基于ABAQUS的車用連接器插座端子彈片結構優化設計

李?輝?，張明柱?

（1．河南科技大學機電工程學院，河南 洛陽 471003；2．河南天海電器有限公司，河南 鶴壁 458030）

基于ABAQUS的車用連接器插座端子彈片結構優化設計

李?輝1，2，張明柱1

（1．河南科技大學機電工程學院，河南 洛陽 471003；2．河南天海電器有限公司，河南 鶴壁 458030）

利用ABAQUS軟件的力學性能及電性能分析方法，在分析車用連接器電連接系統插座端子常見的3種不同彈片結構形式的機械和電氣性能的基礎上，提出了一種具有“雙彈片”特征的新型彈片結構。經過結構優化設計，由該彈片結構構成的新型連接器，具有電氣特性不減弱、機械插拔力特性明顯提高的特點。應用該連接器將提高車輛電氣連接的可靠性及操作舒適性。

ABAQUS；汽車連接器；端子；插拔力；溫升；電壓降

車輛電連接器是一種“機電系統”，它通過機械的方法提供一種可分離的界面建立電連接，用以連接兩個次電子系統［1］，同時，為各電連接回路提供可靠的絕緣保護。電連接界面在次電子系統接通與分離過程中，不影響整個系統的運行功能。在汽車連接器行業，ABAQUS常被應用于產品的非線性動態應力/位移分析和電/熱耦合分析［2］。本文將應用ABAQUS軟件CAE分析方法，并結合連接器開發經驗，對汽車連接器插座端子常見的3種彈片結構進行插拔力機械性能和接觸電阻/電壓降/溫升電氣性能對比研究，分析其各自特點，針對存在的機械插拔力及電性能最優化問題，提出一款綜合性能更優的彈片結構，并進行結構優化設計。

1 汽車連接器的主要電氣連接性能指標

汽車連接器電連接界面的建立依靠“端子對”，即插座端子（通常稱為母端子）與插頭端子（通常稱為公端子），該電連接界面的“可分離性”依靠其插座端子內的彈片結構保證，因而，插座端子內部的彈片結構對于電連接系統而言至關重要。汽車連接器電連接系統構成如圖1所示。

圖1 汽車連接器電連接系統構成

汽車連接器電連接系統的可靠性主要包括機械性能和電氣性能。

1.1 機械性能

汽車連接器由端子對形成的接觸界面必須是可分離的。這就要求該端子對在接通和分離時應具備一定的可操作性和耐久性。中國連接器行業標準QC/T 1067—2017《汽車電線束和電氣設備用連接器》規定，確保沿端子中心線以50 mm/min的勻速對插端子，考查以下3項。

1）第1次插入力 簡稱“一插”，即第1次嚙合到位所需的峰值力。

2）第1次拔出力 簡稱“一拔”，即第1次完全分離所需的峰值力。

3）第10次拔出力 簡稱“十拔”，即端子重復插拔10次，測量第10次完全分離所需的峰值力［3］。

1.2 電氣性能

汽車連接器電連接系統要形成可靠的電連接接觸界面，確保電路連接的穩定暢通。按照電接觸理論，汽車連接器電連接系統考查如下幾個關鍵參數。

1）接觸電阻/電壓降 反映電連接接觸界面的阻抗性能，通過測量接觸點的電壓降（即電壓損耗），間接計算接觸點的接觸電阻。

2）觸點溫升 即接觸點溫度與環境溫度的差值，根據焦耳定律：Q=I2RT可知，接觸點溫度與接觸電阻大小成正比關系。

以上2組性能參數是衡量汽車連接器電連接可靠性的重要指標，在連接器端子開發，特別是插座端子彈片結構設計過程中必須考慮。

2 連接器插座端子常見彈片結構形式及其特性

根據插頭端子與插座端子嚙合后插座端子彈片的結構特點，可以將插座端子彈片劃分為以下3種常見類型。

2.1 懸臂型

如圖2所示，插頭端子與插座端子嚙合到位后，插座端子彈片一端由端子壁連料折彎而來（與端子壁連為一體），而彈片的末端懸空，與端子內壁無接觸，類似于懸臂梁，故稱之為懸臂型。應用ABAQUS軟件，分析得出該類彈片的CAE分析數據［4］，如圖3和圖4所示。

懸臂型彈片結構在以往產品中較常見，上述分析與以往開發經驗吻合，該類結構有如下特點及不足。

圖2 插座端子彈片間隙

圖3 懸臂型結構插拔過程模擬

1）端子嚙合力小 多線連接器滿線對接力小，操作舒適性好。

2）端子嚙合正壓力小 此正壓力即彈片對插頭端子的夾緊力，在大負載工況及振動環境下觸點易發熱，這是該類彈片結構的致命缺陷。

3）制造過程穩定性差 在高沖模具生產時料帶劇烈振動，彈片間隙G不穩定（圖2），極端情況下，當G尺寸大于插頭端子厚度時，電連接系統失效，電氣功能喪失。

4）端子耐久性差 在振動和高溫作用下，銅材性能下降，彈片發生應力松弛，最終將導致電連接器失效。

2.2 卷舌型

如圖5所示，端子彈片呈“卷舌”狀，“卷舌”末端與端子內壁接觸，起支撐作用。應用ABAQUS軟件，可以分析出該類彈片的CAE分析數據，如圖6和圖7所示。

圖4 懸臂型結構插拔力分析

圖5 卷舌型彈片結構

以上分析結果與開發經驗相吻合，該類結構有如下特點與不足。

1）端子嚙合正壓力大 連接器接觸可靠，能承受較高的振動和溫度環境。

圖6 卷舌型結構插拔過程模擬

2）端子插拔力大 將導致多線連接器在滿線對接時操作力過大（＞100 N），操作舒適性差，這也是主機廠經常反饋的品質問題。

2.3 簡支型

如圖8所示，簡支型彈片結構與懸臂型最大區別在于：插頭端子嚙合到位后，彈片末端與端子內壁接觸，形成“簡支梁”。并且，其彈片末端設置卷曲結構R，在端子嚙合過程中，便于R在端子內壁滑動。該彈片結構相對于前述2種結構既可減小端子插拔力又可提供可靠的正壓力，保證電連接系統的可靠性。其CAE分析數據如圖9和圖10所示。

對于相同規格（端子規格：指其適配插頭端子的寬度，是表征端子大小的重要參數）端子而言，以上3種結構性能對比如圖11所示。3種彈片中，簡支型綜合性能最優，在汽車連接器上廣泛應用，但實際上，它并不完美：其插拔性能比起懸臂型還有一定差距。那么就需要尋找一種彈片形式可以達到機械性能和電性能的最佳融合，即占據圖11中右上角虛線框位置。

圖7 卷舌型結構插拔力分析

圖8 簡支型彈片結構

圖9 簡支型結構插拔過程模擬

圖10 簡支型結構插拔力分析

本文將應用ABAQUS分析軟件，在簡支型結構基礎上，優化設計出一種電性能相當但機械插拔性能明顯提升的新型彈片結構。

3 新型彈片結構特征及連接器優化設計

新型彈片結構如圖12所示，以既有簡支型彈片結構為基礎，在不降低其電性能的前提下，能夠提升機械性能，即降低其插拔力。

彈性簡支結構與普通簡支結構最大的不同點在于：支撐彈片末端的端子內壁上設置一處彈片結構T。對彈片支撐由內壁的固定支撐變為彈片的彈性支撐，賦予簡支彈片末端額外彈性，從而降低端子嚙合過程中克服彈片變形所施加的力，以降低端子插拔力。

圖12 彈性簡支型彈片結構

應用ABAQUS軟件對彈性簡支型結構進行分析［5］，結果見圖13和圖14。從圖13可以看出，新設置彈片T在端子嚙合過程中是起作用的——以連接部為支點旋轉變形。圖10和圖14中插拔力對比，如表1所示，新型彈片結構的插拔力低于簡支型，機械插拔性能得到明顯提升。

圖13 彈性簡支型結構插拔過程模擬

圖14 彈性簡支型結構插拔力分析

表1 插拔力對比

應用ABAQUS軟件對二者進行通電溫升對比［6］。對二者同樣通15 A工作電流，分析數據見圖15和圖16，二者曲線走向一致，且隨時間延續彈性簡支型溫升趨于穩定，電性能更優，新型彈片結構優化設計成功。

圖15 端子溫升CAE分析示意圖

圖16 簡支型與彈性簡支型溫升模擬數據對比（15 A）

4 總結與展望

汽車連接器電連接系統插座端子常見的3種既有彈片形式各有優缺點，對比分析表明簡支型彈片結構綜合性能上更優，但機械插拔性能上仍有提升空間。

本文提出一種改良型彈片結構——彈性簡支結構，應用ABAQUS軟件分析表明其電性能與簡支型彈片結構無明顯差異，但機械插拔性能有明顯提升。

［1］ 富士康集團華東智權室.汽車連接器手冊［Z］.1998.

［2］ 石亦平，周玉蓉. ABAQUS有限元分析實例詳解［M］.北京：機械工業出版社，2006.

［3］ QC/T 1067—2017，汽車電線束和電氣設備用連接器［S］.北京：中國標準出版社，2017.

［4］ 丁元淇，康金燦，杜艷萍，等. 車用連接器端子的結構仿真分析［J］. 汽車電器，2016（7）：51-53.

［5］ 王永安，張文建，梁晉豫. CAE分析產品的彈性變形［J］. 汽車電器，2010（12）：13-14.

［6］ 丁元淇，李曉英，李厚琨，等. 車用插接器電熱性能仿真分析［J］. 汽車電器，2016（7）：39-41.

Optimized Design of Spring Tongue Structure of Socket Terminal for Automobile Connector Based on ABAQUS

LI Hui1，2，ZHANG Ming-zhu1
（1. College of Mechanical and Electrical Engineering，Henan University of Science and Technology，Luoyang 471003；2. Henan THB Electric Co.，Ltd.，Hebi 458030，China）

Based on the mechanical and electrical properties of three different spring tongue structures，which are commonly used in the socket terminal of the vehicle connector，a new spring structure is proposed，using ABAQUS software.After the structural optimization design，the new connector which is composed of the spring tongue has been improved mechanical characteristics without affecting electrical characteristics. The application of the connector will improve the reliability and operation comfort of the electrical connection.

ABAQUS；automotive connector；terminal；engage amp; disengage force；temperature rise；voltage drop

U463.62

A

1003-8639（2017）11-0059-04

2017-07-28；

2017-07-31

國家自然科學基金資助項目（51375145）

李輝（1982-），男，河南商丘人，工程師，從事連接器研發和項目管理工作11年；張明柱（1964-），男，河南伊川人，博士生導師，研究方向為車輛傳動與控制技術。

（編輯 章 子）