車用方形連接器插拔力分析

祁建德 陳微微 唐 穎 夏 凱

（1．上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007；2．武漢理工大學機電工程學院，湖北 武漢 430070）

隨著汽車行業的不斷發展，汽車電子電氣系統日益豐富，汽車電連接器的數量也在不斷增多。汽車電連接器作為汽車電子電氣系統中傳遞信號和傳輸電流的基礎元器件，其性能的好壞直接影響了整車性能。其中插拔力是影響汽車電連接器的重要參數。插拔力過大會導致電連接器不易插拔，甚至會造成嚴重的塑性變形，同時也不利于裝配。插拔力過小則會導致接插件容易松脫。因此，選擇合適的插拔力對汽車電子電氣系統至關重要。

國內外學者主要通過理論推導和有限元軟件對連接器插拔力進行分析。丁元淇[1]等用有限元軟件對喇叭端子進行插拔仿真模擬，得到了端子的最大插拔力，并且指出有限元軟件可為車用連接器的設計研究提供依據；蔡川[2]等對手機雙 Nano+T 多合一卡連接器鐵殼彈片進行了插拔過程的有限元分析，得到了插拔力、保持力、疲乏等參數，驗證了鐵殼彈片設計的可行性；劉家華[3]等建立了雷達裝備中的VPX 高速背板連接器的簡單力學模型，并進行了連接器插拔過程的仿真分析和實驗驗證，得到了水平偏差和垂直偏差對插拔力和接觸電阻的影響關系；藺欣欣[4]等針對SMA 型連接器圓柱形插針插孔，建立了基于懸臂梁及考慮空心軸結構的插拔力理論模型，并且通過仿真，得到了包括接觸件倒角尺寸大小等結構參數對插拔力的影響情況。

1 車用方形電連接器力學理論分析

1.1 經典接觸理論

在工程中有很多的接觸問題，例如變速箱齒輪副之間的接觸、控制臂與輪轂支架偏心螺栓螺母連接的接觸、汽車電器插頭插針與線束插座插孔之間的接觸。這些實現汽車重要功能的接觸在接觸過程中往往從簡單的點接觸、線接觸到復雜的面接觸。為了求解這些汽車零部件在接觸過程中的受力是否滿足使用要求，往往需要使用經典接觸力學中的積分求解方法，也稱之為解析法，其方法依據是赫茲接觸理論[5]。赫茲接觸理論指出物體相互接觸時，接觸面中會出現橢圓形狀的接觸區域，在一定假設下，可以用二次曲面方程來表示接觸區域，接觸區域的橢圓a半軸和b半軸的計算公式如公式（1）～公式（4）所示[6]。

式中：R1、R1'為兩接觸物體中的其中一個在接觸區域附近位置的主曲率半徑，R2、R2'為兩接觸物體中的另一個在接觸區域附近位置的主曲率半徑，Φ為R1，R2所在的法平面間的夾角，α、β為與A、B相關的系數，P為接觸壓力，μ1、μ2為兩接觸物體材料的泊松比，E1、E2為兩接觸物體材料的彈性模量。

1.2 車用方形電連接器受力模型建立

車用電連接器種類繁多，根據外形的不同可以分為圓形電連接器和方形電連接器，其中方形電連接器結構較為簡單，用量較多；根據功能的不同可以分為防水件和非防水件，在乘客艙、行李艙等干燥區域選擇非防水件，其他無底板保護或者暴露區域等選擇防水件。電連接器端子從外形上可分為圓形端子和片型端子，根據用途的不同可以分為插頭端子（插入端）和插座端子（被插入端）。其片型結構如圖1 所示，其主要結構參數數值見表1。

表1 接觸件主要結構參數

在電連接器公母端連接時，是通過接觸件公端插入接觸件母端中與之接觸，從而使整個回路接通。插入過程中，接觸件公端在插入力的作用下與接觸件母端接觸，母端彈片會受到擠壓，與公端子之間產生支持力和摩擦力，從而壓緊公端子，使其不易松脫，其受力如圖2 所示。

由受力平衡可知，插入力與支持力、摩擦力的關系為：

式中：FC為插入力，FN為母端彈片對公端的支持力，f為摩擦力，其數值大小等于母端彈片對公端的支持力與摩擦系數的乘積。θ為插入過程中的母端彈片與水平方向的夾角（θ0為未插入時，母端彈片與水平方向的夾角，可根據接觸件結構尺寸確定），其與插入深度A以及接觸件結構有關，其關系表達式為：

因此，要得到公端子插入力的大小，還需得知FN的大小。FN為母端彈片對公端的支持力，也是公端對母端彈片的壓力，與母端的變形量有關。將母端彈片簡化為懸臂梁結構，如圖3 所示。

圖1 片型接觸件結構圖

圖2 公端子擠壓母端彈片受力分析圖

由彈性力學可知，壓力F 與撓度y 之間的關系為：

式中：E 為材料的彈性模量，為113 000 N/mm2；I 為母端彈片的截面慣性矩；c 為接觸件公端剛接觸母端時，接觸點到固定端的長度；l 為母端彈片片長，其表達式如公式（8）所示；y 是撓度，與插入深度以及接觸件的結構有關，其與θ 的函數關系表達式如公式（9）所示。

由公式（5）～公式（9）可知，當端子結構確定時，端子插入力與插入深度存在一定的函數關系，并且當接觸件公端插入母端彈片最高點對應的深度時，插入力最大。將所有參數帶入可得，最大插入力Fcmax為3.65 N。

2 車用方形電連接器插拔力有限元分析

2.1 電連接器插拔有限元分析

電連接器公母端插拔是典型的接觸問題。接觸問題在物理學上主要遵循以下3 條特征：不同物體的表面不相互滲透；不同物體之間可以進行法向壓力和切向摩擦力的傳遞；不同物體之間通常不傳遞法向拉伸力，即可以自由分離和互相移動[7]。

接觸問題是一種非線性問題，在有限元軟件中通常需要長時間的計算，并容易出現不收斂的情況。為了節約計算時間成本和易于模型收斂，可通過簡化模型不重要或不分析的部分、加密網格、增加過渡分析步以及細化增量步等操作實現。在ABAQUS 有限元軟件中的隱式求解器ABAQUS/Standard 和顯示求解器ABAQUS/Explicit，選擇隱式求解器以保證模型仿真分析精度。

2.2 接觸件有限元模型建立

圖3 母端彈片簡化懸臂梁模型圖

對電連接器進行插拔力的有限元分析，主要是對接觸件的受力分析，需要對片型公母端子進行建模。為了節省計算成本，在保證不影響計算精度的情況下，只對接觸件前半部分進行建模，而忽略壓接線徑部分。建立模型后，給公母端子設置密度ρ=8.9×10-9t/mm3，彈性模量E=113 000 N/mm2，泊松比等材料屬性，并對模型進行網格劃分。在插拔過程中，主要是公端子與母端彈片的接觸，因此對公端子以及母端彈片進行密網格劃分，其余部分進行疏網格劃分。網格模型如圖4 所示。

在連接器插拔過程中，還需要進行接觸屬性的設置。接觸屬性分為描述接觸面之間摩擦方法的切向屬性和描述接觸壓力與接觸面穿透關系的法向屬性兩部分[8]。在切向屬性上，設置“罰”函數模型，選擇接觸件相應材料的摩擦系數來表征接觸面摩擦屬性。在法向屬性上，設置接觸件公端與母端空腔上表面的接觸為“硬接觸”，表示兩接觸面之間無法滲透；設置接觸件公端下表面與母端彈片上表面的接觸為“軟接觸”，并且將接觸件公端下表面設置為主表面，母端彈片上表面設置為從表面，更好地表達了兩接觸面之間的應力變化。最終為了模擬插拔過程，給公端子設置橫向位移的邊界條件來代替插拔力。

圖4 網格模型

2.3 有限元結果分析

接觸件公端插入母端分為未接觸、彈片下壓以及平穩接觸3 個階段。在插入深度小于2.74 mm 時，接觸件公端和母端彈片并未接觸，母端彈片受到的正壓力和公端所受到的水平方向應力顯示為0。在插入深度大于2.74 mm，小于3.4 mm 時，接觸件公端不斷下壓母端彈片，母端彈片受到的正壓力和公端所受到的水平方向應力不斷增加，在接觸件公端插入母端彈片最高點附近時，插入力在公端子與母端彈片接觸的底面達到最大值3.452 N，其等效應力云圖如圖5 所示。在插入深度大于3.4 mm 時，接觸件公端和母端彈片平穩接觸，母端彈片受到的正壓力和公端所受到的水平方向應力基本不發生變化。

3 實驗驗證

車用電連接器插拔力實驗按照QC/T 1067.1—2017《汽車電線束和電氣設備用連接器第1 部分》中4.11 插拔力實驗要求。用夾具固定護套后，用力測試儀在距絕緣支撐20 mm 處夾持導線，以50 mm/min 的均勻速度把端子直線插入護套中，記錄端子在未到達預期的停止位置前插入護套所需的峰值力，即為插入力。實驗結果見表2。由實驗結果可知，實驗結果和理論值以及仿真結果接近，誤差為4.52%和9.70%，存在誤差可能是因為忽略了母端彈片的彎折等結構。

表2 插拔力實驗結果

4 結論

圖5 接觸件公端插入力應力云圖

該文對車用電連接器某片型接觸件的結構進行了分析，建立了其插入力與插入深度的力學模型，得到了其插入力與插入深度和結構之間的關系。建立了電連接器片型接觸件的有限元模型，利用橫向位移模擬插入過程，得到了接觸件所受應力最大處，以及所需最大插入力大小。將插拔力實驗結果和理論值以及仿真結果進行對比分析可知，理論值、仿真結果以及實驗結果都有一定的誤差，但誤差較小，可以驗證理論模型與仿真模型的準確性。