汽車連接器端子夾緊力控制方案研究

王武軍，王榮喜，呼延颋

（1.河南天海電器有限公司，河南 鶴壁 458030；2.福建源光線束電器有限公司，福建 福州 350007）

近年來，汽車工業(yè)的快速發(fā)展對相關(guān)行業(yè)提出了新的要求，汽車連接器的可靠性要求也越來越高。連接器端子夾緊力是影響連接器性能的一個關(guān)鍵參數(shù)［1］。使用時，由于材料在高溫下的應(yīng)力釋放導(dǎo)致端子夾緊力的降低，使端子的電性能惡化，從而出現(xiàn)品質(zhì)事故。為解決應(yīng)力釋放導(dǎo)致的電性能惡化問題，目前通用的作法是增大端子夾緊力的初始值和提高端子使用材料的機械性能。提高端子夾緊力的初始值會造成裝配性能的降低，提高材料的機械性能會造成電性能降低或成本的大幅提高［2］。分析了常規(guī)設(shè)計方案存在的問題，根據(jù)使用情況的不同，提出了兩種提高端子夾緊力可靠性的設(shè)計方案。

1 連接器端子夾緊力分析

一般來說，端子夾緊力的影響因素主要有結(jié)構(gòu)和材料兩個方面。由于端子的夾緊力一般是由母端子彈性結(jié)構(gòu)的彈性決定，而母端子彈性結(jié)構(gòu)一般可簡化為懸臂梁模型（圖1），所以，結(jié)構(gòu)方面的影響因素包括懸臂梁的形式、懸臂梁各構(gòu)成要素的尺寸等。材料方面的影響因素一般包括材料的彈性模量、材料的應(yīng)力釋放系數(shù)等。

圖1 簡化的懸臂梁結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 連接器端子夾緊力的影響因素

1.1.1 端子結(jié)構(gòu)的影響

端子結(jié)構(gòu)對夾緊力的影響主要是母端子懸臂梁結(jié)構(gòu)的影響，可從分析母端子的懸臂梁結(jié)構(gòu)入手。簡化的懸臂梁結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。由懸壁梁理論可得到端子夾緊力的計算公式如下［3］：

式中：F——連接器端子的夾緊力；d——懸臂垂直偏移量；E——材料的彈性模量；W——端子彈性結(jié)構(gòu)寬度；t——端子材料厚度；L——端子懸臂長度。

由公式（1）可知：對端子夾緊力影響的結(jié)構(gòu)因素主要是母端子彈性結(jié)構(gòu)中懸臂的尺寸，包括懸臂的長度、寬度、厚度、偏移量等。端子設(shè)計時，材料選定后，只能通過改變懸臂寬度W、懸臂長度L、懸臂垂直偏移量d來調(diào)整端子夾緊力F的大小。一般是根據(jù)滿足電性能要求的夾緊力，通過理論計算確定滿足夾緊力要求的結(jié)構(gòu)尺寸。

1.1.2 端子材料的影響

常用的端子材料有黃銅、青銅和鈹銅。其中黃銅和青銅的用量占總使用量的90%以上。鈹銅雖然綜合性能優(yōu)良，但因其價格是黃銅和青銅的5倍以上而不常使用［4］。

端子材料對夾緊力的影響主要包括材料的彈性模量和材料的應(yīng)力釋放率。端子常用材料的彈性模量一般變化不大，由公式（1）可知：材料彈性模量的微小變化對夾緊力的影響一般可通過改變懸臂相關(guān)尺寸進(jìn)行平衡。因此，研究材料對端子夾緊力的影響時一般主要研究材料的應(yīng)力釋放率。

應(yīng)力釋放率是指物質(zhì)被施加一定的壓力而變形，并使其保持一定應(yīng)變時，應(yīng)力隨時間而減少的比率。研究端子懸臂梁模型的應(yīng)力釋放率時，一般是指在指定溫度，經(jīng)過一定時間后，彈性結(jié)構(gòu)偏移量的彈性變形損失量比率。應(yīng)力釋放率公式如下：

一般來說，汽車用連接器端子在100 ℃以下溫度使用時，常用材料黃銅和青銅使用常見結(jié)構(gòu)時，夾緊力均可滿足使用要求。因此，行業(yè)分析的重點是環(huán)境溫度為125 ℃以上時，夾緊力如何滿足電性能的使用要求。

設(shè)定試驗條件：環(huán)境溫度125 ℃，持續(xù)時間3 000 h。端子常用材料黃銅（取H65）、青銅（取QSn6.5-0.1）、鈹銅（取QBe2）的應(yīng)力釋放率測量如圖2所示，測量結(jié)果使用描點法得到圖3所示曲線。

圖2 端子應(yīng)力釋放率示意圖

圖3 端子常用材料應(yīng)力釋放率

試驗分析：一般來說，端子的設(shè)計要求彈性結(jié)構(gòu)經(jīng)過3000 h夾緊力衰減低于30%。由試驗可知，經(jīng)過汽車上使用的高溫區(qū)（125℃）3000 h后，鈹銅可以滿足要求；青銅在滿足裝配性能的前提下，可以通過增大初始夾緊力使夾緊力滿足要求；黃銅不適用于此高溫環(huán)境。由于使用鈹銅的成本較高，因此，研究使用黃銅或青銅材料滿足高溫環(huán)境的使用要求具有重要意義。

1.2 連接器端子夾緊力的常規(guī)改進(jìn)措施

1）在不影響端子所在系統(tǒng)整體裝配性能的前提下，盡可能地增大端子的初始夾緊力，端子的初始夾緊力增大可抵消使用過程中的應(yīng)力損失。

2）端子使用貴金屬材料鍍層。常用的端子鍍層為錫鍍層，端子采用錫鍍層時，滿足電性能要求的夾緊力為4～5 N以上，而端子采用金鍍層時，滿足電性能要求的夾緊力為1～2N以上即可。此種方案由于采用了貴金屬材料鍍層，所以成本會有所上升。

3）使用鈹銅材料可滿足使用要求。由于鈹銅材料價格較高，所以，此方案的成本較高，一般不采用。

2 端子夾緊力控制方案

根據(jù)對連接器端子夾緊力的影響因素分析可知：①端子在低溫下使用時，常用材料及常用端子結(jié)構(gòu)可滿足使用要求。②端子在高溫下使用時，常用材料的應(yīng)力釋放造成的夾緊力衰減，使夾緊力不能滿足電性能使用要求［5］。

由以上分析提出兩種解決高溫下端子夾緊力衰減的設(shè)計方案：彈性結(jié)構(gòu)二次夾緊方案和箱體結(jié)構(gòu)二次夾緊方案。

2.1 彈性結(jié)構(gòu)二次夾緊方案

該方案是根據(jù)對連接器端子的應(yīng)力釋放分析提出的降低應(yīng)力釋放、提供穩(wěn)定夾緊力的方案。該方案可解決高溫下應(yīng)力釋放造成的端子夾緊力衰減問題（該方案已獲專利授權(quán)，專利號：ZL201420203015.3）：由于常用端子材料在高溫環(huán)境下，使用過程中的應(yīng)力衰減造成的夾緊力衰減會導(dǎo)致電性能降低，考慮將端子上提供夾緊力的彈性結(jié)構(gòu)部位增加廉價材料（保證應(yīng)力釋放率低而不需要高導(dǎo)電性能）構(gòu)成的二次夾緊彈性結(jié)構(gòu)，從而保證端子在高溫環(huán)境下使用時提供穩(wěn)定的夾緊力。

如圖4所示，該方案的第一彈性結(jié)構(gòu)與常規(guī)方案的彈性結(jié)構(gòu)具有相同的工作原理——通過母端子的彈性結(jié)構(gòu)夾緊公端子頭部，使電路導(dǎo)通，彈性結(jié)構(gòu)由母端子在沖壓成型過程中同時成型，與母端子的材料一致，一般為銅合金材料。該方案增加了第二彈性結(jié)構(gòu)，附著在母端子主體外部，材料為不銹鋼，對第一彈性結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次夾緊。總體夾緊力由第二彈性結(jié)構(gòu)決定（圖4）。不銹鋼材料可在高達(dá)200℃的環(huán)境溫度作用下保證夾緊力穩(wěn)定，解決了高溫作用下端子夾緊力衰減的問題，且不銹鋼材料的價格低于銅合金。

2.2 箱體結(jié)構(gòu)二次夾緊方案

采用彈性結(jié)構(gòu)二次夾緊方案可有效解決高溫環(huán)境下端子夾緊力衰減問題，但由于沖壓回彈現(xiàn)象對二次夾緊結(jié)構(gòu)精度的影響，往往使夾緊力達(dá)不到設(shè)計要求的數(shù)值。一般的解決辦法是利用尺寸補償法解決此問題，但當(dāng)產(chǎn)品規(guī)格較小時，尺寸補償法無法達(dá)到預(yù)期效果。

圖4 彈性結(jié)構(gòu)二次夾緊方案

針對端子規(guī)格較?。ㄐ∮?.8）的情況，提出箱體在線激光焊接二次夾緊方案（該方案已獲專利授權(quán)，專利號：ZL201621287677.9）：如圖5所示，該方案由內(nèi)外兩層材料組成，內(nèi)層材料為導(dǎo)電性能良好的銅合金，由內(nèi)層箱體結(jié)構(gòu)、彈性結(jié)構(gòu)夾緊部、彈性結(jié)構(gòu)支撐部組成；外層材料為應(yīng)力釋放性能良好的不銹鋼，通過沖壓方法形成外層箱體結(jié)構(gòu)包裹在內(nèi)層箱體結(jié)構(gòu)和內(nèi)層彈性結(jié)構(gòu)的四周。內(nèi)層彈性結(jié)構(gòu)由連接在內(nèi)層箱體上的2對彈片形成的彈性結(jié)構(gòu)夾緊部和彈性結(jié)構(gòu)支撐部組成。彈性結(jié)構(gòu)夾緊部的作用相當(dāng)于常規(guī)方案的彈性結(jié)構(gòu)，用于夾緊公端子頭部，實現(xiàn)電路導(dǎo)通。外層箱體結(jié)構(gòu)通過作用于彈性結(jié)構(gòu)支撐部完成對彈性結(jié)構(gòu)夾緊部的二次夾緊。外層箱體結(jié)構(gòu)的沖壓接口部位設(shè)置有激光焊接點，使此種方案可使外層箱體結(jié)構(gòu)通過在線激光焊接的方法解決沖壓回彈問題。

圖5 箱體結(jié)構(gòu)二次夾緊方案

3 優(yōu)缺點分析

3.1 彈性結(jié)構(gòu)二次夾緊方案

該方案采用不銹鋼材料彈性結(jié)構(gòu)對端子的夾緊結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次夾緊，解決了端子應(yīng)用于高溫環(huán)境時的應(yīng)力釋放導(dǎo)致的夾緊力衰減問題，提高了高溫環(huán)境下的端子可靠性。該方案的優(yōu)點是端子結(jié)構(gòu)簡單、不需要采取特殊工藝（如在線焊接等）、不需要對端子使用貴金屬鍍層等，因此成本低、產(chǎn)品制造方法簡單。由于二次夾緊為彈性結(jié)構(gòu)，當(dāng)端子規(guī)格較小時，尺寸補償法無法解決沖壓回彈問題，會影響端子二次夾緊結(jié)構(gòu)的精度，因此，該方案的缺點是不能適用于所有規(guī)格的端子，一般適用于端子規(guī)格大于2.8的情況。

3.2 箱體結(jié)構(gòu)二次夾緊方案

該方案采用不銹鋼材料箱體結(jié)構(gòu)對端子的夾緊結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次夾緊并采用在線激光焊接方法解決二次夾緊結(jié)構(gòu)的沖壓回彈問題，不僅解決了端子應(yīng)用于高溫環(huán)境時的應(yīng)力釋放導(dǎo)致的夾緊力衰減問題，提高了高溫環(huán)境下的端子可靠性，而且，在線激光焊接使端子二次夾緊結(jié)構(gòu)的精度大大提高。理論上該方案可適用于所有的情況，但由于在線激光焊接造成的工藝難度增加，一般考慮應(yīng)用在端子規(guī)格小于2.8 的情況。

4 結(jié)束語

運用懸臂梁模型分析了連接器端子夾緊力的影響因素：①端子結(jié)構(gòu)的影響，主要是母端子懸臂梁結(jié)構(gòu)對夾緊力的影響，包括懸臂的長度、寬度、厚度、偏移量等；②端子材料的影響，主要是材料的彈性模量和高溫下的應(yīng)力釋放率。提出兩種解決高溫使用時端子應(yīng)力釋放造成的夾緊力衰減問題的方案：彈性結(jié)構(gòu)二次夾緊方案適用于端子規(guī)格大于2.8的情況；箱體結(jié)構(gòu)二次夾緊方案適用于端子規(guī)格小于2.8的情況。兩種方案均可解決端子應(yīng)用于高溫環(huán)境時的應(yīng)力釋放導(dǎo)致的夾緊力衰減問題，提高了高溫環(huán)境下的端子可靠性，且不需要采用對端子使用貴金屬鍍層等方法，因此成本低、制造方法簡單。