JF系列某型電連接器組件端子可靠性研究

杜永英，孫志禮，呂春梅

（1.東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110819；2.沈陽(yáng)化工大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng)110142）

0 引言

電連接器是一種為電線和電纜端頭提供快速接通和斷開的裝置，在電子設(shè)備中主要傳輸電信號(hào)和輸送電能量，它的連接性能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行起著關(guān)鍵的作用。參考文獻(xiàn)［1］對(duì)電連接器的絕緣失效進(jìn)行了研究，主要從材料、工藝和設(shè)計(jì)的角度出發(fā)進(jìn)行研究；參考文獻(xiàn)［2］報(bào)道了三維振－滑試驗(yàn)系統(tǒng)，可以在不同頻率下在垂直方向上獲得接觸件的觸點(diǎn)加速度、位移等參數(shù)，可以利用電磁力控制觸點(diǎn)多自由度相對(duì)滑動(dòng)；參考文獻(xiàn)［3－4］報(bào)道了電連接器組件端子在載荷作用下，將隨之出現(xiàn)微幅相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致插針、插孔表面滑動(dòng)磨損，使表面鍍層受到迫害，進(jìn)而組件端子的材料也會(huì)裸露在外，與空氣中的氧、硫發(fā)生氧化反應(yīng)；參考文獻(xiàn)［5－6］主要報(bào)道了電連接器涂層的研究，研究了不同的涂層材料對(duì)電連接器可靠性的影響情況；參考文獻(xiàn)［7－8］主要對(duì)電連接器在腐蝕磨損方面進(jìn)行理論和仿真試驗(yàn)研究。在此，主要對(duì)JF系列某型電連接器插針與插孔的接觸組件的插拔過(guò)程進(jìn)行建模及仿真研究。

電連接器的組件端子也稱為接觸件，主要由插針和插孔組成，是電連接器的導(dǎo)電部分和核心零件，通常插針和插孔一一對(duì)應(yīng)。振動(dòng)的加速度越大，則插孔與插針間之間的相互運(yùn)動(dòng)也越劇烈，出現(xiàn)接觸電阻增大或接觸對(duì)瞬斷現(xiàn)象的可能性也就越大，電連接器的失效概率也就越大。

1 隨機(jī)振動(dòng)作用下電連接器的接觸失效過(guò)程

通過(guò)對(duì)電連接器在振動(dòng)應(yīng)力下接觸失效的相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)有大量的黑色斑痕出現(xiàn)在電連接器插針與插孔的接觸部位，這是因?yàn)樵陔娺B接器的接觸端子產(chǎn)生了微動(dòng)，即插針和插孔發(fā)生了相對(duì)滑動(dòng)。而對(duì)于具有同樣硬度特性插針與插孔的相對(duì)滑動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生針、孔表面的材料轉(zhuǎn)移及互相嵌入對(duì)方，并會(huì)產(chǎn)生細(xì)小的碎屑磨粒。在接觸件材料的粘著磨損作用下，接觸件表面的鍍金層受到嚴(yán)重破壞，從而銅合金基體被暴露出來(lái)，裸露的銅合金在沒有鍍金層的保護(hù)作用下，會(huì)因摩擦熱而引起的高溫作用發(fā)生迅速的氧化反應(yīng)。同時(shí)，其在一般的大氣中也會(huì)遭受到各種有害氣體的腐蝕而產(chǎn)生鈍化，進(jìn)而產(chǎn)生一層電絕緣層。另外，從失效電連接器接觸處的磨損范圍以及參考文獻(xiàn)［9］所述的理論失效模型也可以看出，插孔與插針之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)幅值很小。

在載荷的作用下，發(fā)生相互接觸的接觸峰點(diǎn)在外界振動(dòng)應(yīng)力的作用下會(huì)發(fā)生相互摩擦，使得接觸表面產(chǎn)生磨粒磨損。當(dāng)表面的材料互相轉(zhuǎn)移時(shí)，接觸件的基體銅合金就外露了，銅合金易與空氣中的氧及各種有害氣體發(fā)生化學(xué)氧化反應(yīng)，迅速生成一層薄腐蝕膜。然而，接觸面上的切向相對(duì)微震會(huì)使剛生成的腐蝕膜受到破壞，使一部分的氧化薄膜被剪切分離下來(lái)，這部分薄膜氧化物匯集在接觸表面的低凹處并逐漸發(fā)生滲透，直到深入到接觸部分的裸露金屬層內(nèi)部。經(jīng)過(guò)多次的摩擦循環(huán)運(yùn)動(dòng)之后，若產(chǎn)生的腐蝕物填滿了接觸表面的低凹部分，則使接觸電阻急劇增大，進(jìn)而導(dǎo)致電連接器的接觸失效，這就是微動(dòng)磨損的對(duì)接觸失效的影響機(jī)理。

2 隨機(jī)振動(dòng)作用下電連接器的失效理論模型

微動(dòng)磨損是電連接器受到隨機(jī)振動(dòng)時(shí)，接觸件所產(chǎn)生的主要的失效形式，電連接器失效主要由于接觸件間的接觸電阻值增加，接觸件間的接觸電阻與電連接器接觸件的裸露接觸表面生成的氧化腐蝕物的多少有關(guān)。在動(dòng)態(tài)振動(dòng)的作用下，接觸件表面產(chǎn)生微動(dòng)磨損，使產(chǎn)生的磨屑與空氣接觸并在磨損剪切作用下快速產(chǎn)成一層氧化腐蝕膜，電連接器接觸電阻值的增長(zhǎng)情況，可用由動(dòng)態(tài)振動(dòng)引起的微動(dòng)磨損而導(dǎo)致的氧化物生成速度變化來(lái)描述，即

A為磨損氧化物的累積體積量；t為時(shí)間；R（t）為反應(yīng)速率。則某時(shí)刻t之前的退化量（t＝0時(shí)，假定A（0）＝0）為：

電連接器接觸件磨損氧化物的累積體積量，與接觸件的溫度和裸露基體金屬材料表面積成遞增函數(shù)關(guān)系變化，溫度越高反應(yīng)速度越快。同時(shí)，取溫度與隨機(jī)振動(dòng)作為影響接觸件的溫度與裸露基體金屬材料的表面積的影響因子，依據(jù)參考文獻(xiàn)［10］得出的溫度與反應(yīng)速率的關(guān)系，由阿列里烏斯公式［11］可得：

ΔW 為激活能；T為絕對(duì)溫度；k為波爾茲曼常數(shù)（0.861 7×10－4eVK－1）；β為系數(shù)。

當(dāng)考慮隨機(jī)振動(dòng)時(shí)，反應(yīng)速率為：

ε1＝eC1·σ為能量系數(shù)；ε2＝eC2·σ／kT為激活能系數(shù)；C1，C2為常數(shù)；σ為振動(dòng)應(yīng)力。

因而可以得到：

如果不考慮溫度應(yīng)力T對(duì)反應(yīng)速度R（t，s）的影響，系數(shù)βTe－ΔW／kT可由系數(shù)β來(lái)體現(xiàn)，則反應(yīng)速度R（t，s）為：

β和λ均為與溫度相關(guān)的系數(shù)?？傻茫?/p>

令d＝β／A（t），則可得電連接器壽命與振動(dòng)應(yīng)力之間的關(guān)系為：

3 電連接器在動(dòng)態(tài)振動(dòng)作用下可靠性增長(zhǎng)方法

根據(jù)對(duì)JF系列某型電連接器的組件端子在動(dòng)態(tài)振動(dòng)作用下接觸失效的理論分析，對(duì)影響接觸件可靠性的各種原因進(jìn)行詳細(xì)分析，綜合分析實(shí)際電連接器的動(dòng)力學(xué)模型、生產(chǎn)與使用情況以及生產(chǎn)工藝、制造成本等問(wèn)題，提出下列改進(jìn)措施。

3.1 在接觸件表面涂覆潤(rùn)滑劑

根據(jù)實(shí)際的使用過(guò)程條件，可對(duì)一般的電連接器涂覆一定量的潤(rùn)滑劑，可以減少金屬間的粘結(jié)，進(jìn)而使插拔力減小，增加可靠性。還可以通過(guò)堵塞金屬表面的微孔來(lái)阻斷金屬基底層的電化學(xué)腐蝕。避免大氣中腐蝕氣體侵蝕，有效降低微動(dòng)腐蝕，使接觸電阻保持較小的穩(wěn)定值，提高接觸可靠性。

3.2 從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面考慮增加接觸件之間的正壓力

插針和插孔插合時(shí)，插針表面的突起與插孔接觸，接觸壓力引起局部的正壓力增加，使機(jī)體金屬變形，接觸面積隨之增加，使壓力變小直到形變停止。增加接觸件之間的正壓力，可降低動(dòng)態(tài)隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力下接觸件的響應(yīng)幅值，增加接觸面的實(shí)際接觸面積，減小接觸電阻，提高電連接器的可靠性。

3.3 在接觸件表面作金剛石鍍層

金剛石鍍層制備工藝簡(jiǎn)單，產(chǎn)品功能多樣，鍍層表面質(zhì)量好?？梢酝ㄟ^(guò)接觸表面的磨合減少真實(shí)接觸面積，在相同濃度下，接觸電阻值隨金剛石顆粒增大而增大，金剛石的濃度會(huì)隨點(diǎn)磨損率的增加而減小。

4 電連接器組件端子插拔力分析設(shè)計(jì)

4.1 JF系列某型電連接器接觸電阻的影響因子

JF系列某型電連接器接觸電阻，由基體金屬材料的壓縮電阻和接觸區(qū)域的膜層電阻2部分組成。影響接觸電阻的因素之中，接觸壓力的影響效果最大，工程上通常利用針孔分離過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦力與該接觸正壓力成比例關(guān)系這一特性，采用針孔分離過(guò)程中的摩擦力也就是插拔力來(lái)計(jì)算接觸壓力。在不考慮其他的影響因素條件下，接觸界面的接觸電阻為：

RJ為界面接觸電阻；m為接觸件材料系數(shù)；PN為接觸壓力；α為接觸指數(shù)。

從式（9）可知，如果接觸件的材料、結(jié)構(gòu)及工藝方法已經(jīng)確定了，則接觸正壓力的大小主要取決于界面接觸電阻。而在生產(chǎn)加工過(guò)程中，完全精準(zhǔn)地檢測(cè)接觸電阻是很困難的，一般是通過(guò)確定接觸正壓力的值來(lái)確保接觸電阻值。

接觸壓力應(yīng)滿足：

［σ］為許用應(yīng)力；Io為慣性矩；L為插孔開槽處長(zhǎng)度；SN為插拔力。

接觸壓力一般較小，因?yàn)閺澢魬?yīng)力的影響很小，此處不考慮。由于JF系列某型電連接器插孔有2組接觸簧片，因此，針孔的插拔力為：

μ為摩擦系數(shù)。插拔力太小會(huì)發(fā)生瞬間斷電，降低接觸的可靠性，為了避免此種失效現(xiàn)象，則應(yīng)使所需最小插拔力滿足以下關(guān)系：

4.2 電連接器接觸件插拔過(guò)程的虛擬試驗(yàn)［12］

針對(duì)電連接器接觸件所產(chǎn)生的接觸失效，建立JF系列某型電連接器的有限元仿真模型，只對(duì)電連接器的接觸件進(jìn)行建模，接觸件由插針與插孔2部分組成。

根據(jù)參考文獻(xiàn)［13］取最小插拔力為0.25N，電連接器接觸件所用材料銅合金的屈服極限為210 MPa，許用應(yīng)力為140MPa。通過(guò)理論計(jì)算得到接觸件的最大接觸正壓力為2.756 1N，假設(shè)接觸表面的摩擦系數(shù)為0.21，可計(jì)算出接觸面的最大插拔力為1.103 1N。

按照假定插針和插孔在Y和Z向都無(wú)運(yùn)動(dòng)，即位移取零，插針的X向位移也為零，插孔X向位移取3.5mm，取接觸面的摩擦系數(shù)為0.21，接觸件材料的泊松比為0.33，彈性模量為10.3×1011N／m2，分別對(duì)接觸件在受到最小接觸正壓力與最大接觸正壓力時(shí)的插拔過(guò)程，進(jìn)行有限元仿真試驗(yàn)。

利用ANSYS13.0軟件，分析計(jì)算最小插拔力時(shí)應(yīng)力狀態(tài)如圖1所示。由圖1可知，電連接器的最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在插孔簧片的根部，與力學(xué)模型的理論分析一致。此時(shí)接觸面的應(yīng)力分布如圖2所示。

電連接器的插拔力隨插入時(shí)間的變化過(guò)程如圖3所示。圖3描述了接觸件受到最小插拔力時(shí)插拔力 隨時(shí)間變化情況，最小插拔力近似為0.252 N。在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)增加接觸正壓力，當(dāng)接觸件的最大應(yīng)力達(dá)到材料的最大允許應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力分布如圖4所示。此時(shí)插針與插孔接觸面的應(yīng)力分布如圖5所示。

圖1 最小插拔力時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)圖

圖2 最小插拔力時(shí)針孔接觸面的應(yīng)力分布

圖3 最小插拔力隨時(shí)間的變化

圖4 最大插拔力時(shí)的應(yīng)力分布

電連接器接觸件的插拔力隨時(shí)間的變化過(guò)程如圖6所示。由此，當(dāng)電連接器的接觸最大應(yīng)力值達(dá)到材料允許的最大許用應(yīng)力時(shí)，插拔力約為0.961 2N，此運(yùn)算結(jié)果與前文力學(xué)模型求解而得的數(shù)值基本吻合。因此，將電連接器的插拔力設(shè)定值為0.25～1.10N之間。

圖5 最大插拔力時(shí)針孔接觸面的應(yīng)力分布

圖6 最大插拔力隨時(shí)間的變化

5 結(jié)束語(yǔ)

分析了JF系列某型電連接器的組件端子在隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力作用下的接觸失效過(guò)程及其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的理論力學(xué)模型，確定了電連接器的可靠性增長(zhǎng)方法。確定了插拔力的變化趨勢(shì)及各因素之間的關(guān)系；并以插拔力為研究目標(biāo)對(duì)接觸正壓力進(jìn)行衡量研究，得出了取值范圍內(nèi)組件端子接觸失效隨插拔力的增加而降低的結(jié)論。

建立JF系列某型電連接器單針孔接觸對(duì)的有限元仿真模型，利用所建模型模擬電連接器接觸件的插拔過(guò)程試驗(yàn)，得到接觸面最大和最小分離力時(shí)的應(yīng)力和應(yīng)變分布圖以及隨時(shí)間變化圖，圖示數(shù)據(jù)與理論模型計(jì)算相吻合，確定插拔力設(shè)計(jì)選用范圍為0.25～1.10N。

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