車用方形連接器插拔力分析

祁建德 陳微微 唐 穎 夏 凱

（1．上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007；2．武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，汽車電子電氣系統(tǒng)日益豐富，汽車電連接器的數(shù)量也在不斷增多。汽車電連接器作為汽車電子電氣系統(tǒng)中傳遞信號(hào)和傳輸電流的基礎(chǔ)元器件，其性能的好壞直接影響了整車性能。其中插拔力是影響汽車電連接器的重要參數(shù)。插拔力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致電連接器不易插拔，甚至?xí)斐蓢?yán)重的塑性變形，同時(shí)也不利于裝配。插拔力過(guò)小則會(huì)導(dǎo)致接插件容易松脫。因此，選擇合適的插拔力對(duì)汽車電子電氣系統(tǒng)至關(guān)重要。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要通過(guò)理論推導(dǎo)和有限元軟件對(duì)連接器插拔力進(jìn)行分析。丁元淇[1]等用有限元軟件對(duì)喇叭端子進(jìn)行插拔仿真模擬，得到了端子的最大插拔力，并且指出有限元軟件可為車用連接器的設(shè)計(jì)研究提供依據(jù)；蔡川[2]等對(duì)手機(jī)雙 Nano+T 多合一卡連接器鐵殼彈片進(jìn)行了插拔過(guò)程的有限元分析，得到了插拔力、保持力、疲乏等參數(shù)，驗(yàn)證了鐵殼彈片設(shè)計(jì)的可行性；劉家華[3]等建立了雷達(dá)裝備中的VPX 高速背板連接器的簡(jiǎn)單力學(xué)模型，并進(jìn)行了連接器插拔過(guò)程的仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到了水平偏差和垂直偏差對(duì)插拔力和接觸電阻的影響關(guān)系；藺欣欣[4]等針對(duì)SMA 型連接器圓柱形插針插孔，建立了基于懸臂梁及考慮空心軸結(jié)構(gòu)的插拔力理論模型，并且通過(guò)仿真，得到了包括接觸件倒角尺寸大小等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)插拔力的影響情況。

1 車用方形電連接器力學(xué)理論分析

1.1 經(jīng)典接觸理論

在工程中有很多的接觸問(wèn)題，例如變速箱齒輪副之間的接觸、控制臂與輪轂支架偏心螺栓螺母連接的接觸、汽車電器插頭插針與線束插座插孔之間的接觸。這些實(shí)現(xiàn)汽車重要功能的接觸在接觸過(guò)程中往往從簡(jiǎn)單的點(diǎn)接觸、線接觸到復(fù)雜的面接觸。為了求解這些汽車零部件在接觸過(guò)程中的受力是否滿足使用要求，往往需要使用經(jīng)典接觸力學(xué)中的積分求解方法，也稱之為解析法，其方法依據(jù)是赫茲接觸理論[5]。赫茲接觸理論指出物體相互接觸時(shí)，接觸面中會(huì)出現(xiàn)橢圓形狀的接觸區(qū)域，在一定假設(shè)下，可以用二次曲面方程來(lái)表示接觸區(qū)域，接觸區(qū)域的橢圓a半軸和b半軸的計(jì)算公式如公式（1）～公式（4）所示[6]。

式中：R1、R1'為兩接觸物體中的其中一個(gè)在接觸區(qū)域附近位置的主曲率半徑，R2、R2'為兩接觸物體中的另一個(gè)在接觸區(qū)域附近位置的主曲率半徑，Φ為R1，R2所在的法平面間的夾角，α、β為與A、B相關(guān)的系數(shù)，P為接觸壓力，μ1、μ2為兩接觸物體材料的泊松比，E1、E2為兩接觸物體材料的彈性模量。

1.2 車用方形電連接器受力模型建立

車用電連接器種類繁多，根據(jù)外形的不同可以分為圓形電連接器和方形電連接器，其中方形電連接器結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，用量較多；根據(jù)功能的不同可以分為防水件和非防水件，在乘客艙、行李艙等干燥區(qū)域選擇非防水件，其他無(wú)底板保護(hù)或者暴露區(qū)域等選擇防水件。電連接器端子從外形上可分為圓形端子和片型端子，根據(jù)用途的不同可以分為插頭端子（插入端）和插座端子（被插入端）。其片型結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值見表1。

表1 接觸件主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

在電連接器公母端連接時(shí)，是通過(guò)接觸件公端插入接觸件母端中與之接觸，從而使整個(gè)回路接通。插入過(guò)程中，接觸件公端在插入力的作用下與接觸件母端接觸，母端彈片會(huì)受到擠壓，與公端子之間產(chǎn)生支持力和摩擦力，從而壓緊公端子，使其不易松脫，其受力如圖2 所示。

由受力平衡可知，插入力與支持力、摩擦力的關(guān)系為：

式中：FC為插入力，F(xiàn)N為母端彈片對(duì)公端的支持力，f為摩擦力，其數(shù)值大小等于母端彈片對(duì)公端的支持力與摩擦系數(shù)的乘積。θ為插入過(guò)程中的母端彈片與水平方向的夾角（θ0為未插入時(shí)，母端彈片與水平方向的夾角，可根據(jù)接觸件結(jié)構(gòu)尺寸確定），其與插入深度A以及接觸件結(jié)構(gòu)有關(guān)，其關(guān)系表達(dá)式為：

因此，要得到公端子插入力的大小，還需得知FN的大小。FN為母端彈片對(duì)公端的支持力，也是公端對(duì)母端彈片的壓力，與母端的變形量有關(guān)。將母端彈片簡(jiǎn)化為懸臂梁結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。

圖1 片型接觸件結(jié)構(gòu)圖

圖2 公端子擠壓母端彈片受力分析圖

由彈性力學(xué)可知，壓力F 與撓度y 之間的關(guān)系為：

式中：E 為材料的彈性模量，為113 000 N/mm2；I 為母端彈片的截面慣性矩；c 為接觸件公端剛接觸母端時(shí)，接觸點(diǎn)到固定端的長(zhǎng)度；l 為母端彈片片長(zhǎng)，其表達(dá)式如公式（8）所示；y 是撓度，與插入深度以及接觸件的結(jié)構(gòu)有關(guān)，其與θ 的函數(shù)關(guān)系表達(dá)式如公式（9）所示。

由公式（5）～公式（9）可知，當(dāng)端子結(jié)構(gòu)確定時(shí)，端子插入力與插入深度存在一定的函數(shù)關(guān)系，并且當(dāng)接觸件公端插入母端彈片最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的深度時(shí)，插入力最大。將所有參數(shù)帶入可得，最大插入力Fcmax為3.65 N。

2 車用方形電連接器插拔力有限元分析

2.1 電連接器插拔有限元分析

電連接器公母端插拔是典型的接觸問(wèn)題。接觸問(wèn)題在物理學(xué)上主要遵循以下3 條特征：不同物體的表面不相互滲透；不同物體之間可以進(jìn)行法向壓力和切向摩擦力的傳遞；不同物體之間通常不傳遞法向拉伸力，即可以自由分離和互相移動(dòng)[7]。

接觸問(wèn)題是一種非線性問(wèn)題，在有限元軟件中通常需要長(zhǎng)時(shí)間的計(jì)算，并容易出現(xiàn)不收斂的情況。為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間成本和易于模型收斂，可通過(guò)簡(jiǎn)化模型不重要或不分析的部分、加密網(wǎng)格、增加過(guò)渡分析步以及細(xì)化增量步等操作實(shí)現(xiàn)。在ABAQUS 有限元軟件中的隱式求解器ABAQUS/Standard 和顯示求解器ABAQUS/Explicit，選擇隱式求解器以保證模型仿真分析精度。

2.2 接觸件有限元模型建立

圖3 母端彈片簡(jiǎn)化懸臂梁模型圖

對(duì)電連接器進(jìn)行插拔力的有限元分析，主要是對(duì)接觸件的受力分析，需要對(duì)片型公母端子進(jìn)行建模。為了節(jié)省計(jì)算成本，在保證不影響計(jì)算精度的情況下，只對(duì)接觸件前半部分進(jìn)行建模，而忽略壓接線徑部分。建立模型后，給公母端子設(shè)置密度ρ=8.9×10-9t/mm3，彈性模量E=113 000 N/mm2，泊松比等材料屬性，并對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在插拔過(guò)程中，主要是公端子與母端彈片的接觸，因此對(duì)公端子以及母端彈片進(jìn)行密網(wǎng)格劃分，其余部分進(jìn)行疏網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格模型如圖4 所示。

在連接器插拔過(guò)程中，還需要進(jìn)行接觸屬性的設(shè)置。接觸屬性分為描述接觸面之間摩擦方法的切向?qū)傩院兔枋鼋佑|壓力與接觸面穿透關(guān)系的法向?qū)傩詢刹糠諿8]。在切向?qū)傩陨?，設(shè)置“罰”函數(shù)模型，選擇接觸件相應(yīng)材料的摩擦系數(shù)來(lái)表征接觸面摩擦屬性。在法向?qū)傩陨?，設(shè)置接觸件公端與母端空腔上表面的接觸為“硬接觸”，表示兩接觸面之間無(wú)法滲透；設(shè)置接觸件公端下表面與母端彈片上表面的接觸為“軟接觸”，并且將接觸件公端下表面設(shè)置為主表面，母端彈片上表面設(shè)置為從表面，更好地表達(dá)了兩接觸面之間的應(yīng)力變化。最終為了模擬插拔過(guò)程，給公端子設(shè)置橫向位移的邊界條件來(lái)代替插拔力。

圖4 網(wǎng)格模型

2.3 有限元結(jié)果分析

接觸件公端插入母端分為未接觸、彈片下壓以及平穩(wěn)接觸3 個(gè)階段。在插入深度小于2.74 mm 時(shí)，接觸件公端和母端彈片并未接觸，母端彈片受到的正壓力和公端所受到的水平方向應(yīng)力顯示為0。在插入深度大于2.74 mm，小于3.4 mm 時(shí)，接觸件公端不斷下壓母端彈片，母端彈片受到的正壓力和公端所受到的水平方向應(yīng)力不斷增加，在接觸件公端插入母端彈片最高點(diǎn)附近時(shí)，插入力在公端子與母端彈片接觸的底面達(dá)到最大值3.452 N，其等效應(yīng)力云圖如圖5 所示。在插入深度大于3.4 mm 時(shí)，接觸件公端和母端彈片平穩(wěn)接觸，母端彈片受到的正壓力和公端所受到的水平方向應(yīng)力基本不發(fā)生變化。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

車用電連接器插拔力實(shí)驗(yàn)按照QC/T 1067.1—2017《汽車電線束和電氣設(shè)備用連接器第1 部分》中4.11 插拔力實(shí)驗(yàn)要求。用夾具固定護(hù)套后，用力測(cè)試儀在距絕緣支撐20 mm 處夾持導(dǎo)線，以50 mm/min 的均勻速度把端子直線插入護(hù)套中，記錄端子在未到達(dá)預(yù)期的停止位置前插入護(hù)套所需的峰值力，即為插入力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論值以及仿真結(jié)果接近，誤差為4.52%和9.70%，存在誤差可能是因?yàn)楹雎粤四付藦椘膹澱鄣冉Y(jié)構(gòu)。

表2 插拔力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

圖5 接觸件公端插入力應(yīng)力云圖

該文對(duì)車用電連接器某片型接觸件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，建立了其插入力與插入深度的力學(xué)模型，得到了其插入力與插入深度和結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。建立了電連接器片型接觸件的有限元模型，利用橫向位移模擬插入過(guò)程，得到了接觸件所受應(yīng)力最大處，以及所需最大插入力大小。將插拔力實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論值以及仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析可知，理論值、仿真結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果都有一定的誤差，但誤差較小，可以驗(yàn)證理論模型與仿真模型的準(zhǔn)確性。