关于汽车连接器及其可靠性的探讨

2009年1月

河北工业科技

HebeiJournalofIndustrialScienceandTechnology

Vol.26,No.1Jan.2009

　　文章编号:100821534(2009)0120034203

关于汽车连接器及其可靠性的探讨

刘教民1,2,蒋宏毅2,王震洲1,刘　鹏1

(1.河北科技大学信息科学与工程学院,河北石家庄　050018;2.河北工业大学计算机科学与软件

学院,天津　300130)

摘　要:结合汽车连接器的发展和SEA/USCAR220(汽车连接器的测试及标准),分析了汽车连接器可靠性存在的问题,深入分析了影响连接器可靠性的原因,连接器的接触电阻和接触力直接影响了连接器的可靠性。指出应力松弛、永久性形变、腐蚀、表面的污染物、振动、微动等原因造成了接触电阻和接触力的不稳定,提出通过电镀的方法可以大大提高汽车连接器的可靠性。关键词:连接器;测试;接触电阻;接触力中图分类号:TN70　　　文献标识码:A

Automotiveconnectorsandtheirreliability

LIUJiao2min1,2,JIANGHong2yi2,WANGZhen2zhou1,LIUPeng1

(1.CollegeofInformationScienceandEngineering,HebeiUniversityofScienceandTechnology,ShijiazhuangHebei050018,China;2.SchoolofComputerScienceandSoftware,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin300130,China)

Abstract:WiththereferenceofSEA/USCAR220(standardofautoconnector’stest)andautoconnector’sdevelopment,weana2

lyzedthepossibleproblemsofautoconnector’sreliabilityandanalyzedthereasonsthataffectconnector’sreliability:thecontactresistanceandcontactforceaffectautoconnector’sreliabilitydirectly.Thepaperalsopointedoutsomereasonsthatcausetheinstabilityofcontactresistanceandcontactforce,suchasstressrelaxation,permanentdeformation,corrosion,pollutiononthesurface,vibrationandfretting.Itproposedtoimprovetheautoconnector’sreliabilitybyplating.

Keywords:connector;test;contactresistance;contactforce

　　随着汽车工业的快速发展,汽车上的各种功能件及各种零部件都在不断地向智能化、精细化及可靠性方向发展,对汽车连接器结构设计、外观设计及材料也提出了更高的要求[1～3]。下面就汽车连接器的可靠性作一探讨。

1)连接器触头的材料稳定、可靠;2)正向力稳定;

3)电路的电压和电流稳定;

4)温度要求在规定的范围之内,包括周围的温

度和自身的温升;

5)较好的鲁棒性。

为了满足汽车电子计算机的要求,汽车连接器在性能方面必须与高速长距离通信计算机用的连接器相同,另外,汽车连接器必须能在极恶劣的条件下可靠地工作,因此汽车连接器的设计必须满足以下一些要求:

1)连接器插入力:20.5kg以下;2)连接器保持力:2.5kg以上;3)耐热性:-40～120℃;

1　汽车连接器的规定

USCAR220作为汽车电气连接器系统的性能

标准,规定汽车连接器在整个使用周期内电器连接器接触面要始终可靠,包括以下几个因素:

收稿日期:2008207211;修回日期:2008211228

责任编辑:李　穆

作者简介:刘教民(19582),男,河南西峡人,教授,博士生导师,主要从事智能电器及机电一体化方面的研究。

　第1期　　　　　　　　　　　　刘教民等　关于汽车连接器及其可靠性的探讨35

4)耐冲击性:1000个周期;

5)耐振性:25g;

6)连接器接触电阻:变化在1mΩ范围内。

2　汽车连接器的测试

汽车连接器必须通过如下测试。2.1　机械性测试

1)端子至端子的啮合/分离力:本测试确定整个插头总成人工啮合和分离所需要的啮合/分离力。

啮合力是确定一个特定插头的结构是否适合于批量生产的重要考虑因素。

分离力是确定结构的可维护性和确保在整个车辆使用期间啮合连接使用可靠的重要因素。

2)端子抗弯力:本测试检查端子在装配过程中抵抗弯曲和破裂能力的最小强度。3)极化特征效果:本测试保证具有合适的极化特征,并且使得极化特征能防止一个插头的外壳与要被啮合的另外一半啮合的不正确,以及防止一个插头的外壳与其他不应当被啮合的另外一半啮合。它也试验极化特征在不正确装配尝试过程中防止端子损坏的有效性。

4)震动/机械冲击:本测试用模拟的加速方式将一个插头系统暴露在车辆实际使用环境的各种震动中。震动和冲击会导致端子交接面和电气触点的磨损和插头系统机械部件发生故障。

5)其他部件的啮合/分离力:本测试是为了确保插头总成部件。例如:TPAs,PLRs,CPAs,定位夹箍等能被有效固定,但是在有维修必要时又能够非常容易地进行拆卸和安装。2.2　电气测试

1)干式电路电阻测试:本测试确定在低能量状态下(干式电路:20mV开路电压和100mA电流极限)2种导线压接(如果是一个端板插头就只有一种压接)与一对配对端子接触面之间的组合电阻。

2)压降测试:本测试确定在标称电流状态下由于导线压接和接触面区域的电阻而产生的电压降。然后,可以根据电压降计算出总连接电阻。

3)最大试验电流能力测试:本测试的目的是为了确定端子系统在开始发生过度热降解和/或具有电阻之前在室温环境中能够承受的最大试验电流。

4)1008h电流循环测试:本测试模拟端子在车辆预期使用年限中的主要功能。电流循环是一种加速老化试验,该试验首先用电加热端子交接面和导线内芯的压接处,然后让它们在没有电流的状态下自行冷却,从而使得它们发生由于磨损、氧化、金属

间膨胀和应力松弛而产生可能会影响连接电阻值的

膨胀和收缩。

5)隔离能力测试:本测试验证一个连接器系统中任何2个空腔之间是否有足够的电阻值来防止经该插头系统的各种电路产生有害的导电现象。另外,除了以上所说的机械性测试和电气测试外,还有环境试验,其中包括热冲击测试、温度/湿度循环测试、高温暴露测试、流体阻力测试、压力/真空泄漏测试等,这些测试将进一步检验连接器的稳定性。

3　汽车连接器可靠性分析汽车连接器的可靠性分析主要是对连接器触头的分析,其中非常重要的2个因素就是触头接触力和触头的接触电阻。接触电阻包括2部分:体电阻和界面电阻。体电阻是接触体基底材料的电阻,界面电阻由收缩电阻和膜层电阻组成。收缩电阻取决于两接触面之间A点的数量与大小,它是由于在点的接触区收缩而产生的。膜层电阻与积聚在两接触体表面的氧化腐蚀膜有关。膜层电阻由于减小了金属接触面积而产生一个串联电阻。

注:两连接器触头连接时,垂直于接触表面的那些隆起的凸点称之为A点。

根据霍尔姆原理,得出连接器触头接触力与连接连接器接触电阻的关系见图1。

图1　接触电阻模型

Fig.1　Modelofcontactresistance

因此,可知连接器触头接触力:

2

πHρρmftHF=+。2

Rf4Rc

式中:H为触头接触面的硬度;ρm为接触电阻的电阻率;ρf为薄膜电阻的电阻率;t为薄膜厚度;

Rc为收缩电阻;Rf为薄膜电阻。

连接器接触力越大,其接触电阻就越小。造成接触电阻不稳定的因素如下。

1)应力松弛:周围的温度变化,欧姆加热;2)永久性形变:高度变形,震动/冲击负荷,热膨

36河　北　工　业　科　技　　　　　　　　　　　　　　　　第26卷　

胀;

3)腐蚀:主要为微孔腐蚀、微动腐蚀;

4)表面的污染物:磨损产生的碎屑、灰尘、摩擦

产生的集合反应、润滑油衰变;

5)振动:外环境;

6)微动:小振幅微运动,触头的微动也是影响连接器的稳定性的重要因素。

而,触头材料的性能决定了触头接触力。

为了提高连接器的稳定性,往往对连接器触头进行电镀,采用电镀的方法对触头进行改良,有以下优点:

1)连接器在使用环境中的抗蚀性能更好;2)装饰连接器的外表,使其光亮美观;3)提高连接器的工作性能,如硬度、耐磨性、导电性、电磁性、耐热性等。

4　结　语

汽车工业的电子连接系统表现出2种趋势:一个是电子连接器小型化,而另一个是大功率连接器。连接器的设计、材料的选择都是影响其稳定性的重要原因,电镀材料和电镀工艺研究也为汽车连接器的可靠性提供了更大的发展空间。

图2　触头微动2接触电阻关系图Fig.2　Relationofcontactfrettingandcontactresistance

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如图2所示:微动随着振动周期的增加使得接

触电阻逐渐增大。

连接器触头的性能和可靠性取决于触头的稳定性,触头的稳定性主要表现为在工作状态下连接器接触电阻稳定,触头的接触力决定了接触电阻。然

可靠性分析[J].电子与封装,2004,19(5):43248.

(上接第19页)

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图7　基于闭环的模糊神经网络和模糊

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Fig.7　Simulationresultsofimprovedfuzzyneural

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