汽車(chē)電連接器的接觸電阻特性及應(yīng)用

【摘" 要】隨著電連接技術(shù)的不斷發(fā)展，電流等級(jí)不斷提高，觸點(diǎn)處溫升過(guò)高的問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重，而接觸電阻的成因往往不能被直觀(guān)、科學(xué)地認(rèn)識(shí)，其基本計(jì)算公式也存在著適用性低、可重復(fù)性差且自相矛盾的問(wèn)題。目前多數(shù)在電接觸領(lǐng)域所得出的研究成果大多來(lái)源于仿真分析或模擬試驗(yàn)，缺乏對(duì)某一或某些電接觸件針對(duì)性的摸底試驗(yàn)結(jié)果，使得所得結(jié)論難以支撐理論設(shè)計(jì)。文章首先討論接觸電阻的物理性能，舉出幾種理論模型在實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題，采用理論計(jì)算結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證的方法來(lái)分析接觸電阻，并制備一批不同接觸面積的導(dǎo)電柱和接觸簧片，通過(guò)仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方式優(yōu)化插孔結(jié)構(gòu)，為電接觸的研究發(fā)展提供一定參考價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】固體表面；接觸電阻；仿真；汽車(chē)電連接器

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.62" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）08-0031-08

Contact Resistance Characteristics and Applications of Automotive Electrical Connectors

CHEN Qilei，ZHANG Yajie，GUO Hui，LI Liusheng，HAN Jianqiang，LI Chenguang

（AVIC Jonhon Optronic Technology Co.，Ltd.，Luoyang 471000，China）

【Abstract】With the continuous development of electrical connection technology，the current level is constantly increasing，and the problem of excessive temperature rise at the contact points is becoming more and more serious. The cause of contact resistance is often not intuitively and scientifically understood，and its basic calculation formula also has problems of low applicability，poor repeatability，and self contradiction. At present，most of the research achievements in the field of electrical contact come from simulation analysis or simulation experiments，lacking targeted experimental results for one or some electrical contact components，making it difficult to support theoretical design with the conclusions obtained. The article first discusses the physical properties of contact resistance，lists several theoretical models and their problems in practical applications，uses theoretical calculations combined with experimental verification to analyze contact resistance，and prepares a batch of conductive columns and contact springs with different contact areas. By combining simulation and experiments，the structure of the socket is optimized，providing certain reference value for the research and development of electrical contact.

【Key words】solid surface；contact resistance；simulation；automotive electrical connectors

作者簡(jiǎn)介

陳琦磊（1994—），男，工程師，碩士，主要從事新能源汽車(chē)大功率充電連接器設(shè)計(jì)研發(fā)工作。

1" 引言

任何電信號(hào)或能量傳遞過(guò)程依賴(lài)的連接被稱(chēng)為電接觸。隨著汽車(chē)行業(yè)的快速發(fā)展，各種電連接設(shè)備被大量應(yīng)用，電接觸理論研究不充分所帶來(lái)的技術(shù)和品質(zhì)問(wèn)題日漸凸顯。

1）固體表面。任何經(jīng)過(guò)精細(xì)加工的平面，微觀(guān)上都是粗糙不平的。這種粗糙表面相互接觸時(shí)，即便外加了很大的作用力，真正接觸的部分也只占名義接觸部分的很小比例，因此實(shí)際所有的接觸都是點(diǎn)接觸或多點(diǎn)接觸。

2）接觸。兩表面相互靠近時(shí)，投影的重合區(qū)域是名義接觸面積。隨后接觸面凸點(diǎn)開(kāi)始接觸，形成了離散的接觸斑點(diǎn)，其總面積被定義為實(shí)際接觸面積，而真正起到導(dǎo)電作用的區(qū)域只占實(shí)際接觸面積的一小部分。實(shí)際的接觸點(diǎn)放大后，各類(lèi)接觸面積簡(jiǎn)化示意如圖1所示，所有區(qū)域都呈點(diǎn)狀分布。導(dǎo)電接觸面積一般認(rèn)為是在亞粗糙度的間隙中產(chǎn)生，是半徑為a的圓形，稱(chēng)為a斑點(diǎn)，是唯一的金屬導(dǎo)電路徑。

3）收縮電阻。當(dāng)電流通過(guò)電阻率分別為ρ1和ρ2表面流過(guò)a斑點(diǎn)時(shí)，電流必然發(fā)生收縮，導(dǎo)致其收縮的阻力稱(chēng)為收縮電阻。利用等電位法[1]，得出收縮電阻公式（1）。

Rc=（1）

通過(guò)使用銅合金板中線(xiàn)兩端輸入電流的形式，可對(duì)觸點(diǎn)處的電流收縮進(jìn)行模擬（圖2）。模擬的前提條件為：直流電源，毫伏表，C18070銅合金帶（厚度0.5mm、長(zhǎng)50mm×寬38mm），電導(dǎo)率≥78%。故將銅合金板按照?qǐng)D2所示分區(qū)，每隔1cm進(jìn)行分格，共50×36格，通10A直流電流，通流點(diǎn)分別為（0，20）、（50，20），在每一個(gè)區(qū)域交界處測(cè)試電壓值，記錄各點(diǎn)與（0，20）點(diǎn)的壓降。平行板測(cè)試結(jié)果如圖3、圖4所示。由圖3可知，觸點(diǎn)兩側(cè)區(qū)域電壓降數(shù)據(jù)變化較為明顯，中間部分?jǐn)?shù)據(jù)變化較平穩(wěn)。根據(jù)電勢(shì)，可以繪制出電流流向，觸點(diǎn)兩側(cè)與收縮電阻處的電流十分相似，使電流線(xiàn)彎曲的阻力即為收縮電阻。

2" 當(dāng)前電接觸理論的局限性及修正措施

2.1" 當(dāng)前電接觸理論的計(jì)算公式

由于實(shí)際接觸面積小于名義接觸面積，a斑點(diǎn)必須承受可與接觸件材料強(qiáng)度相當(dāng)?shù)木植繅毫ΑＲ话阏J(rèn)為，實(shí)際接觸面積取決于表面微凸體的塑性變形量。在這種假定條件下，接觸點(diǎn)的面積A只與施加于電接觸界面的負(fù)荷F以及較軟材料的硬度H（與塑流應(yīng)力成正比）有關(guān)，與其名義接觸面積無(wú)關(guān)，即A=F/H。在塑性變形條件下，對(duì)導(dǎo)電接觸面積和實(shí)際接觸面積進(jìn)行近似替代，可以適用公式（2）。

Rc==（2）

即" " " " " "Rc=（3）

由式（2）、式（3）可得出，接觸電阻與施加的正壓力平方成反比，與名義接觸面積無(wú)關(guān)。公式的普適性與一系列接觸材料公布的許多單點(diǎn)接觸試驗(yàn)數(shù)據(jù)相一致。但實(shí)際情況中的導(dǎo)電一般在表面存在類(lèi)金屬膜，且為多點(diǎn)接觸。因此工程上將公式（3）中的常數(shù)和次冪用經(jīng)驗(yàn)常數(shù)進(jìn)行了代替，如式（4）所示。

Rc=（4）

式中：F——接觸壓力，N；Rc——接觸電阻，μΩ；K和m——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

2.2" 當(dāng)前電接觸計(jì)算公式的局限性

公式（4）中計(jì)算接觸電阻的過(guò)程與名義接觸面積無(wú)關(guān)，可是實(shí)際中常常發(fā)現(xiàn)，盡管正壓力一致，但是改變名義接觸面積的大小，仍然會(huì)導(dǎo)致接觸電阻的變化。

此外，直至目前，導(dǎo)電接觸面積和實(shí)際接觸面積的對(duì)應(yīng)關(guān)系仍然存疑，經(jīng)驗(yàn)常數(shù)K、m與許多復(fù)雜因素有關(guān)，不同研究者得出的K值和m值差別很大，導(dǎo)致在計(jì)算時(shí)要適當(dāng)選取這些常數(shù)往往感覺(jué)很困難，即使勉強(qiáng)選用，也因?yàn)榕c實(shí)際情況相距甚遠(yuǎn)而失去計(jì)算意義。近年來(lái)，雖然出現(xiàn)了一些接觸電阻模型和計(jì)算公式，但多因計(jì)算復(fù)雜、局限性較大，一些系數(shù)和參數(shù)又難以確定，故實(shí)際應(yīng)用效果不理想。

為驗(yàn)證名義接觸面積對(duì)電阻的影響，制備了一批不同名義接觸面積（25mm2、57mm2、90mm2、125mm2和158mm2）的導(dǎo)電柱。試驗(yàn)方法是將2個(gè)導(dǎo)電片置于導(dǎo)電柱兩端，然后對(duì)整個(gè)部件通流，通過(guò)控制壓力機(jī)逐步增加正壓力，測(cè)得對(duì)應(yīng)的電壓值，計(jì)算出接觸電阻。除壓力機(jī)外，所用儀器與本文上述測(cè)試等壓線(xiàn)的儀器相同。如圖5所示。

按照上述方法，可得F-Rc曲線(xiàn)，如圖6所示。從圖6中可以看出，接觸電阻與名義接觸面積正相關(guān)，接觸電阻可以大致分為3個(gè)區(qū)間：迅速下降區(qū)間、過(guò)渡區(qū)間、基本穩(wěn)定區(qū)間。

擬合后的F-Rc曲線(xiàn)如圖7所示，根據(jù)擬合結(jié)果（去除Flt;30N前的不穩(wěn)定數(shù)據(jù)），單個(gè)導(dǎo)電柱接觸電阻與正壓力符合冪函數(shù)R=KF-m關(guān)系，但名義接觸面積對(duì)接觸電阻的影響缺乏明確的變化規(guī)律，這主要是由于一旦名義接觸面積增加，觸點(diǎn)的分布（包含高度分布）會(huì)隨之變化，這種變化較難通過(guò)公式反映。但依然可以得出一些結(jié)論：盡管名義接觸面積不同，但是接觸電阻的變化規(guī)律仍然是較為一致的，即接觸電阻開(kāi)始趨向穩(wěn)定的正壓力。

這一點(diǎn)可以從接觸的微觀(guān)變化進(jìn)行解釋?zhuān)裹c(diǎn)壓縮如圖8所示。接觸首先發(fā)生在兩種材料較高的凸點(diǎn)處，凸點(diǎn)開(kāi)始被壓縮直至達(dá)到屈服強(qiáng)度的過(guò)程對(duì)應(yīng)了接觸電阻的迅速下降階段，隨后壓力繼續(xù)增大，接觸電阻已縮小至極限，并隨之趨于穩(wěn)定，因此，盡管觸點(diǎn)的分布發(fā)生了變化，但是m值是在微觀(guān)上的接觸向宏觀(guān)上的正壓力轉(zhuǎn)換中出現(xiàn)的，其代表微觀(guān)上單個(gè)小凸點(diǎn)的高度、大小及強(qiáng)度，任何對(duì)微觀(guān)的凸點(diǎn)接觸有影響的因素都會(huì)對(duì)m值產(chǎn)生影響，如材料的本質(zhì)屬性（晶體的性質(zhì)和生長(zhǎng)）、鍍層、污染物、表面膜的變形和破碎的規(guī)律等，但是與宏觀(guān)的表面粗糙度、觸點(diǎn)形狀、接觸形狀（a斑點(diǎn)形狀）等無(wú)關(guān)，即接觸電阻達(dá)到穩(wěn)定的趨勢(shì)是一致的。

此結(jié)論可以用于多彈片等多點(diǎn)接觸的電接觸件設(shè)計(jì)，采用單彈片的方式繪制F-Rc曲線(xiàn)，然后利用電阻的并聯(lián)公式計(jì)算總接觸電阻，得到的總接觸電阻可以認(rèn)為是實(shí)際接觸的總接觸電阻最大值，且單彈片在F-Rc曲線(xiàn)中的位置可以用于替代多彈片的接觸電阻位置，這樣可以在未開(kāi)模生產(chǎn)實(shí)際產(chǎn)品前，通過(guò)制備簡(jiǎn)單的樣品進(jìn)行試驗(yàn)繪制出F-Rc曲線(xiàn)，配合仿真分析對(duì)電接觸件結(jié)構(gòu)的合理性進(jìn)行評(píng)判。

為進(jìn)一步驗(yàn)證名義接觸面積對(duì)F-Rc曲線(xiàn)的影響，制備了一批薄金屬?gòu)椘佑|件，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

測(cè)試方法（圖9）主要分為4步：固定彈片、連接測(cè)電壓裝置、頂針自上而下施加正壓力、頂針退回，記錄全程的接觸電阻，測(cè)試設(shè)備與2.2章節(jié)中的測(cè)試設(shè)備相同。試驗(yàn)測(cè)得的F-Rc曲線(xiàn)如圖10所示。

從圖10可看出，對(duì)同一接觸件，去程時(shí)接觸電阻在迅速下降，區(qū)間內(nèi)總體小于回程時(shí)的接觸電阻，這是因?yàn)閷?duì)于新加工的表面，其接觸面的凸點(diǎn)高度分布差異化較大，在開(kāi)始接觸時(shí)，僅有少量的較高的凸點(diǎn)發(fā)生接觸，此時(shí)導(dǎo)電接觸面積相當(dāng)小，因此接觸電阻較大；對(duì)于已經(jīng)發(fā)生過(guò)擠壓的接觸面，由于較高的凸點(diǎn)已經(jīng)在去程時(shí)被壓縮、破壞，因此在相同的正壓力下，發(fā)生接觸的凸點(diǎn)數(shù)量和總面積都會(huì)有所增加，因此導(dǎo)致在迅速下降的區(qū)間內(nèi)回程的接觸電阻總體較小。

此外，在過(guò)渡區(qū)間和基本穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)，對(duì)于多點(diǎn)接觸和單凸點(diǎn)的接觸，其各自的去程與回程的接觸電阻相差不大，但是凸點(diǎn)接觸的接觸電阻整體較大，這也與上文中所述的名義接觸面積越大接觸電阻越小的結(jié)論相符。所有在正壓力約10N處的接觸電阻基本穩(wěn)定，進(jìn)一步說(shuō)明只要材料和鍍層不變，名義接觸面積對(duì)過(guò)渡區(qū)間和基本穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)的接觸電阻變化趨勢(shì)無(wú)影響。在連接器的設(shè)計(jì)中，接觸件的接觸電阻應(yīng)當(dāng)被設(shè)計(jì)在基本穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)，這一結(jié)論具有重要意義。

本文給出通過(guò)單點(diǎn)接觸的F-Rc曲線(xiàn)計(jì)算多點(diǎn)接觸的F-Rc曲線(xiàn)的方法：假設(shè)存在不含接觸面積且包含正壓力的接觸電阻估算公式且現(xiàn)有很輕的2塊金屬薄板，疊放后通電，并在表面施加正壓力F，實(shí)際接觸面積為S，m取0.5，那么可以得到接觸電阻公式（5）。金屬薄板單點(diǎn)接觸示意如圖11所示。金屬薄板雙點(diǎn)接觸示意如圖12所示。

Rc=K/Fm（5）

因?yàn)楣剑?）中不含接觸面積相關(guān)的因變量，現(xiàn)在人工將接觸面積分為兩部分，兩邊力都減半，按照電阻的并聯(lián)公式可得此時(shí)的接觸電阻為：

Rc分割為2份==Rc（6）

如果按照此方法分為n份，可得：

Rc分割為n份==Rc（7）

利用上述公式，可以通過(guò)單點(diǎn)接觸的接觸電阻估算多點(diǎn)接觸的接觸電阻，以上述25mm2、57mm2、90mm2、125mm2和158mm2的導(dǎo)電柱接觸為例，其原始數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

另已知當(dāng)名義接觸面積為25mm2，R=1532.6F-0.74692時(shí)，即m取0.75，那么通過(guò)計(jì)算可得，在F=200N時(shí)，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，由表2可知計(jì)算值與實(shí)際的重合性相當(dāng)好，可用于有單點(diǎn)接觸的曲線(xiàn)儲(chǔ)備時(shí)直接計(jì)算接觸電阻的方法。

2.3" 接觸電阻設(shè)計(jì)

根據(jù)上述描述，在設(shè)計(jì)接觸電阻時(shí)，應(yīng)當(dāng)以接觸電阻穩(wěn)定區(qū)間為設(shè)計(jì)目標(biāo)，穩(wěn)定區(qū)間的最小接觸電阻值規(guī)定為限制點(diǎn)A。一般連接器的插拔力不應(yīng)設(shè)計(jì)得過(guò)大，因此接觸件的正壓力應(yīng)當(dāng)在不影響使用的范圍內(nèi)盡可能小，可以通過(guò)連接器要求中輸入的插拔力要求計(jì)算得出對(duì)應(yīng)接觸件的正壓力上限，對(duì)應(yīng)的接觸電阻值規(guī)定為限制點(diǎn)B。此外，由于接觸電阻還與氧化腐蝕、金屬化合等連接器常見(jiàn)的失效機(jī)理相關(guān)，接觸壓力也會(huì)隨著蠕變和應(yīng)力松弛的方向逐漸降低，氧化腐蝕直接受到微動(dòng)磨損的控制，而微動(dòng)磨損又直接受到接觸壓力的影響，正壓力被設(shè)計(jì)得越大，微動(dòng)磨損則越嚴(yán)重，應(yīng)該使限制點(diǎn)A右移x，使之盡可能地向B處靠近，將其控制在一個(gè)接觸電阻足夠小，又不會(huì)使得微動(dòng)磨損急劇增加的位置，那么接觸電阻區(qū)間（A+x，B）即為接觸電阻設(shè)計(jì)時(shí)最為合適的區(qū)間。正壓力（橙）與接觸電阻（藍(lán)）和微動(dòng)磨損程度（藍(lán)）的關(guān)系曲線(xiàn)如圖13所示。

一般情況下，對(duì)于多彈片的電接觸件設(shè)計(jì)，通過(guò)選擇基體材料和鍍層優(yōu)化接觸電阻，降低蠕變速率和氧化腐蝕速率，避免產(chǎn)生金屬化合物，最終達(dá)到降低接觸件溫升，延長(zhǎng)連接器使用壽命的結(jié)果。在確定了材料和鍍層后，首先應(yīng)根據(jù)輸入的插拔力計(jì)算出對(duì)應(yīng)的正壓力，然后通過(guò)單彈片的F-Rc曲線(xiàn)計(jì)算得出總接觸電阻，再根據(jù)上文給出的公式計(jì)算實(shí)際的接觸電阻。正電接觸件推薦接觸電阻設(shè)計(jì)流程如圖14所示。

3" 仿真優(yōu)化實(shí)例

3.1" 背景及優(yōu)化路線(xiàn)

圖15為某冠帶結(jié)構(gòu)示意圖，結(jié)構(gòu)整體呈“簡(jiǎn)支梁”形式，插針與冠帶喉圓接觸，冠帶兩端觸點(diǎn)與后套接觸實(shí)現(xiàn)電連接功能。該插孔的接觸電阻實(shí)測(cè)值為80μΩ左右。

該冠帶插孔要求額定300A，對(duì)應(yīng)的插孔連接電阻應(yīng)該在30μΩ左右。針對(duì)以上項(xiàng)目背景需對(duì)冠帶結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化目標(biāo)詳見(jiàn)表4。

接觸件優(yōu)化流程如圖16所示。由于溫升性能與插孔的連接電阻相關(guān)，因此首先需給定連接電阻的目標(biāo)值，然后根據(jù)初步結(jié)構(gòu)計(jì)算簧片的體積電阻，進(jìn)而計(jì)算出接觸電阻的目標(biāo)值，隨即根據(jù)F-Rc曲線(xiàn)圖判斷接觸電阻目標(biāo)值是否合適（接觸電阻是否穩(wěn)定、正壓力是否合適），若不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求則調(diào)整插孔結(jié)構(gòu)。

經(jīng)過(guò)插孔結(jié)構(gòu)的初步調(diào)整計(jì)算后，得到接觸電阻目標(biāo)值和正壓力目標(biāo)值，然后以正壓力目標(biāo)值為基準(zhǔn)對(duì)尺寸和公差進(jìn)行微調(diào)，在滿(mǎn)足正壓力基礎(chǔ)上確保應(yīng)力分布合理，若經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整無(wú)法得到合適的應(yīng)力分布則應(yīng)考慮修改結(jié)構(gòu)或更改正壓力目標(biāo)值，然后進(jìn)行下一步計(jì)算。

3.2" 優(yōu)化過(guò)程

3.2.1" 確定連接電阻目標(biāo)

連接電阻值的大小直接影響溫升，因此需根據(jù)溫升結(jié)果來(lái)確定連接電阻的大小，為對(duì)比不同連接電阻下的溫升情況，采用仿真的方式進(jìn)行計(jì)算并確定最佳的連接電阻。溫升仿真數(shù)模示意如圖17所示。

仿真過(guò)程中邊界條件參數(shù)見(jiàn)表5，仿真結(jié)果見(jiàn)表6。

根據(jù)表6可知，連接電阻為≤30μΩ時(shí)對(duì)應(yīng)的溫升滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求，因此確定插孔連接電阻為30μΩ，確定連接電阻后以該值為目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.2.2" 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

連接電阻由簧片體積電阻和觸點(diǎn)處的接觸電阻組成。其中簧片體積電阻與簧片導(dǎo)電部分的尺寸（長(zhǎng)度、截面積）和材質(zhì)有關(guān)，觸點(diǎn)處的接觸電阻與插合后簧片對(duì)插針的正壓力有關(guān)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可先按照空間限制要求進(jìn)行初步設(shè)計(jì)得到簧片體積電阻，然后計(jì)算得到觸點(diǎn)處的接觸電阻的目標(biāo)值，隨之得到簧片正壓力的目標(biāo)值，最后經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算驗(yàn)證簧片的實(shí)際正壓力是否滿(mǎn)足該目標(biāo)，若不滿(mǎn)足則重新調(diào)整結(jié)構(gòu)，直至滿(mǎn)足連接電阻的目標(biāo)值。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化前，首先對(duì)老冠帶的簧片體積電阻和觸點(diǎn)處的接觸電阻進(jìn)行分析，為優(yōu)化工作指明方向。老冠帶簧片體積電阻見(jiàn)表7。

老冠帶插入力曲線(xiàn)如圖18所示，可得插針拔出力為11.326N，計(jì)算可得每個(gè)簧片對(duì)后套的正壓力為1.49N。

使用單簧片測(cè)試得出圖19所示的F-Rc曲線(xiàn)，可得單片的接觸電阻約為1.5mΩ，進(jìn)而可求得整個(gè)插孔的接觸電阻的最大值為39.4μΩ。此時(shí)，接觸電阻正處于不穩(wěn)定狀態(tài)，即接觸電阻的迅速下降階段，如上文所述，處于此階段的接觸電阻極易因?yàn)槲?dòng)磨損的累積及其他多種影響因素老化后迅速上升，必須要進(jìn)行優(yōu)化使其向右移動(dòng)至基本穩(wěn)定狀態(tài)。

綜上初步計(jì)算分析可得老冠帶的連接電阻最大值為57.1μΩ，同時(shí)根據(jù)圖20的應(yīng)力分布可知，插合后冠帶喉圓和根部均發(fā)生塑性變形，該現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致插拔力進(jìn)一步降低，對(duì)應(yīng)接觸電阻隨之增大，因此實(shí)際產(chǎn)品的連接電阻可能會(huì)大于57.1μΩ。

為了滿(mǎn)足連接電阻30μΩ的優(yōu)化目標(biāo)，需從3方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：①改善體積電阻，減小冠帶導(dǎo)電部分長(zhǎng)度，增加導(dǎo)電斑點(diǎn)的數(shù)量；②最為重要的是改善接觸電阻，調(diào)整喉圓尺寸、簧片角度等，增加簧片的正壓力；③提升產(chǎn)品穩(wěn)定性，優(yōu)化結(jié)構(gòu)使得冠帶應(yīng)力分布合理，確保插拔力穩(wěn)定。

1）新冠帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。優(yōu)化后的新冠帶結(jié)構(gòu)如圖21所示，整體片數(shù)由38改為31，每片的截面積由0.12增大為0.18；喉圓觸點(diǎn)一分為二，且2個(gè)觸點(diǎn)之間增加一段窄簧片，該段簧片可降低冠帶的剛度，防止簧片應(yīng)力過(guò)大而屈服；另外，導(dǎo)電部分的長(zhǎng)度由4mm改為3mm。

2）體積電阻計(jì)算。根據(jù)上文得到的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)冠帶的體積電阻進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表8。

3）接觸電阻目標(biāo)值。由接觸電阻=連接電阻-體積電阻計(jì)算得接觸電阻最大值為19.22μΩ，由接觸電阻=（單觸點(diǎn)接觸電阻×2）/片數(shù)/2，可得單觸點(diǎn)接觸電阻最大值要求為0.59582mΩ。

4）確定正壓力。對(duì)應(yīng)圖可得上述接觸電阻此時(shí)已處于亞穩(wěn)定位置，根據(jù)圖22曲線(xiàn)可知，正壓力此時(shí)為2.25N，考慮前文所述的微動(dòng)影響，為使接觸電阻進(jìn)一步達(dá)到穩(wěn)定位置，將正壓力擴(kuò)大至3.5～4.5N較為合適。

3.2.3" 結(jié)構(gòu)仿真分析

結(jié)構(gòu)優(yōu)化前，首先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性分析，找到主要影響的尺寸，并對(duì)該尺寸的影響趨勢(shì)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，最后基于仿真驗(yàn)證結(jié)果對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行微調(diào)以達(dá)到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)尺寸。經(jīng)分析，該結(jié)構(gòu)中主要包含5個(gè)重要尺寸，詳見(jiàn)表9。

1）數(shù)模簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化數(shù)模如圖23所示，僅保留與插合過(guò)程有關(guān)的結(jié)構(gòu)特征，以便節(jié)省仿真計(jì)算的時(shí)間。

2）材料參數(shù)。材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)采用雙線(xiàn)性的方式來(lái)近似代替，如圖24所示。具體的材料參數(shù)見(jiàn)表10。

3）接觸設(shè)置。接觸設(shè)置的具體參數(shù)如圖25所示，其中摩擦系數(shù)設(shè)置為0.1，接觸算法設(shè)置為增強(qiáng)拉格朗日法，接觸剛度系數(shù)設(shè)置為0.05。

4）網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分效果如圖26所示，冠帶網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.2，插針網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.5，后套網(wǎng)格尺寸根據(jù)軟件默認(rèn)進(jìn)行劃分。網(wǎng)格質(zhì)量分布如圖27所示。

5）仿真結(jié)果。冠帶與后套間隙Δ仿真結(jié)果見(jiàn)表11。通過(guò)表11可知，該尺寸對(duì)插拔力影響較敏感，尺寸較大時(shí)拔出力會(huì)出現(xiàn)大幅降低的現(xiàn)象。

通過(guò)表12可知，入口處簧片角度α對(duì)拔出力和應(yīng)力分布的影響均不大。

通過(guò)表13可知，導(dǎo)電部分簧片角度β主要影響拔出力，角度越小，對(duì)應(yīng)拔出力也越小，同時(shí)應(yīng)力峰值也會(huì)稍微降低。

通過(guò)表14可知，喉圓的變化對(duì)拔出力和應(yīng)力均有顯著影響。

通過(guò)表15可知，喉圓之間的距離S對(duì)拔出力和應(yīng)力分布均有影響，但影響不明顯，該值越大，對(duì)應(yīng)的拔出力和應(yīng)力越小。

3.2.4" 最終結(jié)構(gòu)尺寸仿真結(jié)果

結(jié)合尺寸變化對(duì)拔出力和應(yīng)力分布的影響趨勢(shì)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對(duì)性的反復(fù)調(diào)整，最終得到合適的結(jié)構(gòu)尺寸，對(duì)應(yīng)拔出力和應(yīng)力分布仿真結(jié)果如下。

插入力-位移曲線(xiàn)圖如圖28所示，當(dāng)位移為14mm時(shí)對(duì)應(yīng)的插入力即為拔出力，通過(guò)計(jì)算可得每個(gè)簧片的正壓力F=23/62/0.1=3.71N，結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖22所示的接觸電阻已經(jīng)處于基本穩(wěn)定位置，如上文所述，實(shí)際的總接觸電阻會(huì)更小，滿(mǎn)足輸入要求。

簧片的應(yīng)力分布云圖如圖29所示，僅中間部分區(qū)域超過(guò)了屈服強(qiáng)度極限，該部分無(wú)電流經(jīng)過(guò)且不影響喉圓尺寸，因此應(yīng)力分布滿(mǎn)足使用要求。

接觸電阻的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值一致性較好，該冠帶結(jié)構(gòu)經(jīng)論文上述方法優(yōu)化，滿(mǎn)足輸入要求。

4" 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于接觸面內(nèi)導(dǎo)電斑點(diǎn)如何決定和觀(guān)測(cè)，如何構(gòu)建科學(xué)的接觸電阻計(jì)算公式，幾十年來(lái)眾多學(xué)者做了大量的努力，但至今仍未得到完美解決。本文在接觸電阻應(yīng)用性上取得了一定的研究進(jìn)展，對(duì)當(dāng)前接觸電阻計(jì)算的局限性進(jìn)行了分析，提出了行之有效的結(jié)合試驗(yàn)分析、理論計(jì)算和有限元仿真指導(dǎo)電接觸件設(shè)計(jì)的方法，并進(jìn)行了實(shí)例操作。未來(lái)可以在本文的基礎(chǔ)上繼續(xù)做以下研究：①研究不同環(huán)境、材料、膜層的性質(zhì)，導(dǎo)出含有材料參數(shù)、名義接觸面積、正壓力等多個(gè)參量的計(jì)算公式，特別是能反映接觸電阻的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律；②對(duì)于從事汽車(chē)連接器設(shè)計(jì)生產(chǎn)與制造的企業(yè)而言，應(yīng)當(dāng)盡可能多地儲(chǔ)備各類(lèi)常見(jiàn)材料和鍍層的F-Rc曲線(xiàn)，便于設(shè)計(jì)人員取用，縮短電接觸件設(shè)計(jì)周期；③由于任何電接觸件，無(wú)論接觸電阻輸入要求如何，都應(yīng)當(dāng)被設(shè)計(jì)在基本穩(wěn)定區(qū)間，而復(fù)雜環(huán)境下電接觸件長(zhǎng)期使用后，接觸電阻升高的相關(guān)規(guī)律是影響F-Rc曲線(xiàn)中基本穩(wěn)定區(qū)間位置確定的關(guān)鍵因素，目前并沒(méi)有去驗(yàn)證A點(diǎn)、B點(diǎn)與x值選擇的科學(xué)性。此外如何提高電接觸件的工作可靠性和壽命，仍需進(jìn)行詳細(xì)的研究。

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（編輯" 凌" 波）