉狀簧片的厚度b、叉狀簧片的懸臂長度L、叉狀簧片的縮口尺寸l3、銅排頭端厚度T1和銅排主體厚度T2等，其中銅排主體厚度T2及叉狀簧片的縮口尺寸l3之間的匹配尤為關鍵。

為了研究接觸件各結構參數與接觸件之間的接觸壓力及插入力的耦合關系，結合叉狀結構對稱的特征，可選取單片叉狀簧片的一側，將其簡化為懸臂梁模型進行理論研究。

1.2 模型建立及理論計算

為便于分析疊片叉狀結構接觸件插合后的接觸壓力，取單片叉狀簧片的一側，將其簡化為懸臂梁結構[9-12]進行力學分析，簡易模型如圖5所示，L為懸臂梁的懸臂長度、F為懸臂梁受到的力、δ為懸臂梁受力后的形變量。

據材料力學中關于梁在載荷作用下的變形理論可知，接觸件之間的接觸壓力可表達為：

[F=3EIxδL3=Ebh3δL3] （1）

式中：F為叉狀簧片變形后對銅排形成的接觸壓力，E為叉狀簧片材料的彈性模量，Ix為叉狀簧片懸臂梁截面的慣性矩，δ為叉狀簧片端部的形變量，L為叉狀簧片的懸臂長度，b為叉狀簧片懸臂截面的寬度，h為叉狀簧片懸臂截面的高度。

由式（1）可知，叉狀結構接觸件之間的接觸壓力與叉狀簧片材料的彈性模量、懸臂梁截面的寬度、端部的形變量呈正比例關系，與叉狀簧片懸臂梁截面的高度成立方關系，與叉狀簧片的懸臂長度成負立方關系。

為便于分析疊片叉狀結構接觸件接合過程插入力的變化規律，取單片叉狀簧片與銅排進行組合分析，接觸件插合過程如圖6所示。圖6a表示隨著叉狀簧片向右插合運動，與銅排開始形成接觸；圖6b表示叉狀簧片與銅排開始接觸后繼續向右插合運動，逐步開始擴張，其中s表示向右的插合深度；δ1表示叉狀簧片的擴張量，隨著插合深度變化而變化；圖6c表示叉狀簧片向右插合運動直至擴張到最大，圖中L1表示叉狀簧片擴張到最大的插入深度，δmax表示叉狀簧片端部的最大形變量。

叉狀簧片與銅排之間的受力分析如圖7所示，圖7中Fi表示接觸件插合時的插入力，Ft為接觸件插合過程的摩擦力，Fn為接觸件之間的接觸壓力。

可知接觸件插合過程插入力的表達式為：

[Fi=2Ftcosα+Fnsinα] （2）

聯立式（1）和式（2）可知，單片叉狀簧片與銅排插合過程的插入力的表達式為：

[Fi=Ebh3δ12L3μcosα+sinα " 0lt;s≤L1μEbh3δmax2L3 " " " " " " " " " " " " " " sgt;L1] （3）

式中：μ為接觸件之間的摩擦因數。

由式（3）可知，接觸件之間的接觸壓力F及插合過程的插入力Fi與叉狀簧片的彈性模量E、叉狀簧片懸臂截面的慣性矩Ix、叉狀簧片端部的形變量δ及叉狀簧片懸臂長度L等參數有關。在實際工程應用中，可結合以上理論模型，選取恰當的參數值來保證接觸壓力F及插入力Fi符合設計需求。

2 疊片叉狀結構接觸件有限元計算

由于疊片叉狀結構接觸件的幾何結構較為復雜，且在其機械插拔過程中各組件之間存在接觸、摩擦等復雜的力學相互作用，可先借助三維建模軟件CATIA建立接觸件的幾何模型，再將其導入有限元仿真軟件COMSOL中進行有限元計算。

2.1 有限元模型的建立

2.1.1 生成實體模型

本文選用的電連接器采用的疊片叉狀結構接觸件由多片叉狀簧片堆疊后與銅排配合構成，其中叉狀簧片頭部及尾部設有縮口結構，銅排厚度與叉狀簧片頭部的縮口尺寸形成適當的過盈配合，在二者插合后，通過叉狀簧片的變形壓力使二者緊密結合，從而實現電流傳導的作用。借助三位建模軟件CATIA建立疊片叉狀結構接觸件的幾何模型，幾何模型的尺寸設定根據該規格電連接器所使用的接觸件測量得出，單片叉狀簧片的尺寸設定如圖8a所示，銅排的尺寸設定如圖8b所示，多片叉狀簧片堆疊與銅排裝配后的幾何模型如圖9所示。

2.1.2 定義材料力學性能參數

對疊片叉狀結構接觸件各組件的材料屬性定義如表1所示。

2.1.3 定義接觸對

在疊片叉狀結構接觸件插入過程中，各叉狀簧片和銅排之間存在接觸現象，為準確模擬接觸件插入過程的接觸狀態，需在有限元仿真軟件COMSOL中對接觸對進行設置，設置示意如圖10所示，銅排的倒角面及上下平面設置為源邊界，叉狀簧片內側與銅排接觸的圓弧面設置為目標邊界。

2.1.4 定義邊界條件

將叉狀簧片中間部位設置為“固定約束”，在左右銅排端面處設置“指定位移”，設置銅排位移在0～10 mm范圍的變化，步長為1 mm，以模擬疊片叉狀結構接觸件的機械插入過程。疊片叉狀結構接觸件的邊界條件定義如圖11所示。

2.1.5 網格劃分

對疊片叉狀結構接觸件的整體模型使用“自由四面體網格”進行劃分，為保證有限元仿真計算結果更準確，針對叉狀簧片與銅排接觸區域的網格進行細化構建。網格構建完成后使用“統計信息”命令對網格質量進行檢查，接觸件有限元網格劃分如圖12所示。

2.2 分析求解

在上述步驟設置完成后，使用“計算”命令對疊片叉狀結構接觸件模型進行有限元分析，得到應力分布云圖如圖13所示。通過COMSOL自帶的“派生值”功能分別對叉狀簧片弧形接觸面受到來自銅排的接觸壓力、插入力進行積分運算，依次得到接觸壓力及插入力隨銅排插入行程變化如圖14所示。

2.3 仿真結果分析

由圖13可知，接觸件插合后會迫使叉狀簧片變形，造成叉狀簧片擴張，其最大位移產生于叉狀簧片的端部區域，由叉狀簧片形變產生的接觸件之間的接觸壓力分布于叉狀簧片端部與銅排接觸的圓弧狀“過盈”接觸區域，最大應力分布于叉狀簧片根部內側。由圖14可知，在銅排插入過程中，插入行程為3.2 mm時，銅排與叉狀簧片開始接觸。插入行程為3.2～4.2 mm時，叉狀簧片受銅排的擠壓逐步發生擴張，導致銅排與叉狀簧片之間的接觸壓力不斷增大直至最大值。銅排插入行程為4.2～10.0 mm時，接觸壓力穩定于最大值，說明該段行程中，叉狀簧片已達到最大程度的變形。銅排插入行程為3.2～4.0 mm時，插入力由銅排與叉狀簧片的摩檫力及叉狀簧片擴張而產生的壓力共同組成，隨著叉狀簧片的逐步擴張，由其產生的壓力也逐步增大，最終在插入行程4.0 mm時達到最大值。銅排插入行程為4.0～10.0 mm時，插入力僅由銅排與叉狀簧片之間的摩檫力構成，由于叉狀簧片已處于最大程度的變形，接觸壓力保持恒定，故銅排與叉狀簧片之間的插入力也保持穩定。

由1.2節可知，疊片叉狀結構接觸件在機械插入過程中，銅排與叉狀簧片之間的接觸壓力、插入力均與叉狀簧片的形變量及叉狀簧片的寬度呈正比例關系，插入過程中叉狀簧片的形變量隨著銅排插入行程逐步增大直至飽和不變，與圖14中銅排與叉狀簧片之間的接觸壓力、插入力隨銅排位移的變化趨勢一致。為研究叉狀簧片不同形變量及寬度對接觸壓力和插拔力的影響，分別改變接觸件之間的過盈尺寸及叉狀簧片的厚度再次進行仿真計算，結果如表2、表3所示。

由表2可知，當接觸件之間的過盈尺寸由0.05 mm增加到0.25 mm時，銅排與叉狀簧片之間的接觸壓力由117.56 N增大至588.27 N，插入力由5.93 N增大到55.83 N。由表3可知，當叉狀簧片厚度由1.0 mm增加到2.0 mm時，銅排與叉狀簧片之間的接觸壓力由117.56 N增大至215.04 N，插入力由5.93 N增大到11.20 N。分析數據可知，接觸壓力和插拔力隨接觸件之間的過盈尺寸增大而成線性關系增大，與1.2節中理論變化趨勢一致。

3 結束語

本文以疊片叉狀結構接觸件為研究對象，將其等效為懸臂梁結構進行了理論分析，建立了接觸件插合過程中受力情況的力學模型，隨后結合COMSOL軟件建立了疊片叉狀結構接觸件的機械場有限元仿真模型，仿真數據驗證了力學模型的正確性，研究結論如下：（1）接觸件之間的接觸壓力及插入力與叉狀簧片的彈性模量、叉狀簧片懸臂截面的慣性矩、叉狀簧片端部的形變量成正比，與叉狀簧片懸臂長度成反比，實際工程應用中，可對以上各結構參數進行針對性的設計，以優化接觸件之間的接觸性能。（2）針對接觸件之間的應力場仿真可知，疊片叉狀結構接觸件的應力集中區位于叉狀簧片根部內側，可改變該區域的幾何形狀來減弱應力集中對產品帶來的危害。（3）由于電動汽車電連接器的工作環境較為復雜，不同環境溫度及振動環境對疊片叉狀結構接觸件接觸特性的影響有待進一步研究。

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（責任編輯 明慧）