連接器端子彈片的形狀優(yōu)化

李厚琨，王武軍，王榮喜，趙平堂

【摘? 要】因汽車整車輕量化和汽車電子電器技術(shù)發(fā)展要求，汽車連接器逐漸趨于小型化，小規(guī)格端子應(yīng)用越來越廣泛，但小規(guī)格端子存在正向力小的缺陷。本文通過有限元軟件對(duì)小規(guī)格端子彈片結(jié)構(gòu)進(jìn)行形狀優(yōu)化，進(jìn)一步仿真驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)在有限空間內(nèi)具有較大接觸正向力的端子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】端子；有限元；優(yōu)化

中圖分類號(hào)：U463.62? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1003-8639（ 2023 ）03-0032-02

Shape Optimization of Connector Terminal Spring*

LI Hou-kun，WANG Wu-jun，WANG Rong-xi，ZHAO Ping-tang

（Henan THB Electric Co.，Ltd.，Hebi 458030，China）

【Abstract】Due to the vehicle lightweight and the development of automobile electronic and electrical technology，automobile connectors are gradually becoming smaller，therefore small-sized terminals are more and more widely used.Small size terminals have a defect of small positive force.In this paper，finite element software is used to optimize the shape of the small-sized terminal，then set the simulation of the terminal model to verified the structure.The terminal structure design with large contact normal force in limited space is realized.

【Key words】terminal；FEM；optimization

由于汽車車身輕量化要求以及汽車用連接器集成度的提高，汽車用的電連接端子規(guī)格也隨之越來越小。小規(guī)格端子限制了端子彈片的寬度，則其彈片變形產(chǎn)生的正向力較小，從而影響著產(chǎn)品的接觸電阻及可靠性。同時(shí)，正向力與振動(dòng)測(cè)試時(shí)之瞬斷有密切的關(guān)系，增加正向力可改善瞬斷問題。目前，現(xiàn)有的小規(guī)格端子在使用時(shí)易出現(xiàn)接觸正向力低，造成端子接觸穩(wěn)定性低，從而引起連接器接觸不良，甚至出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象。本文通過仿真軟件優(yōu)化端子彈片結(jié)構(gòu)。

1? 形狀優(yōu)化

優(yōu)化設(shè)計(jì)是以數(shù)學(xué)中的最優(yōu)化理論為基礎(chǔ)，通過計(jì)算機(jī)運(yùn)算，在滿足約束條件的情況下，對(duì)模型進(jìn)行迭代求解，逐步趨近目標(biāo)，得到優(yōu)化設(shè)計(jì)模型［1］。形狀優(yōu)化主要研究如何確定連續(xù)體結(jié)構(gòu)的邊界形狀或內(nèi)部幾何形狀以改善結(jié)構(gòu)特性。在形狀優(yōu)化中，多以減小應(yīng)力集中、優(yōu)化應(yīng)力分布、提高疲勞耐久壽命為目標(biāo)［2］。本文利用有限元仿真軟件ABAQUS，定義優(yōu)化目標(biāo)為最小化最大應(yīng)變能密度，邊界條件為端子彈片根部完全約束，約束條件為體積不變，厚度不變，沿彈片下壓方向加載位移。

圖1為彈片下壓量0.2mm，多次優(yōu)化循環(huán)后彈片殘余應(yīng)力云圖。初始彈片殘余應(yīng)力最大值為169.9MPa，一次優(yōu)化循環(huán)彈片殘余應(yīng)力最大值為171.0MPa，5次優(yōu)化循環(huán)彈片殘余應(yīng)力最大值為157.9MPa，10次優(yōu)化循環(huán)彈片殘余應(yīng)力最大值為123.1MPa。可知，經(jīng)過10次優(yōu)化循環(huán)彈片殘余應(yīng)力最大值下降46.8MPa，下降約27.5%，優(yōu)化后彈片殘余應(yīng)力得到明顯改善。

圖2為多次優(yōu)化循環(huán)后彈片正向力變化圖。初始彈片最大正向力為12.39N，一次優(yōu)化循環(huán)彈片最大正向力為12.96N，5次優(yōu)化循環(huán)彈片最大正向力為15.16N，10次優(yōu)化循環(huán)彈片最大正向力為17.05N。可知，經(jīng)過10次優(yōu)化循環(huán)，彈片下壓0.2mm，最大正向力增加4.66N，增加約37.6%，優(yōu)化后彈片最大正向力得到顯著提高。

由圖1所示，彈片在優(yōu)化過程中，折彎處寬度在不斷增加，即其應(yīng)力產(chǎn)生區(qū)域?qū)挾炔粩嘣黾印８鶕?jù)懸臂梁彈片正向力公式［3］：

式中：F——端子彈片正向力；d——端子彈片下壓量；E——端子彈片材料的彈性模量；W——端子彈片的寬度；t——端子彈片料厚；L——端子彈片懸臂長(zhǎng)度。

應(yīng)力產(chǎn)生區(qū)域?qū)挾鹊脑黾樱瓷鲜街蠾增加，根據(jù)公式端子彈片正向力也增加可知，形狀優(yōu)化結(jié)果正向力增加符合懸臂梁理論。

2? 3D設(shè)計(jì)

小規(guī)格端子，其方箱寬度較小，若按照常見的端子設(shè)計(jì)，其彈片不能提供足夠的正向力，則端子接觸容易出現(xiàn)接觸不良或接觸失效。根據(jù)端子彈片形狀優(yōu)化結(jié)果，將端子彈片折彎處寬度設(shè)計(jì)為與端子方箱寬度一致，在方箱兩側(cè)設(shè)計(jì)讓位槽，這樣充分利用了有限的設(shè)計(jì)空間，提供最大的正向力。如圖3b中框內(nèi)所示，在端子彈片尾部接觸處設(shè)計(jì)反向折彎觸底，進(jìn)一步增加正向力。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)已申請(qǐng)專利（專利號(hào)：CN202010603329.2）。

3? 有限元仿真

如圖4～圖6所示，端子連續(xù)插拔兩次，一次插入力峰值為3.29N，一次插入力穩(wěn)定值為1.73N，一次拔出力為1.37N；二次插入力峰值為2.34N，二次插入力穩(wěn)定值為1.69N，二次拔出力為1.37N；一次插拔正向力為5.23N，二次插拔正向力為5.17N。由于第一次端子插入時(shí)，端子彈片發(fā)生塑性變形，所以一次插入力峰值大于二次插入力峰值，一次插入力穩(wěn)定值大于二次插入力穩(wěn)定值，一次拔出力等于二次拔出力，一次插拔正向力大于二次插拔正向力。

端子鍍層為鍍錫，正向力大于3N時(shí)，端子電接觸性能穩(wěn)定；端子鍍層為鍍銀，正向力大于1N時(shí)，端子電接觸性能穩(wěn)定。由仿真結(jié)果可知，該型結(jié)構(gòu)端子正向力大于5N，滿足正向力要求。

4? 結(jié)論

本文通過形狀優(yōu)化，得到一種提高端子正向力的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

只增加端子彈片折彎處寬度，即可提高端子彈片正向力，這種設(shè)計(jì)可以有效利用端子設(shè)計(jì)空間。

該優(yōu)化結(jié)構(gòu)有效降低了端子彈片受壓后的殘余應(yīng)力。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 林葉芳，江丙云，閆金金，等. 連接器端子件的結(jié)構(gòu)分析及其優(yōu)化研究［J］. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2015（9）：215-218.

［2］ 李艷輝. 剛架結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)形狀優(yōu)化［D］. 西安：西北工業(yè)大學(xué)，2005.

［3］ 王武軍. 車用電線束插接器端子正向力探討［J］. 汽車電器，2012（12）：36-37.

［4］ 李厚琨，邵麗娜，王榮喜，等. 基于有限元法的汽車連接器掛鼻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析［J］. 汽車電器，2017（8）：56-58.

［5］ 傅加平，賀毅，張永生. 仿真軟件在連接器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］. 電工電氣，2009（10）：35-36，44.

（編輯? 楊? 景）