四款常用电连接器接触端子可靠性研究

1.引言

电连接器作为一种基础电器元件,被广泛应用于航空、航天、水电、电子通信、交通运输、石油钻探等各行各业的电气线路中,起着电路连接或断开的作用,实现电信号的传输以及各类电子设备装置之间的电连接^【1】。新能源电动汽车作为新型交通工具,在全球节能减排、低碳环保可持续发展等要求下,以特斯拉公司为代表的新能源电动汽车的推出,引发整个新能源电动汽车行业的高速发展。中国各传统车企以及各路资本的强势注入,新能源电动汽车产业及相关企业如雨后春笋一般,遍地开花。

随着各整车企业的高速发展,整车电控、电路及信号系统的控制通断所需要的关键元器件——电连接器的使用量大大增加。据估计,随着驾乘者对新能源电动汽车驾驶乘坐舒适性和安全可靠性要求的提高,预计今后每一辆新能源电动汽车上所使用电连接器数量将达到600-1,000只,远远大于目前所使用的数目。根据统计,目前各种控制系统失效或故障发生的70%主要来自于元器件的失效,而这70%的元器件故障中又有40%左右是由电连接器的失效引发的。接触端子作为安装于电连接器中的信号连接传输的核心关键件,其可靠性高低直接影响电连接器可靠性的高低以及整个系统的可靠性高低。

本文简要介绍了目前主要使用的四款接触端子的结构以及相关工作原理等,并在此接基础上对这四款端子的可靠性失效分析和可靠性设计方面进行介绍。最后在电连接器接触端子可靠性设计及选材等方面提出一些建议,希望本文能为读者今后在电连接器接触端子可靠性设计和研究中起到一些参考作用。四款接触端子示意图见下图(见图1)。

图1  四款常用接触端子图

2.国内外主要接触端子介绍

国外一些知名的连接器公司,在电连接器各类接触端子的研究开发投入了较多的人力物力和财力。如总部位于德国施瓦本州的德国宝马弹簧有限公司研究开发的环形弹簧触指、表带触指等,广泛使用于小空间内强电流的传递,在多种静态或动态的中高压环境下使用具有优异的综合性能,可用于汽车、电力行业及其他各种行业的电连接器上(具体见下图2)。

图2  宝马弹簧公司各类触指

总部位于浙江,主体研发团队在四川绵阳的永贵科技公司作为一家以轨道电连接器起家的高科技上市公司,紧紧跟踪电连接器行业内的国内及国际有实力的公司,在电连接器接触端子开发研究方面取得了不菲的成绩。成功开发研制出来了直径φ0.2mm、φ0.3mm和φ0.4mm等系列化的斜圈椭圆弹簧触指,大量应用于本公司各类电连接器的接触端子中和屏蔽环。同时开发研制的冠带式和双曲线式转簧触指也广泛使用于各类电连接器上。还有应用于通讯和军工上的麻花针插针。以上各类接触端子触指的成功开发和实际应用,彻底打破了国外公司的技术封锁和垄断,增强了公司以及国内电连接器的国际竞争力(具体见图3)。另外还有深圳的尼索科公司,在电连接器各类触指的研发也较为成功。

图3  永贵公司各类触指

3.四款接触端子可靠性研究

20世纪60年代初,随着美国首次载人航天飞行,洲际导弹的发射,以及原子能、核电站的应用等尖端和军事科学技术的发展,要求对一些极为复杂的系统,做出有效的可靠性与安全性评价。故障树分析法就是在这种复杂大系统高可靠性要求下产生的。故障树分析法(简称FTA,即:Fault Tree Analysis,)又称事故树分析,是安全系统工程中有关可靠性分析的最重要方法。该方法采用一定的逻辑符号,从一个可能的故障开始,自上而下、逐层寻找到最顶层事件的直接原因和间接原因事件,一直至基本原因事件,并用相应的逻辑图把这些事件之间按照输入为“因”,输出为“果”的逻辑关系表达出来。

本论文利用故障树分析法对目前几款常用接触端子的可靠性进行分析研究。接触对故障树分析图(见图4)

图4  接触对故障树分析图

3.1圆柱劈槽接触对失效分析

圆柱劈槽接触对主要依靠在母端(插孔)上劈槽,形成悬臂梁弹性弹片,在公端(插针)插入母端(插孔)后与弹性弹片接触变形产生接触压力。

圆柱劈槽接触对的公端与母端长期对插,弹性弹片长期处于工作状态和伴随着整机的振动,出现应力松弛,导致弹性疲劳,接触正压力随着时间的推延,逐渐减小;电连接器工作环境恶劣,接触对按照于电连接器内部,处于半密封或全密封工作状态,公母端工作是产生的热量长期极具,母端弹性弹片高温下发生高温蠕变以及加速了表面镀层电化学腐蚀等;公母端表面镀银处理,在一定相对湿度条件下,公母端表面有一层微薄水膜,导致发生原电池化学反应,出现化学腐蚀,主要表现为氧化腐蚀或硫化腐蚀^【2】。铜、银等金属处于相对湿度65%以上时有害工业气体氛围中,特别是其中的含硫气体(H2S、SO2等)及O2、CO2等,易在公母端表面生成硫化物和氧化物Ag2S、Ag2O、CuS等;公端设计加工出现微裂纹或者应力集中断裂;固定公母端的绝缘安装板孔位设计加工出现偏差,导致公端与母端对插中心偏离等;以上原因都是导致接触对的接触电阻增大,电接触不良,甚至造成整个电器系统出现故障。另外圆柱劈槽式接触件承受振动、冲击的作用往往需要更大的接触压力,由于弹性簧片长度方向可能与加速度方向垂直,本身的质量较大,产生的加速度冲击力也很大,这样一旦超出弹性正压力后就会出现瞬短导致系统失效。

3.2麻花针式接触件失效分析

麻花针式接触件公端采用高导电的铍铜丝绕制而成,依靠铍铜丝的弹性提供接触压力,实现电接触。传统麻花针式接触件采用内层3根铍铜丝,外层7根铍铜丝(3+7组合),内外层不同螺距的绞成。绞成后,一头熔焊成球面,另一头压接在一个金属管内,该接触对的特点是接触稳定、接触电阻小。其中要求里层铍铜丝直径较小,外层铍铜丝直径稍大反向绞合,两端焊接,插针中部凸起,凸起部分外切圆直径大于插孔内径,工作时,插针凸起部分受力产生压缩变形和轴向旋转伸长,并与插孔形成七点紧密接触。现在推广使用3+9组合和3+10组合的轻插拔力的麻花针。

麻花针式接触对的公端与母端长期对插,公端的铍铜丝由于直径较小,长期处于受压状态,容易导致铍铜丝出现弹性减弱,乃至最后没有弹性,对插公母端正压力减小或者完全丧失弹性;在电连接器出现异常状况时,公端的铍铜丝易出现烧蚀,发生铍铜丝变形或者断裂;公母端长期处于相对湿度65%以上时有害工业气体氛围中,很容易在公母端表面生成硫化物和氧化物;另外镀层腐蚀氧化后容易造成铍铜丝与母端表面粘连,导致接触电阻增大失效。该类接触对由于弹性铍铜丝的直径较小,公端刚度低,公母端对插连接属于柔性连接,可以很好的避免公端与母端对插偏离现象;该类接触对插合后,即使在很小的接触压力下也可以承受较高的振动、冲击作用;同时也很好的克服了接触对相互间的接触磨损;多根铍铜丝的比表面积远比单个插针表面积大,可以避免工作热量的大量聚集;而麻花针式接触对插合时,公端处于受挤压状态并且圆周分布,质量较轻,受到的加速度冲击较小,一般不会出现瞬短情况。

3.3双曲线式接触对失效分析

双曲线式接触对的母端一般由内套、弹性金属丝、外套三部分组成,内套负责支撑弹性金属丝。按照数学双曲面的构成原理,每根弹性金属丝沿内套纵轴方向成一定夹角并斜向拉直,两端弯曲勾住内套的两端,这样就形成了两端大而中间小的单叶回转双曲面线簧母端,该母端内部由数根均匀分布弹性金属丝构成,相当于多对接触件并联使用,根据并联电路知识知道,该结构母端与公端对插时,接触电阻少,使可靠性大大提高。单根的弹性金属丝在内套中与内套的中心轴形成一定的夹角(一般为5~15°)并向内套的两端外壁弯曲,通过内套、弹性金属丝与外套之间的过盈配合,用外套将弹性金属丝压紧固定在内套的两端。

双曲线式接触对的母端与公端对插,由于公母端长期处于插合状态,随着整机上的电连接器振动,接触对相互间也会出现振动,弹性金属丝在长期振动应力作用下出现松弛而导致弹性疲劳;公母端长期处于有害工业气体氛围中,很容易在公母端表面生成硫化物和氧化物,导致接触电阻增大失效。但该类接触对也有很多的优点。与麻花针式接触对一样,具有较好的自动对中性和大的比表面积,可以很好的克服公母端对插的偏离和避免接触处的热量累积现象。

3.4冠带(簧片)式接触对失效分析

冠带(簧片)式接触对是由母端主体内装冠带(簧片)构成。母端主体采用铜及铜合金加工而成,表面镀银处理。内装的冠带采用高导电率的铍青铜料带,利用级进模冲压成型,可以很容易实现自动化大批量生产,零件加工精度高。

冠带(簧片)式接触对的接触正压力大小由:内装的冠带外圆和内装冠带的矩形槽的尺寸公差关系密切。当冠带外圆尺寸偏大,装冠带处矩形槽内径尺寸偏小,正压力大。同样冠带式接触对的冠带容易发生应力松弛;在产品的长期振动条件,冠带弹片随着电连接器的振动容易导致疲劳失效等。母端中的冠带也会与对插的公端发生摩擦磨损,导致表面镀层的硫化和氧化,电接触电阻增大出现电连接失效等。

4.提高四款接触端子可靠性的设计及选材要求

对于圆柱劈槽接触对,为了保证公端插入母端时有良好的导向作用,通常把公端头部设计成球面或锥面。公端的台阶过渡区域一般设计成圆角,避免应力集中,提高公端的强度和刚度。在设计较大尺寸的该类接触对时,还必须解决好直径过大公端插入母端时,防止弹性簧片对公端外表面镀层的损伤,以及能承受规定次数的机械插拔寿命。通常是在插孔簧片外圆增加护套,护套口部设计为锥形导向口,导向口的直径比插针直径大(根据接触件配插直径的不同,约在0.05~0.13mm左右)^【3】。当公端直径减小到Φ0.6mm以下时,其强度和刚度大大降低,在公母端相互对插很容易折弯或者断裂,在电连接器的设计时,就应当考虑将公端大部分陷于绝缘安装版之内,避免公端的受非正常外力损坏。

对于麻花针式接触对设计时,可以通过减小内外层铍铜丝直径,降低其刚度,并增加铍铜丝根数等措施,使插拔力减小50%～70%的同时,这样同等规格尺寸的接触对,外层铍铜丝根数的增多,增大了接触面积,降低接触电阻,优化接触性能。

对于双曲线式接触对设计时,务必计算好内套外径、弹簧丝直径和外套内径这三个相关尺寸的公差。如果过盈量太多,在内套与外套压装时很容易折断中间的弹簧丝;如果过盈量不够,在内套与外套压装时中间的弹簧丝不能确保固定牢靠,在对插过程中容易出现弹簧丝的溃散。另外弹簧丝的直径公差务必严格控制,否则会出现各批次的成品母端内外套配合公差不稳定,成品的接触正压力偏差较大,直接影响到公母端对插工作时的接触电阻大小,最后影响所使用电连接器的温升已经信号传输等的稳定性。

对于冠带(簧片)式接触对设计时,对用于成型冠带铍铜带料的抗拉强度和屈服强度必须在原材料检验中明确规定出来,否则冠带冲压成型后的外圆尺寸公差无法控制;也保证成型后的冠带的弹性;同时对控制母端基体安装冠带处的矩形槽尺寸非常困难;从而影响到公母端插拔时的正压力和接触电阻的稳定性。另外冠带的高度与安装冠带处矩形槽的宽度尺寸配合要求务必控制好。如果没控制好,都会导致各批次成品的正压力大小偏差较大,无法控制。

另外对本文中讨论的四款接触对表面处理和选材等共性问题作一说明。电连接器接触对主体材料主要选用铜及铜合金为主体,如H62 Y2、H68、HPb59-1 Y、T2 Y2、C14500等,其中的弹簧丝和冠带通常选用高导电的铍铜丝或带材和铬锆铜C18510等;公母端的表面处理需要严格按照工作环境、使用要求以及客户特殊要求进行相应的表面处理,公母端主体和表面镀层合适的硬度可以有效的增大接触面积,减小接触电阻,降低静态接触时公母端的发热倾向,较高硬度可以很好的避免公母端之间的粘接产生,有效降低熔焊面的焊合并提高接触对的机械磨损能力,能更好的保证良好的电性能可靠性。

5  结束语

端子接触对作为电连接器的关重件,其可靠性高低直接影响制约着电连接器的可靠性及其使用寿命^【4】。说到底,电连接器可靠性寿命直接由安装于其中的端子接触对决定,从而影响使用电连接器的大系统可靠性水平,因此务必自始至终把握好端子接触对的可靠性设计要求,并贯穿于系统研制的全过程。

【1】张菊花.国外电连接器可靠性试验情况介绍【J】机电元件。1988.8(1):35~41

【2】文斯雄。浅谈电气接触件的抗蚀防护【J】.电镀与环保,2005,25(1):39

【3】佘玉芳,裴学良.GJB1216-1991 电连接器接触件总规范.国防科学技术委员会,1992

【4】杨奋为.航天连接器质量检验专题讲座【J】质量与可靠性。2008.3