基于ABAQUS的車用連接器插座端子彈片結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李?輝?，張明柱?

（1．河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003；2．河南天海電器有限公司，河南 鶴壁 458030）

基于ABAQUS的車用連接器插座端子彈片結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李?輝1，2，張明柱1

（1．河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003；2．河南天海電器有限公司，河南 鶴壁 458030）

利用ABAQUS軟件的力學(xué)性能及電性能分析方法，在分析車用連接器電連接系統(tǒng)插座端子常見的3種不同彈片結(jié)構(gòu)形式的機(jī)械和電氣性能的基礎(chǔ)上，提出了一種具有“雙彈片”特征的新型彈片結(jié)構(gòu)。經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，由該彈片結(jié)構(gòu)構(gòu)成的新型連接器，具有電氣特性不減弱、機(jī)械插拔力特性明顯提高的特點(diǎn)。應(yīng)用該連接器將提高車輛電氣連接的可靠性及操作舒適性。

ABAQUS；汽車連接器；端子；插拔力；溫升；電壓降

車輛電連接器是一種“機(jī)電系統(tǒng)”，它通過機(jī)械的方法提供一種可分離的界面建立電連接，用以連接兩個(gè)次電子系統(tǒng)［1］，同時(shí)，為各電連接回路提供可靠的絕緣保護(hù)。電連接界面在次電子系統(tǒng)接通與分離過程中，不影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行功能。在汽車連接器行業(yè)，ABAQUS常被應(yīng)用于產(chǎn)品的非線性動(dòng)態(tài)應(yīng)力/位移分析和電/熱耦合分析［2］。本文將應(yīng)用ABAQUS軟件CAE分析方法，并結(jié)合連接器開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，對汽車連接器插座端子常見的3種彈片結(jié)構(gòu)進(jìn)行插拔力機(jī)械性能和接觸電阻/電壓降/溫升電氣性能對比研究，分析其各自特點(diǎn)，針對存在的機(jī)械插拔力及電性能最優(yōu)化問題，提出一款綜合性能更優(yōu)的彈片結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 汽車連接器的主要電氣連接性能指標(biāo)

汽車連接器電連接界面的建立依靠“端子對”，即插座端子（通常稱為母端子）與插頭端子（通常稱為公端子），該電連接界面的“可分離性”依靠其插座端子內(nèi)的彈片結(jié)構(gòu)保證，因而，插座端子內(nèi)部的彈片結(jié)構(gòu)對于電連接系統(tǒng)而言至關(guān)重要。汽車連接器電連接系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 汽車連接器電連接系統(tǒng)構(gòu)成

汽車連接器電連接系統(tǒng)的可靠性主要包括機(jī)械性能和電氣性能。

1.1 機(jī)械性能

汽車連接器由端子對形成的接觸界面必須是可分離的。這就要求該端子對在接通和分離時(shí)應(yīng)具備一定的可操作性和耐久性。中國連接器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 1067—2017《汽車電線束和電氣設(shè)備用連接器》規(guī)定，確保沿端子中心線以50 mm/min的勻速對插端子，考查以下3項(xiàng)。

1）第1次插入力 簡稱“一插”，即第1次嚙合到位所需的峰值力。

2）第1次拔出力 簡稱“一拔”，即第1次完全分離所需的峰值力。

3）第10次拔出力 簡稱“十拔”，即端子重復(fù)插拔10次，測量第10次完全分離所需的峰值力［3］。

1.2 電氣性能

汽車連接器電連接系統(tǒng)要形成可靠的電連接接觸界面，確保電路連接的穩(wěn)定暢通。按照電接觸理論，汽車連接器電連接系統(tǒng)考查如下幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。

1）接觸電阻/電壓降 反映電連接接觸界面的阻抗性能，通過測量接觸點(diǎn)的電壓降（即電壓損耗），間接計(jì)算接觸點(diǎn)的接觸電阻。

2）觸點(diǎn)溫升 即接觸點(diǎn)溫度與環(huán)境溫度的差值，根據(jù)焦耳定律：Q=I2RT可知，接觸點(diǎn)溫度與接觸電阻大小成正比關(guān)系。

以上2組性能參數(shù)是衡量汽車連接器電連接可靠性的重要指標(biāo)，在連接器端子開發(fā)，特別是插座端子彈片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中必須考慮。

2 連接器插座端子常見彈片結(jié)構(gòu)形式及其特性

根據(jù)插頭端子與插座端子嚙合后插座端子彈片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以將插座端子彈片劃分為以下3種常見類型。

2.1 懸臂型

如圖2所示，插頭端子與插座端子嚙合到位后，插座端子彈片一端由端子壁連料折彎而來（與端子壁連為一體），而彈片的末端懸空，與端子內(nèi)壁無接觸，類似于懸臂梁，故稱之為懸臂型。應(yīng)用ABAQUS軟件，分析得出該類彈片的CAE分析數(shù)據(jù)［4］，如圖3和圖4所示。

懸臂型彈片結(jié)構(gòu)在以往產(chǎn)品中較常見，上述分析與以往開發(fā)經(jīng)驗(yàn)吻合，該類結(jié)構(gòu)有如下特點(diǎn)及不足。

圖2 插座端子彈片間隙

圖3 懸臂型結(jié)構(gòu)插拔過程模擬

1）端子嚙合力小 多線連接器滿線對接力小，操作舒適性好。

2）端子嚙合正壓力小 此正壓力即彈片對插頭端子的夾緊力，在大負(fù)載工況及振動(dòng)環(huán)境下觸點(diǎn)易發(fā)熱，這是該類彈片結(jié)構(gòu)的致命缺陷。

3）制造過程穩(wěn)定性差 在高沖模具生產(chǎn)時(shí)料帶劇烈振動(dòng)，彈片間隙G不穩(wěn)定（圖2），極端情況下，當(dāng)G尺寸大于插頭端子厚度時(shí)，電連接系統(tǒng)失效，電氣功能喪失。

4）端子耐久性差 在振動(dòng)和高溫作用下，銅材性能下降，彈片發(fā)生應(yīng)力松弛，最終將導(dǎo)致電連接器失效。

2.2 卷舌型

如圖5所示，端子彈片呈“卷舌”狀，“卷舌”末端與端子內(nèi)壁接觸，起支撐作用。應(yīng)用ABAQUS軟件，可以分析出該類彈片的CAE分析數(shù)據(jù)，如圖6和圖7所示。

圖4 懸臂型結(jié)構(gòu)插拔力分析

圖5 卷舌型彈片結(jié)構(gòu)

以上分析結(jié)果與開發(fā)經(jīng)驗(yàn)相吻合，該類結(jié)構(gòu)有如下特點(diǎn)與不足。

1）端子嚙合正壓力大 連接器接觸可靠，能承受較高的振動(dòng)和溫度環(huán)境。

圖6 卷舌型結(jié)構(gòu)插拔過程模擬

2）端子插拔力大 將導(dǎo)致多線連接器在滿線對接時(shí)操作力過大（＞100 N），操作舒適性差，這也是主機(jī)廠經(jīng)常反饋的品質(zhì)問題。

2.3 簡支型

如圖8所示，簡支型彈片結(jié)構(gòu)與懸臂型最大區(qū)別在于：插頭端子嚙合到位后，彈片末端與端子內(nèi)壁接觸，形成“簡支梁”。并且，其彈片末端設(shè)置卷曲結(jié)構(gòu)R，在端子嚙合過程中，便于R在端子內(nèi)壁滑動(dòng)。該彈片結(jié)構(gòu)相對于前述2種結(jié)構(gòu)既可減小端子插拔力又可提供可靠的正壓力，保證電連接系統(tǒng)的可靠性。其CAE分析數(shù)據(jù)如圖9和圖10所示。

對于相同規(guī)格（端子規(guī)格：指其適配插頭端子的寬度，是表征端子大小的重要參數(shù)）端子而言，以上3種結(jié)構(gòu)性能對比如圖11所示。3種彈片中，簡支型綜合性能最優(yōu)，在汽車連接器上廣泛應(yīng)用，但實(shí)際上，它并不完美：其插拔性能比起懸臂型還有一定差距。那么就需要尋找一種彈片形式可以達(dá)到機(jī)械性能和電性能的最佳融合，即占據(jù)圖11中右上角虛線框位置。

圖7 卷舌型結(jié)構(gòu)插拔力分析

圖8 簡支型彈片結(jié)構(gòu)

圖9 簡支型結(jié)構(gòu)插拔過程模擬

圖10 簡支型結(jié)構(gòu)插拔力分析

本文將應(yīng)用ABAQUS分析軟件，在簡支型結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計(jì)出一種電性能相當(dāng)?shù)珯C(jī)械插拔性能明顯提升的新型彈片結(jié)構(gòu)。

3 新型彈片結(jié)構(gòu)特征及連接器優(yōu)化設(shè)計(jì)

新型彈片結(jié)構(gòu)如圖12所示，以既有簡支型彈片結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，在不降低其電性能的前提下，能夠提升機(jī)械性能，即降低其插拔力。

彈性簡支結(jié)構(gòu)與普通簡支結(jié)構(gòu)最大的不同點(diǎn)在于：支撐彈片末端的端子內(nèi)壁上設(shè)置一處彈片結(jié)構(gòu)T。對彈片支撐由內(nèi)壁的固定支撐變?yōu)閺椘膹椥灾?，賦予簡支彈片末端額外彈性，從而降低端子嚙合過程中克服彈片變形所施加的力，以降低端子插拔力。

圖12 彈性簡支型彈片結(jié)構(gòu)

應(yīng)用ABAQUS軟件對彈性簡支型結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析［5］，結(jié)果見圖13和圖14。從圖13可以看出，新設(shè)置彈片T在端子嚙合過程中是起作用的——以連接部為支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)變形。圖10和圖14中插拔力對比，如表1所示，新型彈片結(jié)構(gòu)的插拔力低于簡支型，機(jī)械插拔性能得到明顯提升。

圖13 彈性簡支型結(jié)構(gòu)插拔過程模擬

圖14 彈性簡支型結(jié)構(gòu)插拔力分析

表1 插拔力對比

應(yīng)用ABAQUS軟件對二者進(jìn)行通電溫升對比［6］。對二者同樣通15 A工作電流，分析數(shù)據(jù)見圖15和圖16，二者曲線走向一致，且隨時(shí)間延續(xù)彈性簡支型溫升趨于穩(wěn)定，電性能更優(yōu)，新型彈片結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)成功。

圖15 端子溫升CAE分析示意圖

圖16 簡支型與彈性簡支型溫升模擬數(shù)據(jù)對比（15 A）

4 總結(jié)與展望

汽車連接器電連接系統(tǒng)插座端子常見的3種既有彈片形式各有優(yōu)缺點(diǎn)，對比分析表明簡支型彈片結(jié)構(gòu)綜合性能上更優(yōu)，但機(jī)械插拔性能上仍有提升空間。

本文提出一種改良型彈片結(jié)構(gòu)——彈性簡支結(jié)構(gòu)，應(yīng)用ABAQUS軟件分析表明其電性能與簡支型彈片結(jié)構(gòu)無明顯差異，但機(jī)械插拔性能有明顯提升。

［1］ 富士康集團(tuán)華東智權(quán)室.汽車連接器手冊［Z］.1998.

［2］ 石亦平，周玉蓉. ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［3］ QC/T 1067—2017，汽車電線束和電氣設(shè)備用連接器［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2017.

［4］ 丁元淇，康金燦，杜艷萍，等. 車用連接器端子的結(jié)構(gòu)仿真分析［J］. 汽車電器，2016（7）：51-53.

［5］ 王永安，張文建，梁晉豫. CAE分析產(chǎn)品的彈性變形［J］. 汽車電器，2010（12）：13-14.

［6］ 丁元淇，李曉英，李厚琨，等. 車用插接器電熱性能仿真分析［J］. 汽車電器，2016（7）：39-41.

Optimized Design of Spring Tongue Structure of Socket Terminal for Automobile Connector Based on ABAQUS

LI Hui1，2，ZHANG Ming-zhu1
（1. College of Mechanical and Electrical Engineering，Henan University of Science and Technology，Luoyang 471003；2. Henan THB Electric Co.，Ltd.，Hebi 458030，China）

Based on the mechanical and electrical properties of three different spring tongue structures，which are commonly used in the socket terminal of the vehicle connector，a new spring structure is proposed，using ABAQUS software.After the structural optimization design，the new connector which is composed of the spring tongue has been improved mechanical characteristics without affecting electrical characteristics. The application of the connector will improve the reliability and operation comfort of the electrical connection.

ABAQUS；automotive connector；terminal；engage amp; disengage force；temperature rise；voltage drop

U463.62

A

1003-8639（2017）11-0059-04

2017-07-28；

2017-07-31

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51375145）

李輝（1982-），男，河南商丘人，工程師，從事連接器研發(fā)和項(xiàng)目管理工作11年；張明柱（1964-），男，河南伊川人，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檐囕v傳動(dòng)與控制技術(shù)。

（編輯 章 子）