圓柱式開槽接觸件技術研究

匡秀娟，郭振躍

(上海航天科工電器研究院有限公司，上海，200331)

1 前言

電連接器廣泛應用于軍用領域和民用領域，其可靠性對整個系統的安全可靠運行起著關鍵的作用。在飛機、導彈、艦艇等武器裝備系統中，軍用電連接器是用量最多的電子元器件之一，而電連接器失效率在軍用電子元器件中最高，約占總數的40%～50%[1]。接觸件作為電連接器的核心部件，對電連接器的可靠性起著決定性作用。

一般電連接器接觸件包括陽極接觸件和陰極接觸件兩個部分，通過陽、陰極接觸件的插合來實現連接器的連接功能。通常陽極接觸件位剛性件，陰極接觸件位彈性件，接觸件表面一般通過鍍層處理，以提高接觸件表面質量，一般為鍍金層。陽極接觸件以圓柱形插針最為常見，剛性插針一般由黃銅、鈹青銅或者磷青銅加工制成。陰極接觸件又稱為插孔，通常設計為彈性件，彈性插孔要求具有良好的彈性性能及機械強度，一般選用鈹青銅、磷青銅或者錫青銅。插針與插孔插合連接時，依靠插孔的彈性結構產生的彈性變形來提供兩接觸件間的接觸力，形成緊密的可靠接觸，實現電信號和能量的可靠傳輸。

相較于其它形式的接觸件，圓柱式開槽接觸件有如下特點，如表1所示。

表1 不同形式接觸件特點

接觸件接觸性能的好壞與接觸對間的接觸電阻大小有關，一般要求接觸電阻越小越好，這樣可以減小接觸電阻造成的功率損耗，減小接觸功率的同時也降低了接觸件的溫升。但是，越小的接觸電阻，則要求更大的接觸壓力，產生的插拔力也越大，造成接觸件插入困難，接觸件的磨損也隨之加劇，降低產品的插拔壽命。另一方面，拔出力不能太小，因為過小的拔出力會導致接觸對接觸不可靠，且較小的拔出力意味著較小的正向力，較小的正向力在各種環境應力的作用下可能使接觸對發生瞬斷，從而導致連接器接觸失效。

本文經過ANSYS有限元軟件分析得出接觸件插拔力，計算出接觸部位電阻，通過計算的接觸電阻應用于有限元溫升分析，可得到接觸件在工作環境的溫升。該方法可用于接觸件的正向設計，對于縮短設計周期和降低設計成本有很大作用。

2 接觸件插拔力仿真分析

2.1 開槽插孔分離力公式推導

以兩開槽插孔為例，對開槽插孔的分離力進行推導。插孔模型如圖1所示，為了便于使用極坐標進行積分計算，將原本水平的開槽變化為如圖所示的向心式開槽，通過理論推導該簡化導致的結果誤差在5%以內，可以接受。整個推導過程基于懸臂梁理論[2]。

圖1 插孔單邊橫截面圖和懸臂梁模型參數

對于圖1右邊的懸臂梁模型，L是插孔的開槽長度，fA是插孔臂的撓度，也就是縮口后插針插入時把插孔臂撐開的距離，P就是單邊插孔的正壓力。設插孔彈性模量為E，整個插孔臂的慣性矩為J。有

(1)

在摩擦系數已知的情況下，正壓力P是求取分離力的唯一變量，而該式右邊需要推導的就是慣性矩J，其余均為已知。

J是單邊插孔臂截面相對于其質心的慣性矩，如圖1，直接推導J比較困難，而該截面相對于中心軸x1的慣性矩JX1比較容易推導，這兩個慣性矩之間存在關系

(2)

式(2)中A是截面的面積，yS是截面質心到x1軸的距離。

如圖1，選取其中的一小塊，該小塊距離圓心距離為X，對應圓心角為dθ，徑向長度為dx。

由于該截面關于Y軸對稱，因此總的慣性矩是Y軸右邊部分慣性矩的兩倍。則該截面關于x1軸的慣性矩為

(3)

依然按圖1，有

(4)

由式(2)、(3)、(4)可以得出

(5)

由式(1)、(5)可以得出單邊正壓力

(6)

而分離力F=2μp，所以

(7)

式7中μ是摩擦系數，沒有潤滑情況一般為0.15～0.2，有潤滑則取0.1，E是材料的楊氏模量，α取弧度進行計算，其余參數見前面說明。

2.2 插拔力仿真分析

以60A大電流圓柱式四開槽接觸件為研究對象，圖2所示，仿真接觸件的插拔力大小。模型右端為剛性插針，材料為黃銅HPb59-1 Y。模型左端為彈性插孔，材料為錫青銅QSn4-3 Y。接觸件表面鍍金。

圖2 圓柱式四開槽接觸件

材料參數設置為雙線性彈塑性模型，如圖3所示，具體參數如表2。

圖3 材料特性曲線

表2 材料參數設置

本例中采用靜態結構模塊進行分析，邊界條件設置如圖4，固定插孔底部，圖中A所示。在開槽根部施加向中心位移，模擬縮口過程，圖中B所示。給插針底部施加軸向位移模擬插拔過程，圖中C所示。

圖4 邊界條件設置

整個過程分為四個載荷步。0-1S為收口過程，1-2S撤去工裝過程，撤去工裝后保證收口量為0.3mm，2-3S為插針插入過程，3-4S為插針拔出過程。插針與插孔接觸部位、工裝與插孔接觸部位均設置為摩擦約束，定義剛性插針表面為目標面，彈性插孔表面為接觸面，摩擦系數設置為0.2。對于摩擦接觸的求解算法，通常選用增廣拉格朗日算法，其中法向剛度因子設置為0.1，以避免因迭代次數過多造成計算結果不收斂等問題[3]。剛度更新選擇每一個迭代步。

該模型，通過仿真分析得出，2S末單瓣縮口量分布如圖5，縮口量約為0.3mm。此時，工裝向插孔中心位移量為7.1E-5m。

圖5 插孔收縮0.3模型縮口量

縮口到位后插拔力曲線如圖6所示，插入力約為18.8N，拔出力約為13.6N。

圖6 插拔力曲線

3 接觸件溫升仿真分析

3.1 接觸電阻

電連接器最重要的指標是接觸電阻，一般要求接觸電阻越小越好，這樣可減少接觸電阻造成的功率損耗。接觸電阻為收縮電阻、膜層電阻和體積電阻之和[4]。接觸壓力加大，接觸電阻減小，但永遠不會為0。為了保證接觸的可靠性，必須從接觸件的材料、接觸部位的形狀、接觸壓力以及接觸面是否潤滑等因素來考慮。壓力大，插拔時的摩擦大，磨損就大，插拔壽命就低。壓力小，由于應力松弛等因素，可能形成接觸不良。

一般采用接觸電阻通用公式進行計算：

(8)

ρ為材料電阻系數，H為硬度，F為正壓力，未考慮鍍層影響。

3.2 溫升仿真分析

以上述60A大電流圓柱式四開槽接觸件為研究對象，圖7所示，仿真接觸件的溫升。剛性插針材料為黃銅HPb59-1 Y。彈性插孔材料為錫青銅QSn4-3 Y。導線材料為紫銅T2。導線外面有橡膠包圍。導線直徑與長度按實際情況，導線截面積為10mm2,長度大于67cm，橡膠直徑為6.7mm。

圖7 圓柱式四開槽接觸件

材料參數設置如表3。

表3 材料參數設置

本次仿真模型中，根據接觸件插拔力仿真結果計算接觸件的接觸電阻，接觸電阻計算按公式(8)。

插孔材料為錫青銅QSn4-3，ρ1=0.091μΩ·m，電阻率插針材料為鉛黃銅HPb59-1，ρ2=0.071μΩ·m，硬度H]8.5×108N/m2。正壓力F總=拔出力/摩擦系數=13.6N/0.2=68N，由于接觸件為四開槽，因此每瓣的正壓力為F=68N/4=17N。得到每瓣的接觸電阻為0.51 mΩ，接觸電阻RC=0.258 mΩ/4=0.13 mΩ，接觸功率P=I2RC=0.468W。

采用熱電耦合模塊進行溫升分析，邊界條件設置如圖8所示。給所有外表面加對流輻射邊界，圖中A、B所示。給導線一端加0電位，另一端施加60A電流載荷，圖中C、D所示。給接觸部位按照接觸功率大小施加功率載荷，圖中E所示。給導線兩個遠端施加環境溫度邊界，圖中F所示。環境溫度為25℃。

圖8 邊界條件設置

在本次溫升仿真分析中，得出：在環境溫度為25℃條件下，整體溫度分布如圖9所示，最高溫度為44.9℃，最高溫度分布在插針和插孔對接位置處，最大溫升約為22.9℃，溫升低于30℃，符合設計指標。

圖9 溫升分布圖

通過仿真分析得出，接觸件兩端電壓分布如圖10所示，因此體電阻為Rb=(0.062962V-0.055504V)/60A=0.12mΩ。

圖10 接觸件兩端電壓分布

4 試驗測試

在試驗室對該樣品進行接觸電阻和溫升的測試，如圖11所示。

圖11 接觸電阻和溫升測試

用接觸電阻測試儀(LRT-20A可調電流)測得接觸件兩端接觸電阻為0.22～0.26mΩ。仿真得出接觸電阻為R=RC+Rb=0.13mΩ+0.12mΩ=0.25mΩ，實測與仿真一致。

實測得到接觸件在25℃環境溫度下，接觸件溫升為19.9℃，與仿真22.9℃溫升相差3℃，在可接受范圍內。仿真溫度偏高的原因是：仿真是在理想懸空狀態下的溫升，實測中接觸件下面為有機玻璃墊板，接觸件部分熱量會通過玻璃墊板，所以實測結果偏小。總體來說，該仿真設計精度完全能夠滿足設計的需要，對該類正向設計有指導意義。

5 結論

本文以大電流接觸件為研究對象，論述了圓柱式開槽接觸件的主要特點及其優勢，介紹了通過插拔力計算接觸電阻的基本方法。基于ANSYS Workbench分別用結構靜力學模塊和熱電耦合模塊仿真了接觸件的插拔力與溫升，仿真得到接觸件的插拔力計算接觸件的接觸電阻，仿真得到接觸件接觸電阻與測試接觸電阻一致。接觸件溫升仿真結果與測試溫升結果基本一致。仿真結果的精度能夠滿足設計需求，此研究方法大大縮短了設計周期，降低研發成本，有較高的實用價值，分析方法和過程也具有通用性，為圓柱式開槽接觸件的正向設計提供了方法和依據，對同類產品的研發也有一定的指導意義。