基于汽車電器開關一體式集成連接器的應用研究

張立新，肖 丹，黃慶達，郭慶鐵，嚴勝義

（溫州長江汽車電子有限公司，浙江 溫州 325000）

汽車電子技術日新月異，而在汽車整車內部有數萬個零部件，其中數百個電路連接器肩負著電路訊號的輸入和輸出，在電路的功能實現中起到關鍵的作用。

這些連接器讓整車的制造變得簡便，能讓各零部件供應商分工明確，同步開發(fā)，為整車的研發(fā)縮短了時間等成本，也能為車輛的診斷與維修帶來便捷。汽車的故障診斷，可以通過OBD接口（連接器之一）連接汽車電腦，查詢汽車故障所在。而汽車電器零部件因為壽命到期或者損壞等因素不可避免，一旦損壞需要更換，只用拔出連接器更換新的零部件即可。本文介紹了汽車連接器的分類、應用形式、標準要求，以一體集成化連接器為研究對象，從設計、試驗到應用等環(huán)節(jié)與原廠連接器對比驗證。驗證結果表明一體集成化的設計方案具有很靈活的應用形式、更低的生產成本、更高的生產效率、更廣闊的應用前景和實用價值。

1 汽車連接器的組成、分類及應用

1.1 汽車連接器的組成

汽車連接器同其它連接器相同，由端子、護套及其它附件組成可實現電氣連接的組合件。

1）端子：端子實現電性能的導通，從而實現信號的傳遞，是整個元器件的核心部分，端子可分為公端子與母端子，兩者均為金屬材料。

2）護套：主要采用絕緣性的塑料材料制成。一方面固定端子，為公端子與母端子接觸提供良好的環(huán)境；另一方面固定連接器，實現較好的連接強度。

3）其它附件：以實現其它特定需求，例如：防水連接器，則需增加橡膠密封件來實現防水性能；通信類連接器，需增加屏蔽環(huán)以防止音頻視頻信號在傳輸過程中的損失；安全氣囊連接器中需增加電磁環(huán)降低外界錯誤的微弱電信號無端引爆安全氣囊；還有安裝定位用的，如二次鎖、安裝扣等。

1.2 汽車連接器的分類

汽車連接器雖然實現的作用都相同，但在類型、結構形式、功能上卻有不同的分類形式。按類型分類，可以將汽車連接器分為公端和母端，防水連接器和不防水連接器；以連接的對象不同，按結構形式分類，可將汽車連接器分為線對線連接、線對板連接、板對板連接等；按連接器所連接的電器功能不同，可將汽車連接器分為傳統(tǒng)連接器、專業(yè)連接器。

1.3 傳統(tǒng)連接器在汽車電器開關上的應用

汽車電器開關信號的傳達，以整車線束及連接器為樞紐，如同人的神經系統(tǒng)，將信號進行傳遞。

一般汽車電器開關所使用的連接器，既有使用公端，也有使用母端的。其中以使用公端，且公端焊接于PCB板端的為絕大多數，以使用帶線束的公端或母端為少數。而PCB板端的則絕大多數以一體化集成為主，原型件為輔。

原型件，即連接器原廠或結構完全類同原廠的零件；一體化集成，即連接器的護套部分開發(fā)集成于電器開關上，電器制造商再重新另行開發(fā)設計金屬端子零件（插針/插片總成）。

2 汽車連接器執(zhí)行的標準要求

汽車連接器作為汽車上的零部件，有專項的標準要求。以汽車電器開關存在時，有汽車電器產品的標準要求；以線束端存在時，有線束端的標準。因此，產品需同時符合兩套標準要求，此兩套行業(yè)標準有相關參數定義，各OEM同時也有相關參數定義。各OEM間標準雖然不同，但實質的要求基本一致，現將行業(yè)標準及通用汽車標準中較關鍵的電性能要求（表1）、機械性能要求（表2）、環(huán)境性能要求（表3、圖1）等三方面作歸納總結［1］，其中表格中凡是涉及的尺寸均指端子的規(guī)格尺寸。

圖1 溫度/濕度循環(huán)

表1 電性能要求

表2 機械性能要求

表3 環(huán)境性能要求

3 連接器回流焊工藝的介紹及要求

連接器作為汽車電器產品的一部分，需要通過焊接技術焊接在電器產品上。隨著現代工業(yè)化的進步，焊接技術也早已更新?lián)Q代，目前連接器的焊接生產主要以回流焊工藝為主，其它波峰焊、機器人輔助焊接為輔。

回流焊設備的內部有一個加熱電路，將空氣或氮氣加熱到足夠高的溫度后吹向已經貼好元件的線路板，讓元件兩側的焊料融化后與主板粘結。回流焊的優(yōu)勢是溫度易于控制，焊接過程中還能避免氧化，制造成本也更容易控制，且相對于傳統(tǒng)的采用手工將元器件插在線路板上，回流焊有明顯高效、高焊接品質的特點。

回流焊主要可以分為兩類：SMT貼片，指Surface Mounted Technology，與PCB通過焊盤焊接；THR通孔焊，指Through hole reflow，與PCB通過金屬化孔焊接。

回流焊對連接器的耐高溫提出了較高的要求（圖2），需要連接器在回流焊260℃高溫10s后，無明顯變色氧化現象；同時對于連接器的包裝有標準化的要求（圖3），能自動取料，提高生產效率。

圖2 回流焊過程溫度/時間圖

圖3 回流焊元件包裝圖示

4 一體式集成連接器的設計開發(fā)

一體化集成，即連接器的護套部分，在現有原型件的基礎上，根據產品綜合需求，開發(fā)集成于電器開關上，電器制造商再重新另行開發(fā)設計金屬端子零件（插針/插針總成）。

4.1 連接器的拆解

整體方案確定后細化設計連接器的各功能部分，將原型連接器進行拆解，原塑料部分一體化集成至電器殼體中，原插針部分（金屬端子）拆解至插針中各自有效地分解成兩部分，并確認殼體塑料相關性能可符合連接器的相關性能要求。如圖4所示。

圖4 品牌連接器的原型拆解后一體化集成后零件

4.2 底座（護套）掛扣強度的校核

由于一體化集成后護套部分的材料按電器殼體的材料，一般選用PC/ABS。護套主要作用為定位與鎖定兩連接器，并保證一定的連接力。因此，護套鎖扣的強度將是護套的關鍵性能特性。

本文在原型連接器基礎上調整局部壁厚和結構優(yōu)化，針對3種不同方案的掛扣保持力強度作CAE分析［2-3］。3種不同方案結構如圖5所示，對應的拔出力曲線如圖6所示，掛扣拔出力強度見表4。

圖5 3種不同方案結構示意圖

圖6 3種方案對應的拔出力曲線

表4 3種不同方案下的掛扣拔出力強度

通過CAE分析可知，方案3掛扣拔出力125N＞110N風險較低，可采納，詳見表4。

4.3 回流焊插針的設計

4.3.1 塑料材料的選擇

由于回流焊高溫260℃的要求，以及連接器絕緣性及法律法規(guī)中阻燃性的要求，塑料材料選取杜邦生產的高性能聚酰胺樹脂PPA-GF30，熔融溫度達到310℃，滿足回流焊溫度的要求。

4.3.2 金屬材料的選擇及性能核算

材料的選擇一般與插接器Pin針的截面尺寸（強度）、所承受的負載有關，金屬材料的選用除客戶對材料的特殊要求外，參考USCAR-EWCAP發(fā)布的材料性能要求［4］，選用銅合金H70，電阻率ρ為0.062×10-6Ω·m（20℃）。

1）電導率的校核

依公式電導率（%IACS）=0.017241/ρ×100%，H70的電導率=0.17241÷0.062×100%=28%IACS。計算結果28%IACS與US CAR-EWCAP要求中的≥28%IACS相符［4］，因此材料選型電性能要求可行。

2）接觸電阻的校核計算公式：

式中：ρ——導體材料的電阻率，Ω·mm2/m；L——：導體的長度，m；S——導體的橫截面積，mm2。電阻率ρ轉換單位：0.062×10-6Ω·m=0.062Ω·mm2/m。

于是，R=0.062×11×10-3÷（0.64×0.64）=0.279×10-3Ω≈0.3mΩ，滿足R＜5mΩ的標準要求。

綜上兩項，插針材料的選擇符合電性能要求。

3）材料狀態(tài)的確定［5］

根據綜合力學性能要求及GB/T 21652-2017查詢定狀態(tài)為H02，插針材料選用H70H02。

4.3.3 金屬Pin針常用的電鍍工藝

鍍錫是Pin針最常用的電鍍種類，可焊性高、信賴性高，相比鍍金或者鍍銀，價格低廉，行業(yè)常確定鍍錫3～5μm，鎳底：1～2μm為標準。

4.3.4 回流焊THR插針結構的設計

1）重心相對定位面居中，插件放置于PCB上及傳輸過程中不會有傾倒。

2）淺藍色定位面需布于4角（圖7），以便讓出更多空間便于回流焊過爐時熱量的傳遞，利于錫膏的融化、提高焊接品質。

圖7 THR插針結構示意

3）塑料塊定位寬度W為5mm，高度H按2.5mm設計，插針露出PCB高度為1mm。

4.4 試驗驗證及結果

連接器作為電器產品與整車溝通的橋梁，在產品的開發(fā)過程中，需要進行嚴格的試驗驗證。針對連接器的標準要求（表5），展開相關性能試驗驗證。

表5 一體化集成連接器進行的專項試驗驗證及結果

4.5 成本對比分析

以此項目中原廠件型號為例，從生產過程成本、生產效率，經多款連接器橫向對比，采用一體式接插件設計能較高地提高生產效率，節(jié)約生產成本。具體見表6、表7。

表6 原廠件與一體化集成連接器焊接生產成本對比 元

表7 原廠件與一體化集成連接器焊接效率對比

5 結論

本文以某車型上一開關產品為切入點，驗證了THR回流焊插針從設計開發(fā)到試驗驗證的過程，各項性能均符合客戶要求，且所開發(fā)的THR插針已作為平臺化產品，運用于其它車型的多個產品，未出現生產制造、售后品質等抱怨問題，也驗證了此設計方法、理念的可靠。

隨著人們對速度及能耗的需求，整車輕量化設計逐漸被提上日程，汽車連接器作為整車的一部分，也需要輕量化設計，材料的選型上需成本更加低廉、性能更優(yōu)、密度更小、承載能力（部分電器產品需要承受大電流，因此現有傳統(tǒng)產品，插針/插片根據負載大小選型）更強的原材料。