梁云忠，喬玉鵬，伍 權(quán)，徐衛(wèi)平

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毛刷電接觸對(duì)的接觸電阻研究

梁云忠，喬玉鵬，伍 權(quán)，徐衛(wèi)平

（貴州師范大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550001）

基于R.holm電接觸理論建立了毛刷電接觸對(duì)的接觸電阻模型。采用有限元仿真確定了毛刷電接觸對(duì)在插拔過(guò)程中只有彈性變形，并得到了接觸電阻模型中的值為1/2，進(jìn)行了毛刷電接觸對(duì)不同插拔深度上的接觸電阻試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合確定了毛刷電接觸接觸電阻模型中的值為248。進(jìn)行了毛刷、麻花針、線簧孔接觸對(duì)在不同插拔深度的接觸電阻對(duì)比試驗(yàn)，得到了毛刷電接觸插拔深度的最優(yōu)范圍為2~2.2 mm，進(jìn)行了毛刷電接觸在2~2.2 mm插拔深度時(shí)接觸電阻壽命試驗(yàn)，基于接觸電阻壽命曲線提出了預(yù)插拔工藝以提高接觸電阻及插拔力的穩(wěn)定性。毛刷電接觸接觸電阻研究為毛刷電接觸的擴(kuò)展設(shè)計(jì)、制造提供了參考。

毛刷電接觸；接觸電阻模型；插拔深度；預(yù)插合；插拔壽命；電連接器

20世紀(jì)80年代以來(lái)，在參考美國(guó)軍用電連接器標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，我國(guó)逐步研制出絞線麻花針電接觸對(duì)、開(kāi)槽彈性插孔電接觸對(duì)以及線簧孔電接觸對(duì)等一系列高可靠的電接觸形式，為我國(guó)的軍用電連接器發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。近年來(lái)，隨著集成電路的飛速發(fā)展，整機(jī)系統(tǒng)要求電連接器芯數(shù)越來(lái)越多，插拔壽命越來(lái)越長(zhǎng)，開(kāi)槽彈性插孔等電接觸對(duì)由于插拔力過(guò)大、插拔壽命短等缺點(diǎn)，導(dǎo)致大芯數(shù)電連接器在多次插拔分離時(shí)連接器接觸失效、印制板及系統(tǒng)部件破壞等問(wèn)題。因此尋求高可靠、長(zhǎng)壽命、低插拔力的電接觸形式成為國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者和生產(chǎn)商的關(guān)注焦點(diǎn)[1-6]。毛刷電接觸對(duì)因其輕插拔力，耐磨損、優(yōu)異的電接觸性能開(kāi)始用于航空、航天等高可靠連接器上。在國(guó)外，美國(guó)領(lǐng)軍電子元件生產(chǎn)商Amphenol公司在2002年首先將裝配有毛刷電接觸對(duì)的系列連接器用于美國(guó)第五代戰(zhàn)機(jī)F35中并幾乎壟斷了該型號(hào)戰(zhàn)機(jī)的所有印制電路連接器。在國(guó)內(nèi)，主流軍用電連接器相繼投入到毛刷電接觸對(duì)的研發(fā)中，并研發(fā)了裝配有毛刷電接觸件的各類新品[7]。

根據(jù)霍爾姆電接觸理論，電接觸對(duì)的接觸電阻與插拔力有著緊密關(guān)系，插拔力大，接觸電阻小，且不同的電接觸結(jié)構(gòu)，其函數(shù)的相關(guān)系數(shù)不同。在電連接器可靠性設(shè)計(jì)中，保證不太低的插拔力是為了保證接觸對(duì)有較小的接觸電阻，從而有效控制電連接器的溫升[8-11]。

在毛刷電接觸對(duì)理論研究方面，《毛刷電接觸對(duì)的插拔力研究》[12]一文研究了毛刷電接觸對(duì)的插拔力模型，對(duì)毛刷電接觸插拔力進(jìn)行仿真，并與其他形式接觸對(duì)進(jìn)行了插拔力對(duì)比試驗(yàn)。但是毛刷電接觸對(duì)的接觸電阻模型及相關(guān)接觸電阻可靠性試驗(yàn)?zāi)壳吧形匆?jiàn)相關(guān)研究。

本文根據(jù)毛刷電接觸的插拔力模型，分析毛刷電接觸對(duì)接觸電阻影響因素，通過(guò)有限元仿真分析、試驗(yàn)等方法并建立毛刷電接觸對(duì)的接觸電阻計(jì)算模型；對(duì)毛刷電接觸對(duì)進(jìn)行接觸電阻的插拔壽命試驗(yàn)，為毛刷電接觸的規(guī)格擴(kuò)展及相關(guān)毛刷電接觸類電連接器的插拔深度設(shè)計(jì)提供參考。

1 毛刷電接觸對(duì)接觸電阻模型建立

1.1 毛刷電接觸對(duì)原理

如圖1所示，毛刷電接觸對(duì)由插針及插孔組成，插針、插孔的電接觸部分由一束單針壓接在一起，整個(gè)電接觸被限制在插孔護(hù)管內(nèi)。在插針與插孔插合的過(guò)程中，兩端單針被相互撐開(kāi)，插針和插孔的單針之間隨機(jī)相互插合在一起，從而形成電氣連接。

圖1 毛刷電接觸示意圖

1.2 毛刷電接觸對(duì)接觸電阻模型的建立

電接觸學(xué)科奠基人霍爾姆（R.holm）認(rèn)為接觸電阻由接觸元件兩邊的收縮電阻s與接觸面之間的膜電阻b組成，此外霍爾姆還通過(guò)試驗(yàn)確定了收縮電阻、膜電阻與接觸對(duì)插拔力之間為指數(shù)函數(shù)關(guān)系。由于三者在電路上處于串聯(lián)關(guān)系，考慮接觸材料相同，接觸面兩邊的電流場(chǎng)對(duì)稱，因此接觸電阻可以表示為：

式中：值為接觸材料的函數(shù)，同時(shí)與表面的膜情況有關(guān)，其值由試驗(yàn)決定；與接觸面變形情況有關(guān)，彈性變形為1/2，塑性變形為1/3[13-17]。

由公式（1）可知，毛刷電接觸對(duì)的接觸電阻與插拔力有密切關(guān)系。在參考文獻(xiàn)[12]中，根據(jù)毛刷電接觸單針在插拔過(guò)程中屬于懸臂梁結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)出毛刷電接觸對(duì)插拔力模型公式為：

綜合公式（1）、（2）可得毛刷電接觸對(duì)的接觸電阻模型公式為：

式中：為接觸件插拔深度；為單針接觸處變形量設(shè)計(jì)值；為單針長(zhǎng)度；為單針數(shù)目；為單針截面的慣矩；為單針材料的楊氏模量。

由公式（2）可知，毛刷電接觸對(duì)接觸電阻與單針接觸處變形量設(shè)計(jì)值平方成正比、且與值，值，單針材料的楊氏模量以及單針截面的慣矩相關(guān)。

為確定毛刷電接觸對(duì)接觸電阻模型公式（3）式中的、值，本文采用有限元仿真及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合等方式來(lái)確定。選用毛刷接觸對(duì)中典型規(guī)格尺寸進(jìn)行試驗(yàn)或有限元仿真，試驗(yàn)樣件的規(guī)格參數(shù)如下：接觸件材料鈹青銅C17500（=120 GPa），表面鍍金1.27 mm，護(hù)管直徑為=1.36 mm，單針直徑=0.2 mm、單針長(zhǎng)度=4 mm，單針變形量設(shè)計(jì)值=0.065 mm，單針數(shù)目=7。

試驗(yàn)條件如下：接觸電阻的測(cè)試采用同批鍍金的未插合過(guò)的毛刷電接觸對(duì)，且測(cè)試時(shí)溫度保持為22℃，相對(duì)濕度保持73%，試驗(yàn)電流1 A。

毛刷電接觸對(duì)試驗(yàn)樣品如圖2所示。

圖2 毛刷電接觸試驗(yàn)樣品

1.3 基于有限元仿真的值確定

在插拔過(guò)程中難以觀察到接觸件的變形情況，因此采用ADINA軟件分析毛刷對(duì)接觸對(duì)插拔過(guò)程中單針的變形情況，在毛刷電接觸模型建立時(shí)，將毛刷電接觸插孔及單針固定，對(duì)接時(shí)僅插針端單針簇可產(chǎn)生變形。設(shè)置毛刷電接觸對(duì)插針端一個(gè)徑向位移，使其完成插入過(guò)程。為了能正確模擬出插入對(duì)接過(guò)程，對(duì)接的單針之間以及單針和護(hù)管之間需設(shè)置接觸對(duì)。材料可能產(chǎn)生彈性變形及塑性變形，因此設(shè)置為雙線性彈塑性材料，完成如圖3所示的前處理設(shè)置。

圖3 有限元前處理設(shè)置

分別取毛刷電接觸件對(duì)1 mm插拔深度和3 mm插拔深度，查看這兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的整體應(yīng)力分布情況如圖4、圖5所示，可以看出插拔過(guò)程中最大的應(yīng)力分布在單針上，且最大應(yīng)力為110 MPa，遠(yuǎn)小于銅等材料的屈服強(qiáng)度，因此插拔過(guò)程中單針僅發(fā)生彈性變形。

圖4 插入深度1 mm時(shí)刻應(yīng)力分布圖

圖5 插入深度3 mm時(shí)刻應(yīng)力分布圖

由仿真過(guò)程可知，單針在插拔范圍內(nèi)發(fā)生彈性變形，根據(jù)R.holm電接觸理論，取值為1/2。

1.4 基于不同插拔深度接觸電阻試驗(yàn)的值確定

選擇毛刷接觸對(duì)中典型規(guī)格尺寸進(jìn)行試驗(yàn)，取10對(duì)毛刷接觸對(duì)中進(jìn)行接觸電阻測(cè)試試驗(yàn)，分別測(cè)試每個(gè)接觸對(duì)在0.5，1.0，1.5，2.5，2.5，3.0，3.5 mm插拔深度上的接觸電阻值，并計(jì)算平均值作為縱坐標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同插拔深度的接觸電阻

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，可擬合出接觸電阻與插入深度的擬合公式為：

= 2.246 9(4–)2（4）

將公式（3）的各參數(shù)代入并與公式（4）進(jìn)行比較，可知取值為248。綜上所述，可知常用規(guī)格毛刷電接觸對(duì)接觸電阻模型公式為：

2 毛刷電接觸對(duì)與線簧孔、麻花針電接觸對(duì)接觸電阻試驗(yàn)對(duì)比

為比較毛刷電接觸對(duì)與其他常用軍用電接觸對(duì)的接觸電阻差異，選擇與典型規(guī)格毛刷電接觸對(duì)相近尺寸的麻花針、線簧孔接觸對(duì)進(jìn)行不同插拔深度的插拔力對(duì)比試驗(yàn)。圖7為三種接觸對(duì)在不同插拔深度的接觸電阻試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。

圖7 毛刷、線簧孔、麻花針電接觸對(duì)在不同插拔深度的接觸電阻

由圖7對(duì)比可知：

（1）毛刷電接觸對(duì)的接觸電阻隨插拔深度變化顯著變化，而麻花針、線簧孔接觸電阻不隨插拔深度的變化而變化。原因?yàn)槊㈦娊佑|的插拔力與插拔深度相關(guān)，插入深度越大，插拔力越大，插拔力增大導(dǎo)致接觸電阻減??；麻花針、線簧孔接觸件插拔力與插拔深度無(wú)關(guān)，故接觸電阻沒(méi)有變化。

（2）毛刷電接觸的接觸電阻隨插拔深度增大而減小，但是當(dāng)插拔深度越接近單針長(zhǎng)度，接觸電阻幾乎不再變化。其原因?yàn)楫?dāng)插拔深度越大，插孔端單針已經(jīng)緊貼護(hù)管壁，不再有彈性變形量的增大，故插拔力不再增大，接觸電阻也就幾乎不再變化。

（3）接觸電阻小的接觸件會(huì)使連接器溫升降低，因此與麻花針、線簧孔接觸件相比，毛刷電接觸的接觸電阻在插拔深度大于2.0 mm時(shí)，其接觸電阻較麻花針及線簧孔接觸件小，結(jié)合參考文獻(xiàn)[12]，毛刷電接觸相對(duì)線簧孔及麻花針接觸件具備較小插拔力的合理范圍為1.8~2.2 mm，因此在多芯數(shù)（100芯以上）印版版連接器設(shè)計(jì)中，毛刷電接觸對(duì)的插拔深度設(shè)置為2.0~2.2 mm時(shí)，毛刷電接觸接觸電阻較小，且插拔力也較毛刷電接觸小，從而在多芯數(shù)印制板連接器中具有插拔力和接觸電阻的優(yōu)勢(shì)。

3 接觸電阻的插拔壽命試驗(yàn)

為驗(yàn)證毛刷電接觸在合理插拔深度2.0~2.2 mm上的插拔壽命可靠性，將裝有20芯典型規(guī)格毛刷接觸對(duì)的電連接器進(jìn)行插拔試驗(yàn)，連接器試驗(yàn)插拔深度為2.0~2.2 mm，插拔次數(shù)設(shè)計(jì)為=104次。在試驗(yàn)時(shí)，間隔檢測(cè)插拔后平均接觸電阻。

依次選取不同的插拔次數(shù)為橫坐標(biāo)，測(cè)得的平均接觸電阻為縱坐標(biāo)，建立起平均接觸電阻的壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖8。

圖8 接觸電阻的萬(wàn)次壽命試驗(yàn)（插拔深度2.0~2.2 mm）

由圖8可知：

（1）在2 000次插拔次數(shù)范圍內(nèi)，平均接觸電阻隨插拔次數(shù)增加而顯著增大，在2 000次插拔次數(shù)后，平均接觸電阻逐步趨于平穩(wěn)。導(dǎo)致此原因?yàn)? 000次插拔導(dǎo)致了毛刷接觸對(duì)的單針有一定量的塑形變形，塑性變形導(dǎo)致單針變形量減小，因此導(dǎo)致了插入力的減小及接觸電阻的增大；隨著該塑性變形趨于穩(wěn)定，接觸電阻也趨于穩(wěn)定。

（2）在2 000~10 000次插拔范圍內(nèi)，接觸電阻隨插拔次數(shù)趨于穩(wěn)定，因此說(shuō)明在2 000次范圍內(nèi)的插拔導(dǎo)致的單針?biāo)苄宰冃尾](méi)有導(dǎo)致電接觸對(duì)失效，而是電接觸對(duì)在經(jīng)過(guò)2 000次磨合插合以后，進(jìn)入了可靠工作階段。

（3）2 000次插拔次數(shù)范圍內(nèi)，接觸電阻隨插拔次數(shù)而增大，在精密系統(tǒng)使用時(shí)會(huì)導(dǎo)致一定誤差，此外由于平均插入力隨插拔次數(shù)增加而顯著減小，在人工插拔過(guò)程中插拔手感會(huì)顯著變化，因此在產(chǎn)品生產(chǎn)完畢后可首先進(jìn)行2 000次左右的預(yù)插拔后使用，這樣連接器的插入力及接觸電阻更加穩(wěn)定。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)霍爾姆（R.holm）電接觸理論和毛刷電接觸的插拔力模型，建立了毛刷電接觸對(duì)的接觸電阻模型。

（2）根據(jù)毛刷電接觸插合過(guò)程中的有限元仿真，毛刷電接觸單針僅發(fā)生彈性變形，確定了電阻模型中的值為1/2，通過(guò)不同插拔深度下的接觸電阻試驗(yàn)值確定了接觸電阻模型中的值為248。

（3）進(jìn)行了相近規(guī)格的毛刷電接觸、線簧孔接觸件、麻花針接觸件在不同插拔深度時(shí)的接觸電阻試驗(yàn)，并得到了毛刷電接觸對(duì)相對(duì)線簧孔及麻花針接觸件具備插拔力及接觸電阻優(yōu)勢(shì)的深度插拔范圍為2.0~2.2 mm。

（4）進(jìn)行了毛刷電接觸在2.0~2.2 mm的10 000次接觸電阻插拔壽命試驗(yàn)，根據(jù)壽命曲線提出了預(yù)插拔工序，使毛刷電接觸的連接器插拔力和接觸電阻性能更加穩(wěn)定。

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Study on contact resistance of brush electrical contact

LIANG Yunzhong, QIAO Yupeng, WU quan, XU Weiping

(Department of Mechanical and Electrical Engineering, Guizhou Normal University, Guiyang 550001, China)

The contact resistance model of the brush electric contact was established based on R.holm electric contact theory. In the process of insertion and extraction of the brush electrical contact, only elastic deformation was got by finite element simulation andvalue of the contact resistance model was obtained (1/2), the contact resistance tests on different insertion depth of the brush electrical contact were done andvalue of the brush electric contact resistance model was obtained（248）by means of experimental data fitting. The contact resistance test in different insertion depth of the brush, the spring wire socket and twist-pin electrical contact were carried out. The results show that the advantage range of insertion depth of the brush electric contact is 2.0－2.2 mm. Contact resistance life test of the brush electrical contact in 2.0－2.2 mm insertion depth were done for ten thousands times, pre insertion technology was proposed according to the change of contact resistance in the test. Study on contact resistance of the brush electrical contact can provide a reference for the extensive design and manufacture of brush electrical contact.

brush electric contact; contact resistance model; insertion depth; Pre insertion technology; insertion life; connector

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.10.010

TN405

A

1001-2028（2016）10-0045-04

2016-07-09

梁云忠

貴州省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No. 黔科合LH字[2014]7043號(hào)）

梁云忠（1983－），男，貴州仁懷人，講師，碩士，主要從事電接觸理論和電連接器設(shè)計(jì)研究，E-mail:290263424@qq.com。

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-09-29 10:08:47

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160929.1008.010.html

（編輯：曾革）