姜 銀,毛國軍,吳 震,蔡 恒,喻國倫,唐 海
(重慶長安汽車股份有限公司,重慶 401120)
連接器是電子終端實(shí)現(xiàn)信號或電流傳遞與交換的基本元件單元,其廣泛應(yīng)用于汽車、通信、消費(fèi)電子、國防軍工等諸多領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計(jì),2019年中國汽車連接器市場規(guī)模達(dá)230億人民幣,是連接器行業(yè)中最大的細(xì)分市場。常用的汽車連接器由護(hù)套、端子、卡子(TPA、CPA、PLR)組成,密封型連接器還包括密封圈和防水栓。
連接器主要由4個要素組成:接觸界面、接觸涂層、接觸彈性元件和連接器塑膠本體[1],如圖1所示。連接器除塑膠本體外,其余3個要素均由端子決定,端子是實(shí)現(xiàn)電連接和信號傳輸?shù)暮诵模跈C(jī)械性能、電性能、抗振動性能等方面均有較高的要求。隨著對端子可靠性等要求的不斷提升,汽車連接器端子也在材料、鍍層、嚙合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面持續(xù)地進(jìn)行發(fā)展。
圖1 非密封/密封型汽車連接器的組成
連接器端子的連接由公母端對插完成,不同行業(yè)連接器使用的端子依據(jù)其不同的特點(diǎn)和使用環(huán)境,其常用的形式往往會有差異。汽車連接器由20世紀(jì)70年代起開始引入中國,由插接工藝替代原有的螺栓壓接工藝,逐步推廣到市場。從低壓連接器起步,隨著新能源汽車和智能汽車的發(fā)展,逐步出現(xiàn)了高壓連接器、高速傳輸連接器等,但整車上使用最為廣泛的依然是低壓連接器,其中端子的形式又以片型端子為主,本文以低壓連接器的片型端子為主體,討論汽車連接器端子的發(fā)展。
連接器端子按功能區(qū)域劃分,可分為壓接區(qū)、過渡區(qū)、自鎖區(qū)、結(jié)合區(qū),其中結(jié)合區(qū)是公母端子對插結(jié)合的位置,即端子嚙合系統(tǒng)所在的位置[2]。如圖2所示。
目前汽車低壓連接器的片型端子又分為單料端子和雙料端子,其嚙合系統(tǒng)原理相同,均是采用彈性的金屬機(jī)械機(jī)構(gòu)用以維持金屬的正壓力,但具體形式又顯示出較大差異。端子嚙合結(jié)構(gòu)是決定端子彈片結(jié)構(gòu)、插拔力和接觸電阻的重要因素。
汽車連接器片型端子嚙合系統(tǒng)主要包括以下幾種類型:B字結(jié)構(gòu)端子及其變型、方形箱體彈片式端子、雙材料“鴨嘴”端子、雙材料“激光焊接”端子。其各自的特點(diǎn)如圖3所示。
圖2 端子的各功能區(qū)域
片式單料端子主要經(jīng)歷了B字結(jié)構(gòu)端子階段和方形箱體“彈片”式端子的發(fā)展階段。B字結(jié)構(gòu)端子為傳統(tǒng)端子類型,在國標(biāo)QC/T-417.3中,對其結(jié)構(gòu)、尺寸和性能要求有明確規(guī)定,其結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜,目前應(yīng)用較廣泛,但插拔力大且易產(chǎn)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象,未來將會逐步被替換。
圖3 汽車連接器片形端子的幾種常見類型
方形箱體彈片式端子則以其端子彈片的形式而異,主流的方箱彈片式端子按彈片的結(jié)構(gòu)分為下列4種類型:懸臂梁形端子、卷舌形端子、簡支梁形端子和彈性簡支梁形端子[3](圖4),其發(fā)展順序也是端子結(jié)構(gòu)性能和操作舒適度在不斷優(yōu)化與提升的過程。
懸臂梁端子的插拔力小,但耐久性相對較差,易產(chǎn)生應(yīng)力松弛等問題。卷舌形端子結(jié)構(gòu)可以確保高耐久性,但對插中插拔力很大,對于多Pin連接器對插不友好。簡支梁形端子是在二者基礎(chǔ)上改進(jìn)而來的,耐久性較懸臂梁端子好,插拔力也較卷舌形端子小,能提供較優(yōu)良的綜合性能。彈性簡支梁端子則是在其基礎(chǔ)上增加了彈性結(jié)構(gòu),減小插拔力的同時(shí),對產(chǎn)品的耐久性也提供了足夠的保證。
圖4 方形箱體彈片式端子的4種嚙合結(jié)構(gòu)
圖5是4種嚙合結(jié)構(gòu)插拔力分析及簡支梁型端子與彈性簡支梁端子的對比分析。
雙料端子的出現(xiàn),是基于提升產(chǎn)品性能的考慮,其結(jié)構(gòu)由兩種材料通過咬合、焊接等機(jī)械連接的方式組合而成的,內(nèi)層嚙合部分采用電性能較好的銅材,且銅材采用多觸點(diǎn)的連接方式,而外層采用機(jī)械強(qiáng)度較好的材料,用以提高產(chǎn)品的耐久性和穩(wěn)定性,通常采用鋼卡的形式保證抗振性能和高溫強(qiáng)度。如圖6所示。
圖5 4種嚙合結(jié)構(gòu)的插拔力仿真分析結(jié)果
圖6 雙料片形端子的兩種嚙合結(jié)構(gòu)
雙料端子也有其發(fā)展的過程,按其結(jié)構(gòu)可分為彈性結(jié)構(gòu)二次夾緊方案和箱體結(jié)構(gòu)二次夾緊方案[3]。
彈性結(jié)構(gòu)二次夾緊方案的雙料端子又稱“鴨嘴形”端子,其內(nèi)層銅材采用鴨嘴形結(jié)構(gòu),鋼卡端部則與“鴨嘴”結(jié)構(gòu)貼合,為其提供額外的夾持力,對PIN針正壓力大,用以保證電端子的可靠嚙合。但也正是由于額外的夾持力,在公母端對插時(shí),插拔力會相應(yīng)增加。
箱體結(jié)構(gòu)二次夾緊方案的雙料端子,內(nèi)層嚙合部分采用多觸點(diǎn)結(jié)構(gòu),依據(jù)規(guī)格不同,有4觸點(diǎn)、6觸點(diǎn)甚至8觸點(diǎn)等不同形式。多觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)提供了良好的嚙合性能,旨在提高產(chǎn)品的通電流能力和穩(wěn)定性,同時(shí)彈片的雙曲線結(jié)構(gòu)擁有高彈性,在降低插拔力方面起到積極的意義。外層則采用不銹鋼材料制作而成,可以有效解決高溫下端子夾緊力衰減的問題,同時(shí)使掛接護(hù)套可靠,且采用焊接方式加固以應(yīng)對材料本身的應(yīng)力釋放,對內(nèi)層彈片進(jìn)行限位,提供良好的抗振動性能,滿足發(fā)動機(jī)等高溫、高振動環(huán)境下的使用需求。
在目前汽車連接器片型端子的選型和應(yīng)用中,插拔性能、機(jī)械性能綜合性較好的彈性簡支梁形端子應(yīng)用越來越多,而對于較苛刻的環(huán)境,能提供良好高溫耐久性且插拔力相對較小的箱體結(jié)構(gòu)夾緊方案的雙料端子則更受青睞。
隨著汽車行業(yè)電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展,連接器端子在未來會體積更小,精度更高,載流能力更強(qiáng),其嚙合結(jié)構(gòu)也會隨著技術(shù)進(jìn)行新的變遷與發(fā)展。