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[問題求助 ] 汽車連接器設計專用帖

P: 2020-02-20 22:04:31

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汽車連接器用于實現汽車電信號的傳輸和控制,線束和線束之間以及線束電設備之間電連接的基礎原件,起連接和斷開電力的作用汽車連接器導體接觸件可靠接觸可靠的電氣絕緣性能可靠的機械連接保證汽車電信號的可靠傳遞和部件的有效控制。

1、汽車連接器的主要失效模式

現場使用及實驗數據表明,汽車連接器的失效模式有電接觸失效、絕緣失效、機械聯結失效及其他失效模式,各失效模式占比見圖1。

圖片1.png


1 連接器失效模式占比圖

 

汽車連接器失效模式特征見表1

1 連接器失效模式特征

失效模式

失效模式特征

電接觸失效

引起電連接器失效的主要因素是接觸電阻變化,表現為接觸電阻不斷變化,異常發熱,出現氧化、燒蝕、斷路等現象,嚴重者損壞絕緣,造成短路著火。

絕緣失效

絕緣異常車輛出現報警,耐壓能力下降,出現絕緣擊穿,短路燒蝕,更甚引起車輛著火。

機械聯結失效

插頭、插座因環境應力、機械應力造成損傷,無法正常插拔、或聯結能力下降、失效。

其他失效

電纜鎖緊結構匹配不合適,外力作用下電纜往復運動,產生導線疲勞斷裂,絕緣破損等失效。


 

2、汽車連接器的故障樹分析

使用故障樹分析法對汽車連接器失效模式進行分析,汽車連接器的故障樹分析見圖2。

3、汽車連接器的失效原因分析及可靠性設計

3.1電接觸失效

3.1.1失效原因分析

1)電接觸壓力不足。

連接器通過插針和插孔接觸導電,插孔為彈性元件,其質量優優劣對電連接的可靠性至關重要,插針插入插孔插孔產生彈性變形,進而對插針產生接觸壓力,接觸壓力的不穩定或減小會影響接觸電阻的不穩定,在一定的振動、沖擊應力作用下,彈性原件發生產生恢復性彈性變形,振動、沖擊應力足夠大,作用時間足夠長,就會造成瞬斷故障。插針插孔長期受作用力和反作用力,插孔彈性元件逐漸產生永久行變形,出現應力疲勞松弛現象,尤其在接觸點及環境溫度的作用下,插孔會出現蠕變現象,接觸壓力減小,接觸電阻增大。

2)接觸磨損。

插拔磨損:汽車連接器插合分開時,插針與插孔之間在一定的接觸壓力作用下,由于相對運動而產生摩擦,在摩擦過程中,會出現接觸表面的光潔度損傷,幾何形狀改變、擦傷、粘連、 產生磨屑,材料轉移等,同時還伴隨有熱量產生。隨著插拔次數的增加,插針插孔的表面鍍層金屬被磨損,露出基底金屬,在周圍環境作用下產生腐蝕,形成接觸不良。接觸對表面磨損的程度與接觸壓力的大小,接觸摩擦部位表面光潔度,接觸對表面鍍層品種、 硬度、質量、接觸對導向部位圓角是否光滑以及插孔接觸部位幾何形狀等因素有關。在 接觸壓力大,插針頭部及插孔內孔口部圓角連接差,接觸部位粗糙度高,鍍層材料硬度 低,鍍層質量差的情況下,接觸對磨損更為嚴重。連接器的插拔壽命也低,接觸穩定性也差

微動磨損:微振是發生在兩個具有小幅振動的相對運動的兩個表面的磨損現象,其振幅為 1—100um,主要是溫度循環引起的熱脹冷縮和背景的振動,汽車連接器因其工作工況中,振動及熱沖擊同時存在,因此微動頻繁發生。例如電連接器按照5℃/h波動,循環20次,插針(黃銅制造)的熱膨脹系數為2x10-5/℃,插針長度為 5mm,則其微振幅度可達5um。試驗表明,這種微振達到數百萬次以后,就有可能嚴重影響電接觸的可靠性。比如汽車運行5h,振動頻率 1000Hz,相當于產生1800萬次的微振。

美國的MichealBryant于1994年提出了下述微振失效模型,將失效劃分了7個階段。

1)潔凈的微觀突起的接觸;

2)微振運動使微觀突起接觸暴露于銹蝕作用之下,形成銹蝕膜層;

3)微振的反向運動刮削膜層,一部分落入“谷”中,同時有一部分壓入接觸

部分;

4)一步的微振再次將接觸部分暴露于銹蝕作用之下;

5)微振運動使微觀突起產生塑性變形,使銹蝕膜層碎裂,并使碎末與突起的

金屬混合:

6)微觀突起逐漸被銹蝕物污染,接觸電阻增加;

7)最后銹蝕碎末填滿“谷”中,在兩接觸表面之間形成厚度至少為20nm的絕緣層,連接完全失效。

相比較而言,電子連接器在低電壓、小電流的工作場合,微動過程中接觸表面上的絕緣,物質的危害較大,而在大功率電力電路中,絕緣物可能由于電沖擊而被去除,對電路的影響。

微振失效模型圖見圖3


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電接觸可靠性設計

連接器電接觸可靠性設計重點是以下參數的設計:接觸電阻、插拔力、接觸正壓力。

接觸電阻設計

依據電接觸理論,接觸電阻R= RC + Rf + Rp,式中:

Rp—為導體電阻,它是端子和引出線的奧姆電阻之和,其大小決定于端子和引出線所選 用的材料、截面形狀及長度尺寸。

RC—集中電阻,當兩個端子彼此接觸時,其表面不可能完整地接觸,微觀上是點與點 的接觸。當電流由一個接觸件流向另一個接觸件時,電流線就受到收縮而產生阻力,因而產生的電阻就稱為收縮電阻。

Rf—膜層電阻,它是接觸件表面上的粘著膜、表面晦暗膜及薄膜所產生的電阻。

接觸電阻的影響因素:材料本身的特性,接觸壓力、生產工藝能力等。

 

 

 

 

 

端子材料選用

下表為典型金屬的電阻率

 

下表為銅合金的性能

 

選用高導電率或低電阻率的端子材料(黃銅的導電率約為 13﹪,磷青銅導電率約為 26﹪,鈹銅可大達 40﹪),是降低接觸電阻最有效的方法。

端子材料選擇的基本要求:

導電性高導電率、低電阻率,降低接觸電阻;

延展性-有助于端子成型;

硬度-提高機械 磨損能力及增大接觸面積,減小接觸電阻;

降伏強度-屈服強度,在機械與材料科學的定義是材料開始產生塑性變形(永久變形)的應力,在彈性范圍內有大的位移;

彈性模數-較高的彈性模數表面膜容易破壞,有利于降低表面膜接觸電阻,較低的彈性模數則可增大彈性變形的接觸面積;

應力松弛-端子長時間受力或高溫,抗拒負載能力仍能維持;

硬度(Hardness)-減少端子金屬的磨損

接觸件插拔力設計

在影響接觸電阻的因素中,接觸壓力的影響最大,但接觸壓力一般是無法測量的。

接觸件在插入和拔出時為克服彈性接觸產生的阻力所需要的力,稱為接觸件插入力和 拔出力,根據胡克定律,當接觸壓力越大,為克服彈性接觸產生的阻力所需要的力也 越大,也就是插拔力越大,因此從某種意義上來說插拔力就是在彈性接觸件正壓力作 用下,接觸件間產生的摩擦力。

 

插拔力在一定區間變化時,接觸電阻的變化較明顯,除此之外的區域,接觸電阻的 變化相對鈍化,即使插拔力增加很多,接觸電阻也并未明顯減小 。從經濟性角度考慮, 超過一定限度,再要求通過增大插拔力來減小接觸電阻,沒有實際意義 。所以,為減小接觸電阻,不應僅從插拔力去考慮。

接觸件的接觸壓力

接觸壓力是彼此接觸的表面產生并垂直于接觸表面的力,影響著電接觸性能,

由于機械或環境應力而使正壓力減少, 會引起接觸電阻的增加,若超出規定值將引起電路失效。

連接器 smart化的趨勢下,接觸壓力的設計必須非常精準。

保持力太大的缺點:

(1)增加端子插入力,易造成端子變形;

(2)增加housing 內應力,易造成housing 變形。

保持力太小的缺點:

(1)接觸壓力不夠,造成接觸電阻大,接觸不良;

(2)端子易松脫。

 下圖為接觸壓力與接觸電阻的變化分析


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