圓柱式開槽接觸件技術(shù)研究

匡秀娟，郭振躍

(上海航天科工電器研究院有限公司，上海，200331)

1 前言

電連接器廣泛應(yīng)用于軍用領(lǐng)域和民用領(lǐng)域，其可靠性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行起著關(guān)鍵的作用。在飛機(jī)、導(dǎo)彈、艦艇等武器裝備系統(tǒng)中，軍用電連接器是用量最多的電子元器件之一，而電連接器失效率在軍用電子元器件中最高，約占總數(shù)的40%～50%[1]。接觸件作為電連接器的核心部件，對(duì)電連接器的可靠性起著決定性作用。

一般電連接器接觸件包括陽極接觸件和陰極接觸件兩個(gè)部分，通過陽、陰極接觸件的插合來實(shí)現(xiàn)連接器的連接功能。通常陽極接觸件位剛性件，陰極接觸件位彈性件，接觸件表面一般通過鍍層處理，以提高接觸件表面質(zhì)量，一般為鍍金層。陽極接觸件以圓柱形插針最為常見，剛性插針一般由黃銅、鈹青銅或者磷青銅加工制成。陰極接觸件又稱為插孔，通常設(shè)計(jì)為彈性件，彈性插孔要求具有良好的彈性性能及機(jī)械強(qiáng)度，一般選用鈹青銅、磷青銅或者錫青銅。插針與插孔插合連接時(shí)，依靠插孔的彈性結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的彈性變形來提供兩接觸件間的接觸力，形成緊密的可靠接觸，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)和能量的可靠傳輸。

相較于其它形式的接觸件，圓柱式開槽接觸件有如下特點(diǎn)，如表1所示。

表1 不同形式接觸件特點(diǎn)

接觸件接觸性能的好壞與接觸對(duì)間的接觸電阻大小有關(guān)，一般要求接觸電阻越小越好，這樣可以減小接觸電阻造成的功率損耗，減小接觸功率的同時(shí)也降低了接觸件的溫升。但是，越小的接觸電阻，則要求更大的接觸壓力，產(chǎn)生的插拔力也越大，造成接觸件插入困難，接觸件的磨損也隨之加劇，降低產(chǎn)品的插拔壽命。另一方面，拔出力不能太小，因?yàn)檫^小的拔出力會(huì)導(dǎo)致接觸對(duì)接觸不可靠，且較小的拔出力意味著較小的正向力，較小的正向力在各種環(huán)境應(yīng)力的作用下可能使接觸對(duì)發(fā)生瞬斷，從而導(dǎo)致連接器接觸失效。

本文經(jīng)過ANSYS有限元軟件分析得出接觸件插拔力，計(jì)算出接觸部位電阻，通過計(jì)算的接觸電阻應(yīng)用于有限元溫升分析，可得到接觸件在工作環(huán)境的溫升。該方法可用于接觸件的正向設(shè)計(jì)，對(duì)于縮短設(shè)計(jì)周期和降低設(shè)計(jì)成本有很大作用。

2 接觸件插拔力仿真分析

2.1 開槽插孔分離力公式推導(dǎo)

以兩開槽插孔為例，對(duì)開槽插孔的分離力進(jìn)行推導(dǎo)。插孔模型如圖1所示，為了便于使用極坐標(biāo)進(jìn)行積分計(jì)算，將原本水平的開槽變化為如圖所示的向心式開槽，通過理論推導(dǎo)該簡(jiǎn)化導(dǎo)致的結(jié)果誤差在5%以內(nèi)，可以接受。整個(gè)推導(dǎo)過程基于懸臂梁理論[2]。

圖1 插孔單邊橫截面圖和懸臂梁模型參數(shù)

對(duì)于圖1右邊的懸臂梁模型，L是插孔的開槽長度，fA是插孔臂的撓度，也就是縮口后插針插入時(shí)把插孔臂撐開的距離，P就是單邊插孔的正壓力。設(shè)插孔彈性模量為E，整個(gè)插孔臂的慣性矩為J。有

(1)

在摩擦系數(shù)已知的情況下，正壓力P是求取分離力的唯一變量，而該式右邊需要推導(dǎo)的就是慣性矩J，其余均為已知。

J是單邊插孔臂截面相對(duì)于其質(zhì)心的慣性矩，如圖1，直接推導(dǎo)J比較困難，而該截面相對(duì)于中心軸x1的慣性矩JX1比較容易推導(dǎo)，這兩個(gè)慣性矩之間存在關(guān)系

(2)

式(2)中A是截面的面積，yS是截面質(zhì)心到x1軸的距離。

如圖1，選取其中的一小塊，該小塊距離圓心距離為X，對(duì)應(yīng)圓心角為dθ，徑向長度為dx。

由于該截面關(guān)于Y軸對(duì)稱，因此總的慣性矩是Y軸右邊部分慣性矩的兩倍。則該截面關(guān)于x1軸的慣性矩為

(3)

依然按圖1，有

(4)

由式(2)、(3)、(4)可以得出

(5)

由式(1)、(5)可以得出單邊正壓力

(6)

而分離力F=2μp，所以

(7)

式7中μ是摩擦系數(shù)，沒有潤滑情況一般為0.15～0.2，有潤滑則取0.1，E是材料的楊氏模量，α取弧度進(jìn)行計(jì)算，其余參數(shù)見前面說明。

2.2 插拔力仿真分析

以60A大電流圓柱式四開槽接觸件為研究對(duì)象，圖2所示，仿真接觸件的插拔力大小。模型右端為剛性插針，材料為黃銅HPb59-1 Y。模型左端為彈性插孔，材料為錫青銅QSn4-3 Y。接觸件表面鍍金。

圖2 圓柱式四開槽接觸件

材料參數(shù)設(shè)置為雙線性彈塑性模型，如圖3所示，具體參數(shù)如表2。

圖3 材料特性曲線

表2 材料參數(shù)設(shè)置

本例中采用靜態(tài)結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行分析，邊界條件設(shè)置如圖4，固定插孔底部，圖中A所示。在開槽根部施加向中心位移，模擬縮口過程，圖中B所示。給插針底部施加軸向位移模擬插拔過程，圖中C所示。

圖4 邊界條件設(shè)置

整個(gè)過程分為四個(gè)載荷步。0-1S為收口過程，1-2S撤去工裝過程，撤去工裝后保證收口量為0.3mm，2-3S為插針插入過程，3-4S為插針拔出過程。插針與插孔接觸部位、工裝與插孔接觸部位均設(shè)置為摩擦約束，定義剛性插針表面為目標(biāo)面，彈性插孔表面為接觸面，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.2。對(duì)于摩擦接觸的求解算法，通常選用增廣拉格朗日算法，其中法向剛度因子設(shè)置為0.1，以避免因迭代次數(shù)過多造成計(jì)算結(jié)果不收斂等問題[3]。剛度更新選擇每一個(gè)迭代步。

該模型，通過仿真分析得出，2S末單瓣縮口量分布如圖5，縮口量約為0.3mm。此時(shí)，工裝向插孔中心位移量為7.1E-5m。

圖5 插孔收縮0.3模型縮口量

縮口到位后插拔力曲線如圖6所示，插入力約為18.8N，拔出力約為13.6N。

圖6 插拔力曲線

3 接觸件溫升仿真分析

3.1 接觸電阻

電連接器最重要的指標(biāo)是接觸電阻，一般要求接觸電阻越小越好，這樣可減少接觸電阻造成的功率損耗。接觸電阻為收縮電阻、膜層電阻和體積電阻之和[4]。接觸壓力加大，接觸電阻減小，但永遠(yuǎn)不會(huì)為0。為了保證接觸的可靠性，必須從接觸件的材料、接觸部位的形狀、接觸壓力以及接觸面是否潤滑等因素來考慮。壓力大，插拔時(shí)的摩擦大，磨損就大，插拔壽命就低。壓力小，由于應(yīng)力松弛等因素，可能形成接觸不良。

一般采用接觸電阻通用公式進(jìn)行計(jì)算：

(8)

ρ為材料電阻系數(shù)，H為硬度，F(xiàn)為正壓力，未考慮鍍層影響。

3.2 溫升仿真分析

以上述60A大電流圓柱式四開槽接觸件為研究對(duì)象，圖7所示，仿真接觸件的溫升。剛性插針材料為黃銅HPb59-1 Y。彈性插孔材料為錫青銅QSn4-3 Y。導(dǎo)線材料為紫銅T2。導(dǎo)線外面有橡膠包圍。導(dǎo)線直徑與長度按實(shí)際情況，導(dǎo)線截面積為10mm2,長度大于67cm，橡膠直徑為6.7mm。

圖7 圓柱式四開槽接觸件

材料參數(shù)設(shè)置如表3。

表3 材料參數(shù)設(shè)置

本次仿真模型中，根據(jù)接觸件插拔力仿真結(jié)果計(jì)算接觸件的接觸電阻，接觸電阻計(jì)算按公式(8)。

插孔材料為錫青銅QSn4-3，ρ1=0.091μΩ·m，電阻率插針材料為鉛黃銅HPb59-1，ρ2=0.071μΩ·m，硬度H]8.5×108N/m2。正壓力F總=拔出力/摩擦系數(shù)=13.6N/0.2=68N，由于接觸件為四開槽，因此每瓣的正壓力為F=68N/4=17N。得到每瓣的接觸電阻為0.51 mΩ，接觸電阻RC=0.258 mΩ/4=0.13 mΩ，接觸功率P=I2RC=0.468W。

采用熱電耦合模塊進(jìn)行溫升分析，邊界條件設(shè)置如圖8所示。給所有外表面加對(duì)流輻射邊界，圖中A、B所示。給導(dǎo)線一端加0電位，另一端施加60A電流載荷，圖中C、D所示。給接觸部位按照接觸功率大小施加功率載荷，圖中E所示。給導(dǎo)線兩個(gè)遠(yuǎn)端施加環(huán)境溫度邊界，圖中F所示。環(huán)境溫度為25℃。

圖8 邊界條件設(shè)置

在本次溫升仿真分析中，得出：在環(huán)境溫度為25℃條件下，整體溫度分布如圖9所示，最高溫度為44.9℃，最高溫度分布在插針和插孔對(duì)接位置處，最大溫升約為22.9℃，溫升低于30℃，符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖9 溫升分布圖

通過仿真分析得出，接觸件兩端電壓分布如圖10所示，因此體電阻為Rb=(0.062962V-0.055504V)/60A=0.12mΩ。

圖10 接觸件兩端電壓分布

4 試驗(yàn)測(cè)試

在試驗(yàn)室對(duì)該樣品進(jìn)行接觸電阻和溫升的測(cè)試，如圖11所示。

圖11 接觸電阻和溫升測(cè)試

用接觸電阻測(cè)試儀(LRT-20A可調(diào)電流)測(cè)得接觸件兩端接觸電阻為0.22～0.26mΩ。仿真得出接觸電阻為R=RC+Rb=0.13mΩ+0.12mΩ=0.25mΩ，實(shí)測(cè)與仿真一致。

實(shí)測(cè)得到接觸件在25℃環(huán)境溫度下，接觸件溫升為19.9℃，與仿真22.9℃溫升相差3℃，在可接受范圍內(nèi)。仿真溫度偏高的原因是：仿真是在理想懸空狀態(tài)下的溫升，實(shí)測(cè)中接觸件下面為有機(jī)玻璃墊板，接觸件部分熱量會(huì)通過玻璃墊板，所以實(shí)測(cè)結(jié)果偏小。總體來說，該仿真設(shè)計(jì)精度完全能夠滿足設(shè)計(jì)的需要，對(duì)該類正向設(shè)計(jì)有指導(dǎo)意義。

5 結(jié)論

本文以大電流接觸件為研究對(duì)象，論述了圓柱式開槽接觸件的主要特點(diǎn)及其優(yōu)勢(shì)，介紹了通過插拔力計(jì)算接觸電阻的基本方法?；贏NSYS Workbench分別用結(jié)構(gòu)靜力學(xué)模塊和熱電耦合模塊仿真了接觸件的插拔力與溫升，仿真得到接觸件的插拔力計(jì)算接觸件的接觸電阻，仿真得到接觸件接觸電阻與測(cè)試接觸電阻一致。接觸件溫升仿真結(jié)果與測(cè)試溫升結(jié)果基本一致。仿真結(jié)果的精度能夠滿足設(shè)計(jì)需求，此研究方法大大縮短了設(shè)計(jì)周期，降低研發(fā)成本，有較高的實(shí)用價(jià)值，分析方法和過程也具有通用性，為圓柱式開槽接觸件的正向設(shè)計(jì)提供了方法和依據(jù)，對(duì)同類產(chǎn)品的研發(fā)也有一定的指導(dǎo)意義。