張立新，肖 丹，黃慶達(dá)，郭慶鐵，嚴(yán)勝義

（溫州長(zhǎng)江汽車(chē)電子有限公司，浙江 溫州 325000）

汽車(chē)電子技術(shù)日新月異，而在汽車(chē)整車(chē)內(nèi)部有數(shù)萬(wàn)個(gè)零部件，其中數(shù)百個(gè)電路連接器肩負(fù)著電路訊號(hào)的輸入和輸出，在電路的功能實(shí)現(xiàn)中起到關(guān)鍵的作用。

這些連接器讓整車(chē)的制造變得簡(jiǎn)便，能讓各零部件供應(yīng)商分工明確，同步開(kāi)發(fā)，為整車(chē)的研發(fā)縮短了時(shí)間等成本，也能為車(chē)輛的診斷與維修帶來(lái)便捷。汽車(chē)的故障診斷，可以通過(guò)OBD接口（連接器之一）連接汽車(chē)電腦，查詢(xún)汽車(chē)故障所在。而汽車(chē)電器零部件因?yàn)閴勖狡诨蛘邠p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(chē)連接器的分類(lèi)、應(yīng)用形式、標(biāo)準(zhǔn)要求，以一體集成化連接器為研究對(duì)象，從設(shè)計(jì)、試驗(yàn)到應(yīng)用等環(huán)節(jié)與原廠(chǎng)連接器對(duì)比驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明一體集成化的設(shè)計(jì)方案具有很靈活的應(yīng)用形式、更低的生產(chǎn)成本、更高的生產(chǎn)效率、更廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。

1 汽車(chē)連接器的組成、分類(lèi)及應(yīng)用

1.1 汽車(chē)連接器的組成

汽車(chē)連接器同其它連接器相同，由端子、護(hù)套及其它附件組成可實(shí)現(xiàn)電氣連接的組合件。

1）端子：端子實(shí)現(xiàn)電性能的導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞，是整個(gè)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(hù)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(shí)現(xiàn)較好的連接強(qiáng)度。

3）其它附件：以實(shí)現(xiàn)其它特定需求，例如：防水連接器，則需增加橡膠密封件來(lái)實(shí)現(xiàn)防水性能；通信類(lèi)連接器，需增加屏蔽環(huán)以防止音頻視頻信號(hào)在傳輸過(guò)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(cuò)誤的微弱電信號(hào)無(wú)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(chē)連接器的分類(lèi)

汽車(chē)連接器雖然實(shí)現(xiàn)的作用都相同，但在類(lèi)型、結(jié)構(gòu)形式、功能上卻有不同的分類(lèi)形式。按類(lèi)型分類(lèi)，可以將汽車(chē)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(duì)象不同，按結(jié)構(gòu)形式分類(lèi)，可將汽車(chē)連接器分為線(xiàn)對(duì)線(xiàn)連接、線(xiàn)對(duì)板連接、板對(duì)板連接等；按連接器所連接的電器功能不同，可將汽車(chē)連接器分為傳統(tǒng)連接器、專(zhuān)業(yè)連接器。

1.3 傳統(tǒng)連接器在汽車(chē)電器開(kāi)關(guān)上的應(yīng)用

汽車(chē)電器開(kāi)關(guān)信號(hào)的傳達(dá)，以整車(chē)線(xiàn)束及連接器為樞紐，如同人的神經(jīng)系統(tǒng)，將信號(hào)進(jìn)行傳遞。

一般汽車(chē)電器開(kāi)關(guān)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(shù)，以使用帶線(xiàn)束的公端或母端為少數(shù)。而PCB板端的則絕大多數(shù)以一體化集成為主，原型件為輔。

原型件，即連接器原廠(chǎng)或結(jié)構(gòu)完全類(lèi)同原廠(chǎng)的零件；一體化集成，即連接器的護(hù)套部分開(kāi)發(fā)集成于電器開(kāi)關(guān)上，電器制造商再重新另行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)金屬端子零件（插針/插片總成）。

2 汽車(chē)連接器執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)要求

汽車(chē)連接器作為汽車(chē)上的零部件，有專(zhuān)項(xiàng)的標(biāo)準(zhǔn)要求。以汽車(chē)電器開(kāi)關(guān)存在時(shí)，有汽車(chē)電器產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)要求；以線(xiàn)束端存在時(shí)，有線(xiàn)束端的標(biāo)準(zhǔn)。因此，產(chǎn)品需同時(shí)符合兩套標(biāo)準(zhǔn)要求，此兩套行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有相關(guān)參數(shù)定義，各OEM同時(shí)也有相關(guān)參數(shù)定義。各OEM間標(biāo)準(zhǔn)雖然不同，但實(shí)質(zhì)的要求基本一致，現(xiàn)將行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及通用汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)中較關(guān)鍵的電性能要求（表1）、機(jī)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(jié)［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(jī)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(chē)電器產(chǎn)品的一部分，需要通過(guò)焊接技術(shù)焊接在電器產(chǎn)品上。隨著現(xiàn)代工業(yè)化的進(jìn)步，焊接技術(shù)也早已更新?lián)Q代，目前連接器的焊接生產(chǎn)主要以回流焊工藝為主，其它波峰焊、機(jī)器人輔助焊接為輔。

回流焊設(shè)備的內(nèi)部有一個(gè)加熱電路，將空氣或氮?dú)饧訜岬阶銐蚋叩臏囟群蟠迪蛞呀?jīng)貼好元件的線(xiàn)路板，讓元件兩側(cè)的焊料融化后與主板粘結(jié)?；亓骱傅膬?yōu)勢(shì)是溫度易于控制，焊接過(guò)程中還能避免氧化，制造成本也更容易控制，且相對(duì)于傳統(tǒng)的采用手工將元器件插在線(xiàn)路板上，回流焊有明顯高效、高焊接品質(zhì)的特點(diǎn)。

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

回流焊對(duì)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(wú)明顯變色氧化現(xiàn)象；同時(shí)對(duì)于連接器的包裝有標(biāo)準(zhǔn)化的要求（圖3），能自動(dòng)取料，提高生產(chǎn)效率。

圖2 回流焊過(guò)程溫度/時(shí)間圖

圖3 回流焊元件包裝圖示

4 一體式集成連接器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

一體化集成，即連接器的護(hù)套部分，在現(xiàn)有原型件的基礎(chǔ)上，根據(jù)產(chǎn)品綜合需求，開(kāi)發(fā)集成于電器開(kāi)關(guān)上，電器制造商再重新另行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)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(xì)化設(shè)計(jì)連接器的各功能部分，將原型連接器進(jìn)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(rèn)殼體塑料相關(guān)性能可符合連接器的相關(guān)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(hù)套）掛扣強(qiáng)度的校核

由于一體化集成后護(hù)套部分的材料按電器殼體的材料，一般選用PC/ABS。護(hù)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(hù)套鎖扣的強(qiáng)度將是護(hù)套的關(guān)鍵性能特性。

本文在原型連接器基礎(chǔ)上調(diào)整局部壁厚和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，針對(duì)3種不同方案的掛扣保持力強(qiáng)度作CAE分析［2-3］。3種不同方案結(jié)構(gòu)如圖5所示，對(duì)應(yīng)的拔出力曲線(xiàn)如圖6所示，掛扣拔出力強(qiáng)度見(jiàn)表4。

圖5 3種不同方案結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 3種方案對(duì)應(yīng)的拔出力曲線(xiàn)

表4 3種不同方案下的掛扣拔出力強(qiáng)度

通過(guò)CAE分析可知，方案3掛扣拔出力125N＞110N風(fēng)險(xiǎn)較低，可采納，詳見(jiàn)表4。

4.3 回流焊插針的設(shè)計(jì)

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(chǎn)的高性能聚酰胺樹(shù)脂PPA-GF30，熔融溫度達(dá)到310℃，滿(mǎn)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(qiáng)度）、所承受的負(fù)載有關(guān)，金屬材料的選用除客戶(hù)對(duì)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(dǎo)率的校核

依公式電導(dǎo)率（%IACS）=0.017241/ρ×100%，H70的電導(dǎo)率=0.17241÷0.062×100%=28%IACS。計(jì)算結(jié)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(jì)算公式：

式中：ρ——導(dǎo)體材料的電阻率，Ω·mm2/m；L——：導(dǎo)體的長(zhǎng)度，m；S——導(dǎo)體的橫截面積，mm2。電阻率ρ轉(zhuǎn)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(mǎn)足R＜5mΩ的標(biāo)準(zhǔn)要求。

綜上兩項(xiàng)，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(jù)綜合力學(xué)性能要求及GB/T 21652-2017查詢(xún)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(lèi)，可焊性高、信賴(lài)性高，相比鍍金或者鍍銀，價(jià)格低廉，行業(yè)常確定鍍錫3～5μm，鎳底：1～2μm為標(biāo)準(zhǔn)。

4.3.4 回流焊THR插針結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1）重心相對(duì)定位面居中，插件放置于PCB上及傳輸過(guò)程中不會(huì)有傾倒。

2）淺藍(lán)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(guò)爐時(shí)熱量的傳遞，利于錫膏的融化、提高焊接品質(zhì)。

圖7 THR插針結(jié)構(gòu)示意

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

4.4 試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果

連接器作為電器產(chǎn)品與整車(chē)溝通的橋梁，在產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要進(jìn)行嚴(yán)格的試驗(yàn)驗(yàn)證。針對(duì)連接器的標(biāo)準(zhǔn)要求（表5），展開(kāi)相關(guān)性能試驗(yàn)驗(yàn)證。

表5 一體化集成連接器進(jìn)行的專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果

4.5 成本對(duì)比分析

以此項(xiàng)目中原廠(chǎng)件型號(hào)為例，從生產(chǎn)過(guò)程成本、生產(chǎn)效率，經(jīng)多款連接器橫向?qū)Ρ?，采用一體式接插件設(shè)計(jì)能較高地提高生產(chǎn)效率，節(jié)約生產(chǎn)成本。具體見(jiàn)表6、表7。

表6 原廠(chǎng)件與一體化集成連接器焊接生產(chǎn)成本對(duì)比 元

表7 原廠(chǎng)件與一體化集成連接器焊接效率對(duì)比

5 結(jié)論

本文以某車(chē)型上一開(kāi)關(guān)產(chǎn)品為切入點(diǎn)，驗(yàn)證了THR回流焊插針從設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)到試驗(yàn)驗(yàn)證的過(guò)程，各項(xiàng)性能均符合客戶(hù)要求，且所開(kāi)發(fā)的THR插針已作為平臺(tái)化產(chǎn)品，運(yùn)用于其它車(chē)型的多個(gè)產(chǎn)品，未出現(xiàn)生產(chǎn)制造、售后品質(zhì)等抱怨問(wèn)題，也驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)方法、理念的可靠。

隨著人們對(duì)速度及能耗的需求，整車(chē)輕量化設(shè)計(jì)逐漸被提上日程，汽車(chē)連接器作為整車(chē)的一部分，也需要輕量化設(shè)計(jì)，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(chǎn)品需要承受大電流，因此現(xiàn)有傳統(tǒng)產(chǎn)品，插針/插片根據(jù)負(fù)載大小選型）更強(qiáng)的原材料。