毛刷電接觸對的接觸電阻研究

梁云忠，喬玉鵬，伍 權，徐衛(wèi)平

?

毛刷電接觸對的接觸電阻研究

梁云忠，喬玉鵬，伍 權，徐衛(wèi)平

（貴州師范大學 機械與電氣工程學院，貴州 貴陽 550001）

基于R.holm電接觸理論建立了毛刷電接觸對的接觸電阻模型。采用有限元仿真確定了毛刷電接觸對在插拔過程中只有彈性變形，并得到了接觸電阻模型中的值為1/2，進行了毛刷電接觸對不同插拔深度上的接觸電阻試驗，通過試驗數(shù)據(jù)擬合確定了毛刷電接觸接觸電阻模型中的值為248。進行了毛刷、麻花針、線簧孔接觸對在不同插拔深度的接觸電阻對比試驗，得到了毛刷電接觸插拔深度的最優(yōu)范圍為2~2.2 mm，進行了毛刷電接觸在2~2.2 mm插拔深度時接觸電阻壽命試驗，基于接觸電阻壽命曲線提出了預插拔工藝以提高接觸電阻及插拔力的穩(wěn)定性。毛刷電接觸接觸電阻研究為毛刷電接觸的擴展設計、制造提供了參考。

毛刷電接觸；接觸電阻模型；插拔深度；預插合；插拔壽命；電連接器

20世紀80年代以來，在參考美國軍用電連接器標準的基礎上，我國逐步研制出絞線麻花針電接觸對、開槽彈性插孔電接觸對以及線簧孔電接觸對等一系列高可靠的電接觸形式，為我國的軍用電連接器發(fā)展奠定了堅實的基礎。近年來，隨著集成電路的飛速發(fā)展，整機系統(tǒng)要求電連接器芯數(shù)越來越多，插拔壽命越來越長，開槽彈性插孔等電接觸對由于插拔力過大、插拔壽命短等缺點，導致大芯數(shù)電連接器在多次插拔分離時連接器接觸失效、印制板及系統(tǒng)部件破壞等問題。因此尋求高可靠、長壽命、低插拔力的電接觸形式成為國內(nèi)外研究學者和生產(chǎn)商的關注焦點[1-6]。毛刷電接觸對因其輕插拔力，耐磨損、優(yōu)異的電接觸性能開始用于航空、航天等高可靠連接器上。在國外，美國領軍電子元件生產(chǎn)商Amphenol公司在2002年首先將裝配有毛刷電接觸對的系列連接器用于美國第五代戰(zhàn)機F35中并幾乎壟斷了該型號戰(zhàn)機的所有印制電路連接器。在國內(nèi)，主流軍用電連接器相繼投入到毛刷電接觸對的研發(fā)中，并研發(fā)了裝配有毛刷電接觸件的各類新品[7]。

根據(jù)霍爾姆電接觸理論，電接觸對的接觸電阻與插拔力有著緊密關系，插拔力大，接觸電阻小，且不同的電接觸結構，其函數(shù)的相關系數(shù)不同。在電連接器可靠性設計中，保證不太低的插拔力是為了保證接觸對有較小的接觸電阻，從而有效控制電連接器的溫升[8-11]。

在毛刷電接觸對理論研究方面，《毛刷電接觸對的插拔力研究》[12]一文研究了毛刷電接觸對的插拔力模型，對毛刷電接觸插拔力進行仿真，并與其他形式接觸對進行了插拔力對比試驗。但是毛刷電接觸對的接觸電阻模型及相關接觸電阻可靠性試驗目前尚未見相關研究。

本文根據(jù)毛刷電接觸的插拔力模型，分析毛刷電接觸對接觸電阻影響因素，通過有限元仿真分析、試驗等方法并建立毛刷電接觸對的接觸電阻計算模型；對毛刷電接觸對進行接觸電阻的插拔壽命試驗，為毛刷電接觸的規(guī)格擴展及相關毛刷電接觸類電連接器的插拔深度設計提供參考。

1 毛刷電接觸對接觸電阻模型建立

1.1 毛刷電接觸對原理

如圖1所示，毛刷電接觸對由插針及插孔組成，插針、插孔的電接觸部分由一束單針壓接在一起，整個電接觸被限制在插孔護管內(nèi)。在插針與插孔插合的過程中，兩端單針被相互撐開，插針和插孔的單針之間隨機相互插合在一起，從而形成電氣連接。

圖1 毛刷電接觸示意圖

1.2 毛刷電接觸對接觸電阻模型的建立

電接觸學科奠基人霍爾姆（R.holm）認為接觸電阻由接觸元件兩邊的收縮電阻s與接觸面之間的膜電阻b組成，此外霍爾姆還通過試驗確定了收縮電阻、膜電阻與接觸對插拔力之間為指數(shù)函數(shù)關系。由于三者在電路上處于串聯(lián)關系，考慮接觸材料相同，接觸面兩邊的電流場對稱，因此接觸電阻可以表示為：

式中：值為接觸材料的函數(shù)，同時與表面的膜情況有關，其值由試驗決定；與接觸面變形情況有關，彈性變形為1/2，塑性變形為1/3[13-17]。

由公式（1）可知，毛刷電接觸對的接觸電阻與插拔力有密切關系。在參考文獻[12]中，根據(jù)毛刷電接觸單針在插拔過程中屬于懸臂梁結構，推導出毛刷電接觸對插拔力模型公式為：

綜合公式（1）、（2）可得毛刷電接觸對的接觸電阻模型公式為：

式中：為接觸件插拔深度；為單針接觸處變形量設計值；為單針長度；為單針數(shù)目；為單針截面的慣矩；為單針材料的楊氏模量。

由公式（2）可知，毛刷電接觸對接觸電阻與單針接觸處變形量設計值平方成正比、且與值，值，單針材料的楊氏模量以及單針截面的慣矩相關。

為確定毛刷電接觸對接觸電阻模型公式（3）式中的、值，本文采用有限元仿真及實驗數(shù)據(jù)擬合等方式來確定。選用毛刷接觸對中典型規(guī)格尺寸進行試驗或有限元仿真，試驗樣件的規(guī)格參數(shù)如下：接觸件材料鈹青銅C17500（=120 GPa），表面鍍金1.27 mm，護管直徑為=1.36 mm，單針直徑=0.2 mm、單針長度=4 mm，單針變形量設計值=0.065 mm，單針數(shù)目=7。

試驗條件如下：接觸電阻的測試采用同批鍍金的未插合過的毛刷電接觸對，且測試時溫度保持為22℃，相對濕度保持73%，試驗電流1 A。

毛刷電接觸對試驗樣品如圖2所示。

圖2 毛刷電接觸試驗樣品

1.3 基于有限元仿真的值確定

在插拔過程中難以觀察到接觸件的變形情況，因此采用ADINA軟件分析毛刷對接觸對插拔過程中單針的變形情況，在毛刷電接觸模型建立時，將毛刷電接觸插孔及單針固定，對接時僅插針端單針簇可產(chǎn)生變形。設置毛刷電接觸對插針端一個徑向位移，使其完成插入過程。為了能正確模擬出插入對接過程，對接的單針之間以及單針和護管之間需設置接觸對。材料可能產(chǎn)生彈性變形及塑性變形，因此設置為雙線性彈塑性材料，完成如圖3所示的前處理設置。

圖3 有限元前處理設置

分別取毛刷電接觸件對1 mm插拔深度和3 mm插拔深度，查看這兩個時間點的整體應力分布情況如圖4、圖5所示，可以看出插拔過程中最大的應力分布在單針上，且最大應力為110 MPa，遠小于銅等材料的屈服強度，因此插拔過程中單針僅發(fā)生彈性變形。

圖4 插入深度1 mm時刻應力分布圖

圖5 插入深度3 mm時刻應力分布圖

由仿真過程可知，單針在插拔范圍內(nèi)發(fā)生彈性變形，根據(jù)R.holm電接觸理論，取值為1/2。

1.4 基于不同插拔深度接觸電阻試驗的值確定

選擇毛刷接觸對中典型規(guī)格尺寸進行試驗，取10對毛刷接觸對中進行接觸電阻測試試驗，分別測試每個接觸對在0.5，1.0，1.5，2.5，2.5，3.0，3.5 mm插拔深度上的接觸電阻值，并計算平均值作為縱坐標。試驗結果如圖6所示。

圖6 不同插拔深度的接觸電阻

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)進行線性擬合，可擬合出接觸電阻與插入深度的擬合公式為：

= 2.246 9(4–)2（4）

將公式（3）的各參數(shù)代入并與公式（4）進行比較，可知取值為248。綜上所述，可知常用規(guī)格毛刷電接觸對接觸電阻模型公式為：

2 毛刷電接觸對與線簧孔、麻花針電接觸對接觸電阻試驗對比

為比較毛刷電接觸對與其他常用軍用電接觸對的接觸電阻差異，選擇與典型規(guī)格毛刷電接觸對相近尺寸的麻花針、線簧孔接觸對進行不同插拔深度的插拔力對比試驗。圖7為三種接觸對在不同插拔深度的接觸電阻試驗數(shù)據(jù)對比。

圖7 毛刷、線簧孔、麻花針電接觸對在不同插拔深度的接觸電阻

由圖7對比可知：

（1）毛刷電接觸對的接觸電阻隨插拔深度變化顯著變化，而麻花針、線簧孔接觸電阻不隨插拔深度的變化而變化。原因為毛刷電接觸的插拔力與插拔深度相關，插入深度越大，插拔力越大，插拔力增大導致接觸電阻減小；麻花針、線簧孔接觸件插拔力與插拔深度無關，故接觸電阻沒有變化。

（2）毛刷電接觸的接觸電阻隨插拔深度增大而減小，但是當插拔深度越接近單針長度，接觸電阻幾乎不再變化。其原因為當插拔深度越大，插孔端單針已經(jīng)緊貼護管壁，不再有彈性變形量的增大，故插拔力不再增大，接觸電阻也就幾乎不再變化。

（3）接觸電阻小的接觸件會使連接器溫升降低，因此與麻花針、線簧孔接觸件相比，毛刷電接觸的接觸電阻在插拔深度大于2.0 mm時，其接觸電阻較麻花針及線簧孔接觸件小，結合參考文獻[12]，毛刷電接觸相對線簧孔及麻花針接觸件具備較小插拔力的合理范圍為1.8~2.2 mm，因此在多芯數(shù)（100芯以上）印版版連接器設計中，毛刷電接觸對的插拔深度設置為2.0~2.2 mm時，毛刷電接觸接觸電阻較小，且插拔力也較毛刷電接觸小，從而在多芯數(shù)印制板連接器中具有插拔力和接觸電阻的優(yōu)勢。

3 接觸電阻的插拔壽命試驗

為驗證毛刷電接觸在合理插拔深度2.0~2.2 mm上的插拔壽命可靠性，將裝有20芯典型規(guī)格毛刷接觸對的電連接器進行插拔試驗，連接器試驗插拔深度為2.0~2.2 mm，插拔次數(shù)設計為=104次。在試驗時，間隔檢測插拔后平均接觸電阻。

依次選取不同的插拔次數(shù)為橫坐標，測得的平均接觸電阻為縱坐標，建立起平均接觸電阻的壽命試驗數(shù)據(jù)，如圖8。

圖8 接觸電阻的萬次壽命試驗（插拔深度2.0~2.2 mm）

由圖8可知：

（1）在2 000次插拔次數(shù)范圍內(nèi)，平均接觸電阻隨插拔次數(shù)增加而顯著增大，在2 000次插拔次數(shù)后，平均接觸電阻逐步趨于平穩(wěn)。導致此原因為2 000次插拔導致了毛刷接觸對的單針有一定量的塑形變形，塑性變形導致單針變形量減小，因此導致了插入力的減小及接觸電阻的增大；隨著該塑性變形趨于穩(wěn)定，接觸電阻也趨于穩(wěn)定。

（2）在2 000~10 000次插拔范圍內(nèi)，接觸電阻隨插拔次數(shù)趨于穩(wěn)定，因此說明在2 000次范圍內(nèi)的插拔導致的單針塑性變形并沒有導致電接觸對失效，而是電接觸對在經(jīng)過2 000次磨合插合以后，進入了可靠工作階段。

（3）2 000次插拔次數(shù)范圍內(nèi)，接觸電阻隨插拔次數(shù)而增大，在精密系統(tǒng)使用時會導致一定誤差，此外由于平均插入力隨插拔次數(shù)增加而顯著減小，在人工插拔過程中插拔手感會顯著變化，因此在產(chǎn)品生產(chǎn)完畢后可首先進行2 000次左右的預插拔后使用，這樣連接器的插入力及接觸電阻更加穩(wěn)定。

4 結論

（1）根據(jù)霍爾姆（R.holm）電接觸理論和毛刷電接觸的插拔力模型，建立了毛刷電接觸對的接觸電阻模型。

（2）根據(jù)毛刷電接觸插合過程中的有限元仿真，毛刷電接觸單針僅發(fā)生彈性變形，確定了電阻模型中的值為1/2，通過不同插拔深度下的接觸電阻試驗值確定了接觸電阻模型中的值為248。

（3）進行了相近規(guī)格的毛刷電接觸、線簧孔接觸件、麻花針接觸件在不同插拔深度時的接觸電阻試驗，并得到了毛刷電接觸對相對線簧孔及麻花針接觸件具備插拔力及接觸電阻優(yōu)勢的深度插拔范圍為2.0~2.2 mm。

（4）進行了毛刷電接觸在2.0~2.2 mm的10 000次接觸電阻插拔壽命試驗，根據(jù)壽命曲線提出了預插拔工序，使毛刷電接觸的連接器插拔力和接觸電阻性能更加穩(wěn)定。

[1] 楊奮為. 軍用電連接器的應用與發(fā)展 [J]. 機電元件, 2012(4): 52-61.

[2] SAWCHYN I, SPROLES E J. Optimizing force and geometry parameters in design of reduced insertion force connectors [J]. IEEE Trans Compon Hybrids Manuf Technol, 1992, 15(6): 1027-1031.

[3] 潘駿, 靳方建, 陳文華. 電連接器接觸件結構分析與插拔試驗 [J]. 中國機械工程, 2013, 24(4): 1636-1641.

[4] LI Z G, JIANG D, LI W H, et al. Reliability analysis and failure prediction study of dynamic contact resistance on contact [C] //Proceedings of 48th IEEE Holm Conference Electrical Contacts. New York: IEEE, 2002: 61-65.

[5] CHEN W H, MA Z K, GAO L, et al. Quasi-statie analysis of thrust-loaded angular contact ball bearings partl: theoretical formulation [J]. Chin J Mech Engin, 2012, 25(l): 71-80.

[6] 潘駿. 航天電連接器振動可靠性建模與評估 [D]. 杭州: 浙江大學, 2002: 12-14.

[7] 劉剛. 刷狀接觸件: 中國: 2009201252733 [P]. 2009-03-05.

[8] HOL M R. Electrical Contacts [M]. New York: Springer, 1979.

[9] 馬東娟. 多變量灰色模型MGM(1,)在電磁繼電器特性參數(shù)分析中的應用研究 [J]. 電子元件與材料, 2014, 33(12): 78-81.

[10] 王玲, 萬超, 朱姍, 等. 導電膠導電/導熱性能影響因素研究 [J]. 電子元件與材料, 2014, 33(2): 16-18.

[11] 李奎, 張冠生, 陸儉國. 含膜觸頭靜態(tài)接觸下接觸電阻有限元模型及其分析 [J]. 電工技術學報, 1998, 13(1): 18-30.

[12] 梁云忠, 喬玉鵬, 金波, 等. 毛刷電接觸對的插拔力研究 [J]. 工程設計學報, 2015, 22(3): 290-294.

[13] TAMAI T. Effect of humidity on growth of oxide film on surface of copper contacts [J]. IEICE Trans Electron, 2007, E90-C(7): 1391-1397.

[14] READ M B, LANG J H, SLOCUM A H. Contact resistance in flat thin films[C]. The 55th IEEE Holm Conference on Electrical Contacts. NY, USA: IEEE, 2009: 300-306.

[15] BOYER L. Contact resistance calculations: generalizations of greenwood’s formula including interface films [J]. IEEE Trans Compon Packag Technol, 2001, 24(1): 50-58.

[16] ALE? D, PAVEL M. Analysis and prediction of electrical contact resistance for anisotropic conduc-tive adhesives [C]// Electronics Technology of the 31st International Spring Seminar. NY, USA: IEEE, 2008: 358-362.

[17] MELIDA C, HU S J. A multiple particle model for the prediction of electrical contact resistance in anisotropic conductive adhesive assemblies [J]. IEEE Trans Compon Packg Technol, 2007, 30(4): 745-753.

Study on contact resistance of brush electrical contact

LIANG Yunzhong, QIAO Yupeng, WU quan, XU Weiping

(Department of Mechanical and Electrical Engineering, Guizhou Normal University, Guiyang 550001, China)

The contact resistance model of the brush electric contact was established based on R.holm electric contact theory. In the process of insertion and extraction of the brush electrical contact, only elastic deformation was got by finite element simulation andvalue of the contact resistance model was obtained (1/2), the contact resistance tests on different insertion depth of the brush electrical contact were done andvalue of the brush electric contact resistance model was obtained（248）by means of experimental data fitting. The contact resistance test in different insertion depth of the brush, the spring wire socket and twist-pin electrical contact were carried out. The results show that the advantage range of insertion depth of the brush electric contact is 2.0－2.2 mm. Contact resistance life test of the brush electrical contact in 2.0－2.2 mm insertion depth were done for ten thousands times, pre insertion technology was proposed according to the change of contact resistance in the test. Study on contact resistance of the brush electrical contact can provide a reference for the extensive design and manufacture of brush electrical contact.

brush electric contact; contact resistance model; insertion depth; Pre insertion technology; insertion life; connector

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.10.010

TN405

A

1001-2028（2016）10-0045-04

2016-07-09

梁云忠

貴州省自然科學基金資助項目（No. 黔科合LH字[2014]7043號）

梁云忠（1983－），男，貴州仁懷人，講師，碩士，主要從事電接觸理論和電連接器設計研究，E-mail:290263424@qq.com。

網(wǎng)絡出版時間：2016-09-29 10:08:47

網(wǎng)絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160929.1008.010.html

（編輯：曾革）