「燦科盟」連接器生產(chǎn)廠家(淺談連接器振動技術(shù)相關(guān)問題探討)

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怎么知道在車輛振動下，怎么知道連接器有哪些因素影響整車故障？根據(jù)多年經(jīng)驗(yàn)看，一臺車有幾百個(gè)連接器，其中約3000個(gè)單終端，連接器如果出現(xiàn)退化及其它故障時(shí)哪么有可能導(dǎo)致20%-50%的電氣出現(xiàn)問題。

因此召回的案例也比比皆是，所以對于連接器，尤其在混動和純電車輛下的高壓連接器的可靠性就及其重要， 相比靜態(tài)而言，車輛是移動的，所以就要著重考察在車輛全壽命及振動下的接觸的可靠性等性能，基于此， 這篇文章我想主要寫寫連接器在車輛振動下的幾個(gè)比較重要也是大家(無論是生產(chǎn)廠家還是使用廠家)應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注的，高壓互鎖瞬斷的問題、接觸區(qū)域ECR變化以及微動磨損的影響程度、連接器怎么降低以及吸收來車輛的振動;

高壓互鎖瞬斷的問題

按照高壓電對人的危害來看，一般超過60V DC/ 30 V AC就會對人造成傷害，就必須進(jìn)行電氣安全保護(hù)，而無論是在混動還是純電汽車，較高的電壓系統(tǒng)帶來了潛在的高壓電擊危險(xiǎn)，一般電壓上升會造成人體抵抗電流的內(nèi)阻(阻抗)下降，會導(dǎo)致電流流入人體，嚴(yán)重的電流會造成傷害以及死亡，所以按照SAE J2344、ISO 6469和IEC 60664等國際標(biāo)準(zhǔn)對觸摸安全連接的設(shè)計(jì)要求，引入高壓互鎖(HVIL)電路來保證高壓連接斷開的安全

整個(gè)回路中，如果有一點(diǎn)斷開，BMS自動會發(fā)送報(bào)警，所以HVIL連接設(shè)計(jì)的好壞非常重要，在實(shí)際的應(yīng)用中，這方面的出問題的比例非常高，怎么保證在嚴(yán)格的車輛振動情況下，HVIL接觸依然是良好的，這個(gè)需要在設(shè)計(jì)時(shí)注意;高壓連接器HVIL一般是由一個(gè)小的連接端子連接，一端采用短路設(shè)計(jì)，一端采用正負(fù)回路設(shè)計(jì)，連接器插合到位HVIL短路連接，未插合到位HVIL 開路狀態(tài)，BMS通過檢測HVIL回路的連接器情況來判定高壓回路是否安全，是否需要整車下電，按照實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)來看，這個(gè)地方的接觸不良現(xiàn)象較多，主要問題出在高壓互鎖端子的連接的可靠性，尤其需要滿足車輛振動的嚴(yán)格要求;

高壓互鎖其實(shí)就是一個(gè)信號端子，所以一般廠家設(shè)計(jì)其載流能力在5A以內(nèi)，其功率很低，大多數(shù)廠家也都是沿用了傳統(tǒng)汽車低壓插件端子現(xiàn)成的設(shè)計(jì)，嚴(yán)格來說，這個(gè)無可厚非，畢竟電動汽車振動的標(biāo)準(zhǔn)和傳統(tǒng)車輛對插件的標(biāo)準(zhǔn)也沒有太大的差異，但是在傳統(tǒng)車輛上，沒有什么高壓，沒有單獨(dú)的高壓互鎖概念，插件上也不用大小端子組合，插件的設(shè)計(jì)也充分考慮了端子的接觸可靠性設(shè)計(jì);但是在高壓連接器里，它的設(shè)計(jì)重要性還是沒有被單獨(dú)對待進(jìn)行設(shè)計(jì)，高壓連接器一般功率更大，其工作時(shí)周邊的腔室溫度也較高，周邊區(qū)域的環(huán)境溫度也較高，這個(gè)與傳統(tǒng)插件相比，這個(gè)互鎖端子一樣的設(shè)計(jì)，但是其工作環(huán)境還是有差異的，這種長期的工作環(huán)境會對基體材料的屈服老化變形產(chǎn)生重要的影響，使用壽命也會有所下降，尤其還要考慮高壓下的尖峰問題(瞬間電源、瞬間電流)材料在長期的溫度影響下，會發(fā)生老化變形，這種變形就會影響正壓力下降，在初期會經(jīng)常導(dǎo)致接觸時(shí)好時(shí)壞等現(xiàn)象，這個(gè)矩形還是圓形端子關(guān)聯(lián)不大，最終都是保證足夠的正壓力和接觸力的;

高壓連接器一般來說最低也要滿足100次以上的插拔，對于power pin來說這個(gè)很容易，但是對于尺寸較小，厚度較薄的互鎖端子來說，就需要特別注意這100次在加速老化后的接觸表現(xiàn)，這個(gè)地方完全可以通過測試來體現(xiàn)出來，而且你除了考慮互鎖端子本身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，你還必須考慮其腔體的尺寸在相關(guān)環(huán)境性能加速測試后的變化情況和溫度性;

上面啰嗦了好多廢話，總結(jié)一下，在85°環(huán)溫下做測試，看互鎖端子的材料變化情況，重點(diǎn)看其變形情況，最好在振動、溫度、濕度同步的情況下測試，同時(shí)通過設(shè)計(jì)模擬和實(shí)驗(yàn)來測試和驗(yàn)證其屈服的臨界點(diǎn)在哪里(不要迷信材料理論數(shù)據(jù));另外需要關(guān)注其裝配尺寸鏈在加速老化后是否還能保證如初，變化情況是否在可控范圍內(nèi);

接觸區(qū)域ECR變化以及微動磨損的影響程度

高壓連接器的公母兩端能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)通，是通過公端子和母端子接觸，從端子的結(jié)構(gòu)形狀來說，常見的要矩形和圓形的，因篇幅關(guān)系，這個(gè)地方我們只以圓形結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)來闡述，同時(shí)我們的分析是基于公母端連接有彈性件的;我把我之前為企業(yè)培訓(xùn)寫的資料摘抄了一部分，我覺得還是有必要做個(gè)簡單是梳理，雖然之前的文章多少也寫過;

端子的接觸簧片

其性能直接影響了載流的傳導(dǎo)的可靠性，振動下我們也是重點(diǎn)關(guān)注其接觸電阻及微動磨損的情況，端子簧片主要包含了三個(gè)重要的功能，傳輸電力或者信號、提供端子正向力來建立和維持可分離的端子接觸面、提供永久性端子接觸界面的連接點(diǎn)。中間的彈性接觸簧片的內(nèi)阻決定了連接器的壽命(性能不失效的情況下插撥次數(shù)) 和失效的發(fā)生，一般來說有幾個(gè)比較重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)需要在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮，材料、成型結(jié)構(gòu)(幾何形狀)、電鍍因素、插拔次數(shù)和圓周正向力等;

彈性接觸的材料以銅或者銅合金居多，包括黃銅、磷銅、鈹銅、純銅、其它合金等，鈹青銅因?yàn)槠淞己玫膶?dǎo)電率和屈服性能被廣泛的運(yùn)用到端子接觸件設(shè)計(jì)種。

成型結(jié)構(gòu)一般包含劈槽式結(jié)構(gòu)、冠簧結(jié)構(gòu)、線簧結(jié)構(gòu)、雙曲線籠簧結(jié)構(gòu)等，目前雙曲線籠簧結(jié)構(gòu)其多次插拔后的穩(wěn)定性比較高，通常在需要多次插拔的高壓高流場景得到普遍應(yīng)用，比如電動汽車充電口等，劈槽式結(jié)構(gòu)因?yàn)槠錈o法在插拔多次后保證良好的接觸電阻，我們不做過多闡述，我們可以簡單來比較一下冠簧、線簧、雙曲線籠簧 三者之間的優(yōu)缺點(diǎn);

冠簧是一種非常普遍的彈性接觸元件，我國在70年代初就已經(jīng)在批量用于航天、工業(yè)自動控制、軌道交通等領(lǐng)域，按其形狀還可以分為內(nèi)冠簧和外冠簧，其經(jīng)過很多的發(fā)展，其成本較為便宜，簧片一般采用銅材帶料沖制而成，其結(jié)構(gòu)形狀有點(diǎn)像腰鼓，兩頭大中間小，中間腰的部分就是公端PIN針插入后接觸的部分;

一般把冠簧裝進(jìn)母針的內(nèi)孔中需要采用專門的收口工具(目前都是自動化作業(yè)以保證精度)裝配后彈性材料回彈與內(nèi)套配合，電流從公端的PIN針流入簧片中間腰鼓的接觸區(qū)域(A)在中間區(qū)域流入簧片和內(nèi)套接觸區(qū)域(BC)實(shí)現(xiàn)傳導(dǎo)，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)來看，冠簧這種腰鼓式結(jié)構(gòu)其穩(wěn)定性不是很高，尤其是在車輛中，在傳遞高壓高流又要兼具插拔時(shí)，車輛的不規(guī)則振動會造成簧片中間區(qū)域和PIN針接觸不良，會造成微小的飛弧現(xiàn)象，時(shí)間長了會加速表面鍍層磨損，會造成氧化，接觸電阻會變大;另外在如圖BC的區(qū)域其其接觸力較弱，我們通過仿真軟件分析發(fā)現(xiàn)電流流經(jīng)此處時(shí)溫升較高，冠簧是通過一種彈性材料變化收口裝配至內(nèi)槽中的，其有止位臺階(如果BC處)，相當(dāng)于是一種懸臂梁結(jié)構(gòu)，長時(shí)間在車輛的振動環(huán)境下工作，容易造成材料屈服效應(yīng)，造成失效;

線簧孔結(jié)構(gòu)是大電流接線端子、接插件產(chǎn)品中高穩(wěn)定，高可靠的接觸元件，相比冠簧，其成本較高，一般只用于少部分場合，由數(shù)根金屬絲繞內(nèi)套，彎曲后，由兩外套，從前后兩端壓入并緊固位一體。由于金屬絲與內(nèi)套軸線斜交有一個(gè)角度，形成單頁雙曲面結(jié)構(gòu)，并形成一喉圓，其直徑小于兩端形成之孔徑。當(dāng)插針插入后，插針被各個(gè)金屬絲所包容，由于各個(gè)金屬絲都與插針接觸，并受到拉力，所以電連接接觸可靠，受力均勻 ;與冠簧的片式不同，線簧采用的是單根絲的傳導(dǎo)，而銅絲的數(shù)量排布越多，傳遞的性能越好，成本和制程難度也越大，其和冠簧在與內(nèi)套接觸不穩(wěn)定不同，其單根絲和PIN針之間的保持力是極具挑戰(zhàn)的;

對于以上2種接觸元件都存在一些問題點(diǎn)，所以對于電動汽車大功率，高壓高電流的要求下，出現(xiàn)了雙曲線籠式的結(jié)構(gòu)，本質(zhì)上來說，其是一種形狀結(jié)構(gòu)，接觸類型可以是片式也可以是絲狀，一般片式的居多，其接觸面積及穩(wěn)定性也較高，比較出名的是A廠家的Radsok專利技術(shù)

雙曲面簧的設(shè)計(jì)是存在一定的難度的，雙曲線是圓錐曲線的一種，即圓錐面和平面的交截線，雙曲線有雙曲線的函數(shù)，如下圖一個(gè)焦點(diǎn)在X軸上，一個(gè)焦點(diǎn)在Y軸上，中心在原點(diǎn)，有2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的推導(dǎo)方程式;

為什么要了解這個(gè)方程式呢?因?yàn)槿绻阆朐O(shè)計(jì)一個(gè)雙曲線的結(jié)構(gòu)籠簧，你就需要通過此公式和你的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行建模，通過模型帶入數(shù)值，形成雙曲線結(jié)構(gòu)，最終在3D上形成3D的雙曲線設(shè)計(jì)，再用3D的鈑金功能進(jìn)行展開，預(yù)留系數(shù);在此不展開詳細(xì)推導(dǎo)，感興趣的朋友可以自行推導(dǎo)和設(shè)計(jì)。

當(dāng)然，無論是矩形的片式端子還是圓形結(jié)構(gòu)，端子的類型比較多，上面簡單的說了幾種圓形的，除此之外，類似劈槽結(jié)構(gòu)的端子應(yīng)用也比較多，比如如下是住友早期的AC充電口的端子，主要在容錯(cuò)角度的保證、加工工藝改善保證加工精度、以及產(chǎn)品在UL2251的10000次插拔后的穩(wěn)定性 等方面做了改善和分析;

再比如ODU的 TURNTAC系列也是一種類似結(jié)構(gòu)，該系列的也被廣泛運(yùn)用在大功率場合，比如北美特斯拉北美的AC充電contact,再比如Huber Suhner的大功率液冷充電口等

總結(jié)：結(jié)構(gòu)類型是要基于你的設(shè)計(jì)要求來的，目前國內(nèi)各家也都陸續(xù)有自己的專利，也在逐步打破早些年外資幾乎壟斷的局面;但是還是需要從產(chǎn)品的穩(wěn)定性上去提高;

在確定端子的幾何形狀后，我們一般需要計(jì)算和測試樣件的正向力，通過對材料的選擇改善正向力，通過改善正向力來優(yōu)化接觸電阻的性能，首先我得知道什么是正向力，正向力的作用是什么，正向力(Normal Force)主要來自于兩連接器插接時(shí)插座的端子梁因與插頭配合產(chǎn)生的位移，由該位移產(chǎn)生的彈性恢復(fù)力就是端子正向力，又叫法向力，材料性能是決定端子正向力的基礎(chǔ)，假如把端子近似視為一懸臂梁(梁的一端為固定支座，另一端為自由端)根據(jù)懸臂梁理論，可得到端子的正向力計(jì)算公式 ，其中D=梁位移量,E=材料彈性系數(shù),W=端子寬度,T=端子厚度,L=端子長度，如果只是為了連接，其正向力可以很小的，但是如果為了保證接觸的機(jī)械穩(wěn)定性，那就需要平衡好正向力的大小了，正向力過大，直觀的感受就是插拔力過大，而且在插拔過程種，在早期就會快速破壞你電阻的表層，不利于連接器的長期壽命，如果正向力過小，那接觸電阻會非常的大，發(fā)熱會比較嚴(yán)重，因?yàn)楦g物會進(jìn)入接觸面之間，通常來說正向力我們希望在滿足性能的前提下越小越好，這個(gè)地方根據(jù)以往測試經(jīng)驗(yàn)，我們需要注意的是正向力和接觸電阻不是反比例關(guān)系，很多人認(rèn)為是不是正向力越大，接觸電阻越小呢?通過以往的測試實(shí)驗(yàn)結(jié)論，我們發(fā)現(xiàn)，在剛開始的時(shí)候接觸電阻是下降很快的，但是后面插拔次數(shù)一定后，接觸電阻就會趨于穩(wěn)定，原因在于在該階段接觸件表面膜層不斷破壞，表面膜層的破壞會導(dǎo)致接觸電阻中的膜層電阻R會不斷下降，所以接觸電阻較低，但是在插拔一定次數(shù)以后，比如500次以后，隨著插拔次數(shù)的增大，接觸件表面鍍層乃至基體不斷磨損導(dǎo)致觸表面粗糙，觸點(diǎn)接觸面積下降，同時(shí)經(jīng)多次插拔后，簧片元件接觸圈的彈性下降，插拔過程中接觸正壓力下降，導(dǎo)致接觸電阻增大，我們需要注意的是在測試的時(shí)候需要考慮溫度變化對材料的正向力的影響，這是非常重要的一點(diǎn)。一般來說，正向力都是需要借助仿真軟件和不斷的實(shí)驗(yàn)測試來優(yōu)化得出的，對于設(shè)計(jì)人員需要對接觸電阻的構(gòu)成、正向力的計(jì)算有一定的了解;

上面說了端子的結(jié)構(gòu)形狀等內(nèi)容，除此之外，鍍層也是影響ECR變化的重要因素，目前電動汽車高于連接器的鍍層基本是鍍銀層居多，但是這個(gè)鍍層它不是一層，一般來說 裸銅、鍍銅、鍍鎳、鍍銀;之前要朋友問為什么不能鍍錫，其實(shí)早期的連接器也要鍍錫的，由于鍍錫連接器由于其柔軟性，成本低，ECR(Electrical contact resistance)相對較低，在傳統(tǒng)汽車插件上應(yīng)用比較廣泛，但是錫是不能耐高溫的，而且微觀層面，鍍錫層在振動下會產(chǎn)生微動磨損，在微動腐蝕過程中，微動磨損反復(fù)將新鮮金屬暴露在大氣中，導(dǎo)致接觸界面上的 氧化和碎片堆積。這不斷減少導(dǎo)電面積和電導(dǎo)率。因此，當(dāng)振動被應(yīng)用于鍍錫連接器時(shí)，ECR將繼續(xù)名義上和逐漸地隨著時(shí)間的增加而增 加。但是與銀涂層的連接器可以使微動腐蝕不那么顯著;

在大功率連接器里，微動磨損的影響是沒有那么大的，當(dāng)然如果鍍銀層被反復(fù)的插拔或者其它因素導(dǎo)致磨損直至露出基體，那磨損影響程度會比較大，最直觀的就是其溫度會很快上升，ECR的數(shù)值也會很大; 在小電流連接器里結(jié)果是完全不一樣的;

連接器怎么降低以及吸收來車輛的振動

高壓連接器在振動下，受影響的層面很多，上面我們聊了高壓互鎖在振動下的問題，以及端子的接觸電阻和磨損腐蝕，下面我們聊聊連接器尾部出現(xiàn)線區(qū)域的影響;

電纜截面積越大，通過電纜長期施加給連接器的應(yīng)力就會越大，這個(gè)應(yīng)力會對尾部的防護(hù)可靠性以及尾部的壓接區(qū)域的接觸電阻造成比較直觀的影響，一般來說為了降低和消除這個(gè)應(yīng)力的影響，會通過2個(gè)層面來改善，我在這個(gè)地方增加了一個(gè)思考層面，就是3個(gè)層面：

連接器尾部出線固定

連接器固線器設(shè)計(jì)與運(yùn)用

帶吸收振動的阻尼防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

連接器尾部出線固定

這個(gè)出線固定方式很多，一般在商用車上會比較直觀，可以通過夾板等方式，基本上是在尾部出線110~150之間進(jìn)行固定，這個(gè)固定位置是比較有意思的，標(biāo)準(zhǔn)上我并未看見要明確的在布線上的要求距離，只在振動的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)上有所要求，但是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)不同的線徑規(guī)格，以及不同的安裝部位，其傳導(dǎo)應(yīng)力會要所差異，其固定的位置也會有略微差異;如果要研究產(chǎn)品更微觀的東西，感興趣的廠家可以在這個(gè)地方不斷的去仿真分析和試驗(yàn)來獲取一些經(jīng)驗(yàn)值

連接器固線器設(shè)計(jì)與運(yùn)用

這是從連接器層面去考量怎么最大程度提高連接器抗振性，有些做法是增加連接器尾部尾夾延伸距離，還有的企業(yè)是在尾部增加單獨(dú)的固線器，有對卡式的，也有螺釘固定式的，其實(shí)這種方式在工業(yè)以及軌交行業(yè)里設(shè)計(jì)很常見，也是變相的增加了一個(gè)固定點(diǎn)，不斷的降低振動的傳遞力，比如如下是Aptiv的一個(gè)專利固線器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu);

帶吸收振動的阻尼防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

比亞迪的同事說，在未來連接器應(yīng)該承擔(dān)更多的振動帶來的力，這個(gè)思路我也比較認(rèn)同，我覺得連接器在尾部的結(jié)構(gòu)，后面可以在考慮最大程度的設(shè)計(jì)一種同時(shí)可以防護(hù)，同時(shí)又可以吸收振動的彈性結(jié)構(gòu)，根據(jù)我在各個(gè)現(xiàn)場看到的問題，這個(gè)地方是一個(gè)非常值得深入去改善的地方，也非常希望看見國內(nèi)同行能有好的設(shè)計(jì)出現(xiàn);