汽車連接器典型TPA插拔力研究

中圖分類號：U463.62 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）07-0109-05

Research on Typical TPA Engageand Disengage Forceof Automotive Connectors

Du Yanping，Wang Wujun，Wang Zhiguang （Henan Tianhai Electric Co.，Ltd.，Hebi 458OOO，China）

【Abstract】Inorder toachieve the success rate of the first design of the two-end fixed TPAandaccurately predict itsinsertionandwithdrawal force，thispaperfirstcarredoutacomprehensiveandin-depth theoreticalresearchonthe two-endfixedTPAandrigorouslyderivedtheformula.Thenthecorectioncoeffcientisfittdbyscientific methodto completethe finaldeterminationof thecalculation formulaof insertionandwithdrawalforce.Finall，thetheoretical formulasareverifiedbyexperiments.Theverificationresultsshow thatthecalculatedresultsof insertingandpulling force are more than 85% consistent with the experimental results.The research results have important guiding significance for thedesignof typical TPA，andcaneffectively helpthe scientific developmentand eficient promotionofTPAdesign.

【Keywords】 TPA；inserting and pulling force；correction factor

0 前言

1 TPA工作原理

連接器端子二次鎖（TerminalPositionAssurance，TPA）廣泛應(yīng)用于汽車連接器領(lǐng)域，涵蓋高壓、低壓、高頻及高速連接器。其核心作用是為端子提供二次鎖定功能，確保連接器在振動、沖擊等復雜工況下，始終保持正確連接位置，有力保障了汽車的穩(wěn)定運行。然而，目前TPA在實際應(yīng)用中存在一些問題，例如插入力過小可能導致TPA過位，而保持力不足則可能引發(fā)錯誤釋放。這些問題不僅影響客戶體驗，嚴重時還可能因TPA位置錯誤，降低連接器系統(tǒng)工作的可靠性，給整車帶來安全隱患。

常見的TPA根據(jù)力學特點，可分為兩端固定梁（超靜定）型和懸臂梁型；按照鎖的形式，則可分為橫插鎖、鉸鏈鎖和后置鎖，其中安全程度從高到低依次為橫插鎖 gt; 鉸鏈鎖 gt; 后置鎖。本文對兩端固定型橫插鎖TPA鎖止裝置展開研究。雖然針對懸臂梁塑料件已有大量研究，但對于兩端固定型卡扣的研究卻相對匱乏，甚至在某些方面處于空白狀態(tài)。

TPA通常具備兩個關(guān)鍵工作位置：預(yù)裝位和鎖止位。在產(chǎn)品發(fā)貨狀態(tài)下，TPA位于護套的預(yù)裝位置（圖1）。在此狀態(tài)下，需確保TPA在運輸及中轉(zhuǎn)過程中，既不會意外脫落，也不會誤裝至最終位置。當運輸至客戶處后，客戶將端子插入護套，此時TPA處于非工作狀態(tài)（圖2）。待端子成功插入護套后，客戶需施加合適的力，將TPA按壓至最終位置（圖3a）。當TPA處于最終位置時，其會阻擋端子后部（圖3b），實現(xiàn)對端子的二次鎖止，有效防止端子在惡劣工況下脫出。

當前TPA與護套的配合存在以下問題：在運輸過程中，TPA可能出現(xiàn)脫落或過位現(xiàn)象，這通常是由于拔出力過小所致；操作工人在裝配過程中，可能會遇到裝入困難的情況，這往往是因為插入力過大。

為實現(xiàn)兩端固定型TPA的一次設(shè)計成功，并準確預(yù)測其插拔力，需先進行科學合理的設(shè)計，隨后開展TPA插拔力的精確計算。

2 兩端固定型TPA設(shè)計

2.1 設(shè)計要求

TPA與護套的插拔力需嚴格滿足QC/T1067.1汽車電線束和電氣設(shè)備用連接器標準要求，具體如下：TPA從預(yù)裝位置分離需要的力至少為20N；TPA裝配到鎖止位置需要的力至少為15N；TPA從鎖止位置釋放所需的力應(yīng)在18＼～60N范圍內(nèi)。

2.2 設(shè)計過程

TPA典型尺寸如圖4所示。圖4中， H 為厚度， L 為長度， ∝ 為插入角度， β 為拔出角度， B 為寬度， C 為凸臺底部長度， Δ 為凸臺高度。設(shè)計過程遵循圖5所示的流程圖。

1）確定設(shè)計輸入：TPA采用與連接器護套相同的材料，其彈性模量為 7GPa ，屈服強度為 110MPa ○

2）初始設(shè)計：臂厚度 H 為 0.7mm ；插入角度 ∝ 為 25^° ；拔出角度 β 為 55^° ；梁的形式為雙臂型。懸臂長度 L 應(yīng)設(shè)計適當，太長不足以提供足夠的剛度，太短則容易損壞，應(yīng)由下式計算確定。

式中： L 一 一長度； -厚度； E —彈性模量； σ_ι ——材料屈服強度。

由于插拔力的限制，懸臂寬度 B 由式（2）確定。

式中： L ——長度； n —表示TPA結(jié)構(gòu)形式，單臂型 n=1 ，雙臂型 n=2 ; H? —厚度； σ_ε —材料屈服強度。

凸臺高度決定了插拔過程中的最大過盈量，過盈量應(yīng)按式（3）計算，太小會導致插拔力減小，太大不但不會使力值增加，反而會增加斷裂風險。

式中： B —寬度； σ_ε 一 -屈服強度； H 厚度； L —長度； E —彈性模量； I^. —慣性矩；β ——拔出角度。

最后為了保持結(jié)構(gòu)的完整性及凸臺的強度，凸臺底部長度 c 可按式（4）計算。

式中： C ——凸臺底部長度； Δ 一凸臺高度；∝ 插入角度； β ——拔出角度。

經(jīng)過上述設(shè)計過程，本TPA典型尺寸設(shè)計值見表1。

2.3物理模型建立與分析

2.3.1 物理模型建立

將兩端固定型TPA模型（圖6轉(zhuǎn)化為正向力物理模型（圖7）和插拔力物理模型（圖8）。

2.3.2 物理模型分析

由于正向力模型屬于兩端固定型3次超靜定模型，可將其轉(zhuǎn)化為靜定梁（懸臂梁）和3個位移協(xié)調(diào)方程，如圖9所示，圖9中，右端點軸向位移為0

中 Δl=0） ；右端點徑向位移為 0（y=0） ；右端點的轉(zhuǎn)角為 0（φ=0） 。由此可得出在彈性極限力 P_e 、彈性極限彎矩 M_e 和彈性極限撓度 y_e 。

式中： b 一 一梁寬度； h —梁厚度； σ_ε —材料屈服強度； l^- ——梁長度； E —材料彈性模量。

將以上彈性階段的結(jié)論應(yīng)用到成熟產(chǎn)品中（表2），發(fā)現(xiàn)其過盈量遠遠超出了彈性極限撓度，無法滿足產(chǎn)品的實際使用要求。

由于產(chǎn)品材料為塑料高分子聚合物，其力學行為的本構(gòu)關(guān)系呈現(xiàn)非線性特征，很難將聚合物簡單歸類為某個特定的材料類別。其變形過程極為復雜，涉及高分子鏈鍵角和鍵長的改變、高分子鏈構(gòu)象變化以及高分子鏈段之間的滑移。不過，聚酰胺66（PA66）的應(yīng)力應(yīng)變行為（圖10）和聚對苯二甲酸丁二酯（PBT）的應(yīng)力應(yīng)變行為（圖11）可近似看作理想彈塑性材料（圖12），因此可開展彈塑性研究。

由于結(jié)構(gòu)的對稱性，在彈塑性階段，兩固定端附近和梁中間會同時產(chǎn)生彈塑性變形，直至形成3個塑性鉸。此時的塑性極限力 P_u 、塑性極限彎矩 M_u

和塑性極限撓度 y_u 如下：

式中： b —梁寬度； h —梁厚度； σ_s —材料屈服強度； l^- —梁長度； E —彈性模量； M_u 一塑性極限彎矩； M_e ——彈性極限彎矩。

插入力模型可具體化為圖13形式。

圖13將插入力模型用摩擦角表示其中摩擦系數(shù)μ=tanθ ，因此其插入力 ，即：

同理，其拔出力為：

F_out=Ptan（β+θ）

綜上，將塑性極限力 P_u 代入到插拔力公式中即可達到其插拔力：

2.4 修正系數(shù)

TPA，其變形位置（力的峰值點）各不相同，難以進行精確計算。為此，通過試驗設(shè)計，求不同尺寸、不同材料的修正系數(shù)。

TPA在插拔至一定位置時，其凸臺角部會發(fā)生變形（圖14）。該變形會導致插拔角度改變，進而影響插拔力公式的適用性。由于不同尺寸、不同材料的

梁厚度 h 、梁寬度 b 決定了梁的抗彎性能。在進行系數(shù)擬合時，為了使系數(shù)擬合公式簡潔，本研究將梁的慣性矩I代替了梁厚度 h 和梁寬度 b 。擬合后的修正系數(shù)方程為：

λ=0.8577-0.000008E-0.000672σ_s-1.918I+ 0.07167l-0.010656γ （15）

式中： E —材料彈性模量； σ_s —材料屈服強度；1—梁慣性矩；—梁長度； γ —插入/拔出角度。

公式（15）中常量0.8577為隨機誤差ε。隨機誤差ε 和因子 E 、 σ 、 I_? 及 γ 的 P 值見表3。由于其 P 值均 lt;0.05 （設(shè)定的顯著性水平），因此判定系數(shù) λ 的回歸方程顯著（有效）。系數(shù) λ 殘差的正態(tài)概率圖（圖15）和直方圖（圖16），數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，說明擬合出的系數(shù)模型合理。

2.5 插拔力公式

將修正系數(shù) λ 代入到插拔力公式中即可得出自由狀態(tài)到預(yù)裝位的插入力 F_i1 、從預(yù)裝位分離的拔出力 F_ol 、預(yù)裝位到鎖止位的插入力 F_i2 及鎖止位到預(yù)裝

位的拔出力 F_o2 。

式中： n ——TPA形式，單臂型 n=1 ，雙臂型n=2 ； α₁ ——自由狀態(tài)到預(yù)裝位的實際插入角度；λ_?1 、 λ₂ -與材料和結(jié)構(gòu)相關(guān)的系數(shù)； b —梁寬度； σ_s —材料屈服強度； h —梁厚度； l- —梁長度； β₁ T 一預(yù)裝位拔出角度； α₂ —預(yù)裝位到鎖止位的實際插入角度； β₂ ——在鎖止位的實際拔出角度。

其中， λ₁=0.8577-0.000008E-0.000672σ-1.918I+ λ=0.8577-0.000008E-0.000672σ -1.91811+0.07167l-0.010656β， α₂=α （204號 β₂=β₁ □

3驗證

本文對前文新設(shè)計方案進行了CAE分析。新方案材料彈性模量 E 為 7GPa ，材料屈服強度 σ_s 為115MPa ，結(jié)構(gòu)尺寸見表1。TPA從自由位置裝配到預(yù)裝位并從預(yù)裝位拔出的力值曲線如圖17所示， F_il 為21.69N， F_ol 為 34.60N ；TPA從自由位置裝配到預(yù)裝位，后從預(yù)裝位裝配到鎖止位，然后從鎖止位拔出的力值曲線如圖18所示， F_i2 為 18.26N ， F_o2 為34.59N 。 F_il 時TPA與護套對應(yīng)配合狀態(tài)如圖19所示， F_ol 時TPA與護套對應(yīng)配合狀態(tài)如圖20所示， F_i2 時TPA與護套對應(yīng)配合狀態(tài)如圖21所示， F_o2 時TPA與護套對應(yīng)配合狀態(tài)如圖22所示。CAE分析結(jié)果與計算結(jié)果的一致性對比如表4所示，從表中可以看出，計算結(jié)果與CAE分析結(jié)果的一致性達到了 90% 以上，證明本計算方法有效。

CAE分析合格后，進行了實物驗證，如圖23所示，試驗結(jié)果及計算結(jié)果的一致性對比見表5。從表5可以看出，計算結(jié)果與試驗結(jié)果的一致性達到85% 以上，進一步驗證了插拔力公式的正確性。

過引入擬合出的修正系數(shù)，得出實際使用的插拔力計算公式。該公式在某正向設(shè)計的產(chǎn)品中得到應(yīng)用，結(jié)果表明，插拔力計算公式準確可靠，可用于同類產(chǎn)品的開發(fā)。本文的研究成果能夠?qū)崿F(xiàn)兩端固定型TPA的一次設(shè)計成功率及插拔力的準確預(yù)測，為TPA的正向設(shè)計提供了堅實的理論支撐。

4結(jié)論

TPA的正確設(shè)計對于保障汽車的可靠運行至關(guān)重要。本文針對當前主流的兩端固定型TPA展開深入研究，通過理論推導，得出理論計算公式；并通

參考文獻

[1]I.M.沃德，J.斯威尼.固體聚合物的力學行為[M].北京：科學出版社，2021.

（編輯凌波）