【摘" 要】振動可靠性是對汽車連接器的一項基本要求，在連接器設計研發(fā)階段，可通過合理的端子設計來提高連接器的耐振動性能。根據(jù)常用連接器的結(jié)構(gòu)特征，選定連接器簧片結(jié)構(gòu)參數(shù)作為設計因素?；谶B接器端子的受力狀態(tài)和動力學理論，分析連接器簧片的振動響應特征，以及結(jié)構(gòu)參數(shù)與耐振動性能間的相關(guān)性，并采用有限元方法進行計算分析，從簧片根部應力變化率和觸點處接觸力變動率兩方面對分析結(jié)論進行驗證。結(jié)果均表明，當外部激勵頻率在簧片共振頻率以下時，增加簧片寬度、縮短簧片厚度、增長簧片長度均有益于提高連接器耐振動性能。

【關(guān)鍵詞】汽車連接器；耐振動性；插座簧片；設計參數(shù)

中圖分類號：U463.62" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）04-0056-05

Analysis of the Influence of Structural Parameters of Automotive Connector Reed on Vibration Characteristics

WANG Yanpeng，WANG Wujun，CHEN Guoqiang，ZHAO Pingtang，LI Houkun，WANG Xin

（Tianhai Auto Electronics Group Co.，Ltd.，Hebi 458030，China）

【Abstract】Vibration reliability is a basic requirement for automotive electrical connectors. And the vibration durability can be improved by selecting the proper parameters of the terminals in the design stage. According to the structure of the electrical connectors which commonly used in practical，the effect of design parameters of the reed of the socket were mainly considered in the present paper. Based on the condition of the constraints and theories on the dynamics，the dynamic response of the reed of socket were analyzed，as well as the correlations between the design parameters and the vibration durability. And calculations were also conducted by the method of FEM，the variation of stress and contact force under different design parameters were calculated，the calculation results agree well with the analysis conclusions. The results show that，increasing the width of the reed of socket，decreasing the thickness of the reed of socket，and increasing the length of the reed of socket are all benefit to improve the performance of vibration durability，when in the frequency range under the resonance frequency.

【Key words】 automobile electrical connectors；vibration durability；reed of the socket；design parameters

1" 引言

連接器是電子電氣系統(tǒng)中實現(xiàn)電信號傳輸?shù)闹匾骷瑥V泛應用于車輛、航空、通信等領域，連接器電信號傳輸?shù)目煽啃詫x器設備的平穩(wěn)運行意義重大[1-2]。連接器電信號的傳輸是通過連接器端子實現(xiàn)的，因此，連接器端子間接觸電阻是連接器電信號傳輸可靠性的重要評定因子，當接觸電阻超過規(guī)定值即可判定出現(xiàn)接觸失效[3]。連接器的接觸電阻與端子間的接觸壓力直接相關(guān)[4]。增大接觸壓力可以減小端子間的電阻，連接器端子間通常需要保持穩(wěn)定的接觸壓力值以增大端子的接觸面積，降低端子間的壓降，但在振動、沖擊等外部載荷作用下，連接器端子間的接觸力極易發(fā)生改變。因此，振動環(huán)境下連接器的接觸可靠性一直是研究熱點[5-8]。

連接器端子接觸失效可分為間歇性失效和永久性失效，間歇性失效不能通過檢測復現(xiàn)，失效現(xiàn)象可自行恢復[9]。間歇性失效的典型形式為瞬斷，由于其危害較大，得到大量學者的關(guān)注。間歇性失效與連接器端子的振動響應緊密相關(guān)，沈親沐、李乾等學者分別對振動應力下電連接器間歇性失效機理開展了研究，認為振動應力是電連接器出現(xiàn)間歇性接觸失效的最主要因素[10-11]。呂克洪等人的研究結(jié)論顯示，振動量級、沖擊強度對連接器間歇性接觸失效影響顯著，通過分析和試驗測試，認為連接器接觸電阻對振動/沖擊應力表現(xiàn)敏感，在振動作用下易發(fā)生間歇性接觸失效現(xiàn)象，且與外界振動環(huán)境具有明顯的跟隨特性[12]。

與振動相關(guān)的參量為振幅和頻率，郁大照等人對航空電連接器的研究表明：振動幅值越大，接觸電阻越大，發(fā)生接觸失效的可能性越大。在振動頻率影響分析方面，進行了定幅掃頻振動試驗，認為在20～1000Hz頻率范圍內(nèi)，低頻振動對接觸電阻的影響較大，高頻振動對接觸電阻的影響不明顯，另外，具有敏感振動方向[13]。潘駿等人通過實驗測試的方法除了得出隨著振動量級增加，接觸電阻增加的速率變大的結(jié)論之外，還得出了接觸電阻與振動時間的關(guān)系，認為連接器接觸電阻隨振動時間的增加而波動式上升[14]。駱燕燕等人的研究表明沖擊脈沖持續(xù)時間相比峰值加速度對連接器接觸性能的影響更為顯著，當沖擊在2ms以內(nèi)時，會引起連接器在沖擊初期出現(xiàn)瞬斷失效現(xiàn)象[15]。賀占平等人的研究表明當外界振動頻率與連接器的某階固有頻率相近時，連接器簧片產(chǎn)生的共振模態(tài)也會使連接器觸點脫離，從而產(chǎn)生失效[16]。

振動作為外界因素，一般受制于應用環(huán)境，較為不可控。為提高連接器在振動環(huán)境下的可靠性，一種可行的方法是合理設計連接器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，改善其振動響應。駱燕燕考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)對連接器振動特性的影響，針對航空連接器，利用Ansys分析軟件對接觸件振動過程進行了仿真分析，認為簧片長度對接觸壓力的影響最大[17]。

目前階段，外部環(huán)境振動特性對連接器產(chǎn)生的影響得到了廣泛的研究，但是，連接器結(jié)構(gòu)參數(shù)與振動響應相關(guān)性之間的研究比較匱乏。隨著汽車電動化、智能化的發(fā)展，汽車上電子元件越來越多，對電氣元件的可靠性要求也越來越高。本文以汽車常用低壓連接器為研究對象，分析在振動環(huán)境下，端子結(jié)構(gòu)參數(shù)變化與端子間接觸力的相關(guān)性，探究汽車低壓連接器端子結(jié)構(gòu)設計方法，為高可靠性連接器設計開發(fā)提供參考。

2" 連接器結(jié)構(gòu)組成及振動傳遞路徑分析

常見的低壓汽車連接器結(jié)構(gòu)如圖1所示，包含插頭與插座兩部分。插頭部分主要由插頭端子、護套等組成，插座部分主要由插座端子、護套等組成。插頭端子和插座端子一般為同種金屬材質(zhì)，插接導通電路，護套一般為塑料件，起到固定和防護的作用。連接器為可拆卸件，通常包含一定的自由度，但是，為避免使用過程中發(fā)生較大沖擊與振動，通常會將線束和護套進行固定。因此，連接器在使用過程中的振動傳遞路徑可分為以下幾種情況。

1）在鄰近護套的A、B處對線束進行固定，護套未能固定，插頭與插座均有一定的自由度。此時，插頭和插座均可視為質(zhì)點，基體的振動同時傳遞到插頭和插座上，插頭和插座具有相同的加速度，當插頭和插座質(zhì)量不同時，產(chǎn)生的附加作用力不同，將在端子連接處產(chǎn)生一定的接觸力變動，接觸力變動量與插頭和插座的質(zhì)量差正相關(guān)。護套相比端子具有更大的質(zhì)量，影響較大，為保持接觸的穩(wěn)定性，應減小插頭護套和插座護套的質(zhì)量差，以及護套間的間隙。

2）另一種情況較為常見，即是對外層護套進行固定，另一端具有一定自由度。此時，由于插頭端子為平整結(jié)構(gòu)，且端子的厚度較厚，剛度值較大，在外部激勵作用下的變形量相對插座端子較小，可將插頭端子視為剛性元件。插座端子提供接觸時的正壓力，為懸臂梁結(jié)構(gòu)，通常被視作彈性元件。在承受外部激勵時，插座端子更易發(fā)生彈性形變，從而改變接觸點處的接觸力大小，影響連接器穩(wěn)定性。因此，應主要對插座端子的振動響應特性進行分析。本文在分析連接器端子結(jié)構(gòu)參數(shù)對振動響應的影響時，僅考慮插座端子結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3" 插座端子振動相關(guān)性分析

初始狀態(tài)下，連接器端子具有一定的初始正壓力，以保證插座簧片與插頭端子間的接觸狀態(tài)。連接器端子在運行過程中受到外部激勵產(chǎn)生振動，當連接器具有一個自由度時，可認為插頭端子在觸點處會給插座簧片一個作用力，插座端子在外力的作用下產(chǎn)生振動。插座端子可視為單自由度振動系統(tǒng)，在外部激振力F（t）的作用下，不考慮簧片的阻尼特性，則簧片滿足如下所示的運動方程：

假定外部激振力為簡諧力，表示為：

F（t） = Fsinωt（2）

則方程的解可表示為：

x = Xsinωt（3）

代入運動方程，可求得幅值X為：

振幅越大，則插座端子根部所受應力越大，較大的應力易造成插座端子根部發(fā)生屈服現(xiàn)象，從而降低端子接觸點處的正壓力。另一方面，端子根部在長時間受到較大應力作用時，會發(fā)生應力松弛現(xiàn)象，亦會降低端子接觸點處的正壓力。端子接觸點處的正壓力降低，在振動環(huán)境下極易出現(xiàn)瞬斷等失效現(xiàn)象。為滿足連接器的使用要求，提高連接器的可靠性、穩(wěn)定性，要盡量降低簧片的振動幅值，即|k-mω2|應取大值。

公式（4）中，m為接觸點處的等效質(zhì)量。對于如圖2所示的插座端子結(jié)構(gòu)，其等效質(zhì)量可表示為：

式中：ρ——材料密度；b——簧片寬度；h——簧片厚度；a——簧片根部到接觸點之間的距離；θ——簧片自由端折角；l——簧片總長。

插座端子簧片的等效剛度k可表示為：

截面慣性矩I可表示為：

角頻率ω與外部激勵振動頻率f存在如下關(guān)系。將以上代入即可知，為滿足穩(wěn)定性，需滿足的條件為：

從上式可知，簧片各參數(shù)對保持接觸壓力穩(wěn)定性均有影響，其中簧片寬度越寬，對保持接觸壓力穩(wěn)定性越有利，其它參數(shù)則與激勵頻率相關(guān)。令：

將簧片端部折邊常見參數(shù)θ≈40°，l≈1.3a代入，則

簧片厚度與簧片長度的最優(yōu)取值與u的正負相關(guān)，當ugt;0時，簧片長度越小，簧片厚度越大，則對提高連接器性能越有利。當ult;0時則相反。u的取值與激勵頻率f緊密相關(guān)，在共振頻率fr處u=0。

常見連接器簧片厚度在0.3～0.6mm之間，接觸點到根部距離在3～6mm之間，代入可知u=0時，轉(zhuǎn)折頻率fr=2942～23533Hz。一般應用環(huán)境中，外部激勵頻率以中低頻為主，實際應用中需要關(guān)注的頻率一般在轉(zhuǎn)折頻率以下。

總結(jié)以上可知，在對簧片結(jié)構(gòu)設計上，可通過增大簧片厚度、減小簧片接觸點到端部的距離、增大簧片寬度等措施改善簧片根部受力特點，保持受力穩(wěn)定性，從而提高連接器耐振動可靠性。

4" 分析驗證

為驗證以上分析結(jié)論的準確性，建立連接器端子模型，并采用有限元方法進行計算，分析不同參數(shù)下簧片所受應力的變化情況。實際應用中，簧片的厚度一般由料帶厚度決定，其可設計性相對較差，而簧片長度和寬度的設計更具靈活性。因此，本部分主要對簧片在不同寬度和不同長度時，在振動激勵下應力的變化情況進行分析。

所建模型包括插座端子與插頭端子，與圖1所示插座端子和插頭端子結(jié)構(gòu)一致，采用QSn6.5-01作為端子材質(zhì)（楊氏模量為118GPa，密度為8.8g/cm3）。分析時設定插座為固定元件，插頭端為自由端，插頭端子受到外部激勵，并通過接觸點傳遞給插座端子。不同參數(shù)下，設定端子觸點處發(fā)生等幅值的位移量。

在分析簧片寬度變化與應力相關(guān)性時，建立了3組端子模型，所建模型中，簧片寬度依次為0.9mm、1.6mm和2mm，簧片厚度為0.3mm，簧片長度為3.6mm。設定端子接觸點處振動幅值為0.75mm，分析振動頻率為100Hz時簧片的應力變動情況，分析結(jié)果如表1所示。

在分析簧片長度變化與應力相關(guān)性時，同樣建立了3組端子模型，所建模型中簧片長度依次為3mm、4mm和5mm，簧片厚度為0.3mm，簧片寬度為0.9mm。設定接觸點處振動幅值為0.75mm，振動頻率為100Hz，計算結(jié)果如表2所示。

表1、表2中，初始應力指插頭端子插入插座端子時產(chǎn)生的靜應力，最大應力指在受到周期性載荷激勵時產(chǎn)生的最大應力值，應力變動率指最大應力和初始應力之差與初始應力的比值。應力變動率越大，表明在振動環(huán)境下，簧片的受力情況較為惡劣，發(fā)生塑性變形和應力松弛的可能性越大，連接器的可靠性越低。

從表1中可知，當保持簧片長度和簧片厚度不變，簧片寬度依次為0.9mm、1.6mm、2mm時，對應的應力變動率依次為23.08%、15.24%和14.88%。隨著簧片寬度增加，簧片應力變動率逐漸降低。從表2中可知，當保持簧片寬度和簧片厚度不變，簧片長度依次為3mm、4mm、5mm時，對應的應力變動率依次為15.83%、23.2%、52.33%，即應力變動率隨著簧片長度的增加而逐漸增大，簧片的受力狀態(tài)逐漸趨于惡劣。

從計算結(jié)果中易知，在振動環(huán)境下，簧片寬度及簧片長度與簧片所受應力的相關(guān)性和前述分析結(jié)論相一致。增加簧片寬度和降低簧片長度均可改善簧片在振動環(huán)境下的應力狀態(tài)，有利于提高連接器的可靠性。

5" 接觸力分析

插座端子與插頭端子間接觸力是連接器較為重要的設計參數(shù)，連接器的電性能參數(shù)與該物理量具有緊密聯(lián)系，接觸力穩(wěn)定性是連接器耐振動最直接的體現(xiàn)。為進一步驗證插座簧片結(jié)構(gòu)參數(shù)與耐振動性能之間的關(guān)系，在振動環(huán)境下，對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的接觸力變動情況進行分析計算。

計算分析時所建模型結(jié)構(gòu)樣式仍與圖1所示相同，端子材質(zhì)等參數(shù)設置及約束條件等與上述分析相同。分析不同參數(shù)影響時，均在插頭端子施加振幅為0.75mm、頻率為100Hz的正弦激勵。分析計算簧片寬度、長度、厚度3個結(jié)構(gòu)參數(shù)變化時接觸力的變化情況。

在分析振動環(huán)境下，簧片寬度變化與接觸力之間的相關(guān)性時，建立了3組對比模型。所建插座端子模型簧片厚度均為0.3mm，長度均為3.6mm，寬度分別為0.9mm、1.4mm、2mm。在分析簧片長度變化與接觸力之間的相關(guān)性時，同樣建立了3組對比模型，所建模型簧片厚度均為0.3mm，簧片寬度均為0.9mm，簧片長度分別為3mm、4mm和5mm。分析簧片厚度變化與接觸力之間的相關(guān)性時，建立的3組對比模型中，簧片寬度為1.4mm，簧片長度為3.6mm，簧片厚度分別為0.3mm、0.4mm和0.6mm。所建模型各結(jié)構(gòu)參數(shù)及計算分析結(jié)果如表3～表5所示。

在表3～表5中，初始接觸力指插座端子與插頭端子處與初始接觸狀態(tài)時的接觸力，最小接觸力指在受到幅值為0.75mm、頻率為100Hz的外界激勵時，在振動周期內(nèi)端子間所保有的接觸力。接觸力變動率指初始接觸力和最小接觸力間的差值與初始接觸力的比。接觸力變動率越小，端子間的接觸越穩(wěn)定，發(fā)生瞬斷等失效現(xiàn)象的可能性就越小。

表3為簧片寬度不同時所得計算結(jié)果，從中可知，當簧片寬度分別為0.9mm、1.4mm和2mm時，計算得接觸力的變動率分別為41.97%、24.69%和13.34%。接觸力間的變動率隨著簧片寬度的增加逐漸減小。表4為簧片長度不同時所得計算結(jié)果，從中可知，當簧片長度分別為3mm、4mm和5mm時，計算得端子間接觸力的變動率分別為28.93%、49.22%和76.44%。隨著簧片長度的增加，端子間接觸力的變動率逐漸增大。表5為簧片厚度不同時所得計算結(jié)果，從中可知，當簧片厚度分別為0.3mm、0.4mm和0.6mm時，計算得端子間接觸力的變動率分別為24.69%、3.97%和2.44%。隨著簧片厚度的增加，端子間接觸力變化趨緩，接觸更為穩(wěn)定。

接觸力變動率是評估連接器接觸穩(wěn)定性的直接參數(shù)，從計算結(jié)果可知，增加簧片寬度、縮短簧片長度、增加簧片厚度均可降低端子間接觸力變動率，維持端子間良好的穩(wěn)定性，對接觸力與端子簧片參數(shù)相關(guān)性和應力分析結(jié)果具有一致性。

6" 結(jié)論

1）根據(jù)連接器的結(jié)構(gòu)特征和受力特點，以插座簧片為主要研究對象，基于動力學理論，分析了簧片的振動響應，建立了簧片的等效質(zhì)量模型，通過分析振動響應與連接器耐振動性間的關(guān)系，總結(jié)了不同振動頻率下簧片各參數(shù)的設計原則。

2）結(jié)合實際應用，建立了連接器端子模型，并進行了仿真分析，在振動環(huán)境下對簧片根部應力變動量和接觸點處接觸力變動量進行了計算分析，驗證了理論分析的準確性，表明在常用環(huán)境中，可通過增加簧片寬度、縮短簧片厚度、增長簧片長度的方法來提高連接器耐振動性能。

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