基于ANSYS某型电连接器插拔过程的可靠性分析

杜永英，孙志礼，吕春梅，马小英

（东北大学 机械工程与自动化学院，辽宁 沈阳 110819）

电连接器是一种为电线和电缆端头提供快速接通和断开的装置，在电子设备中主要传输电信号和输送电能量，它的连接性能对整个系统的安全可靠运行起着关键的作用.文献［1］主要从材料、工艺和设计的角度出发，对电连接器的绝缘失效进行了研究；文献［2］报道了三维振－滑试验系统可以在不同频率下在垂直方向上获得接触件的触点加速度、位移等参数，可以利用电磁力控制触点多自由度相对滑动；文献［3－4］报道了电连接器组件端子在载荷作用下出现了微幅相对运动，这种相对运动会导致插针、插孔表面滑动磨损，使表面镀层受到迫害，进而使组件端子的材料裸露在外，与空气中的氧、硫发生氧化反应；文献［5－6］研究了不同涂层材料对电连接器可靠性的影响情况；文献［7－8］在电连接器的腐蚀磨损方面进行了系统的理论和仿真试验研究.本文主要对JF系列某型电连接器插针（见图1）与插孔（见图2）互相靠近的接触组件端子之间的插拔过程进行建模及仿真研究.

电连接器的组件端子也称为接触件，主要由插针和插孔组成，是电连接器的导电部分和核心零件，通常插针和插孔一一对应.振动的加速度越大，则插孔与插针间的相互运动越剧烈，出现接触电阻增大或接触对瞬断现象的可能性就越大，电连接器的失效概率也就越大.

图1 圆柱形插针结构Fig.1 Structure for the cylindrical pin

图2 圆筒形插孔结构Fig.2 Structure for the cylindrical socket

1 随机振动作用下电连接器的接触失效过程

观察电连接器在振动应力下接触失效的相关产品可以发现，有大量的黑色斑痕出现在电连接器插针与插孔的接触部位，这是因为在电连接器的接触端子产生了微动，即插针和插孔发生了相对滑动.由于插针与插孔具有同样硬度，它们的相对滑动会使针、孔表面的材料转移及互相嵌入并产生细小的碎屑磨粒，在接触件材料的粘着磨损作用下，其表面镀金层受到严重破坏，铜合金基体被暴露出来，而裸露的铜合金会在摩擦热引起的高温作用下发生迅速的氧化反应，同时，它在空气中也会遭受到各种有害气体的腐蚀而产生钝化，进而产生一层氧化腐蚀膜.从失效电连接器接触处的磨损范围以及文献［9］所述的理论失效模型可以看出，插孔与插针之间的相对运动幅值很小.

然而，接触面上的切向相对微震会使刚生成的腐蚀膜受到破坏，使部分氧化薄膜被剪切分离下来，这部分薄膜汇集在接触表面的低凹处并逐渐发生渗透，逐渐深入到接触部分的裸露金属层内部.经过多次摩擦循环运动之后，若产生的腐蚀物填满了接触表面的低凹部分，则接触电阻将急剧增大，进而导致电连接器的接触失效.这就是微动磨损对接触失效的影响机理.

2 随机振动作用下电连接器的失效理论模型

式中：A为磨损氧化物的累积体积量；t为时间；R（t）为反应速率.则某时刻t之前的退化量（t＝0时，假定A（0）＝0）为：

电连接器接触件表面氧化腐蚀物的累积体积量与接触件温度和裸露金属基体表面积成递增函数关系，温度越高则反应速率越快.同时，取温度与随机振动作为影响接触件温度与裸露金属基体表面积的影响因子，依据文献［10］得出温度与反应速率R（t）的关系，由阿列里乌斯公式［11］得到式（3）：

微动磨损是电连接器受到随机振动时接触件所产生的主要失效形式.接触件间的接触电阻大小与接触件的裸露表面所生成的氧化腐蚀物数量有关.在动态振动作用下，接触件表面产生微动磨损，快速生成一层氧化腐蚀膜.因此，电连接器接触电阻值的增长情况便可用由动态振动引起的微动磨损而导致的氧化物生成速度变化来描述，如式（1）所示：

式中：ΔW 为激活能（eV）；T 为热力学温度（K）；k为波尔兹曼常数（0.8617×10－4eV·K－1）；β为系数.

当考虑随机振动时，反应速率为：

式中：ε1＝，为能量系数为激活能系数；其中的C1，C2为常数，σ为振动应力.由此可以得到：

3 JF系列某型电连接器在动态振动作用下可靠性增长方法

根据对JF系列某型电连接器的组件端子在动态振动作用下接触失效的理论分析，对影响接触件可靠性的各种原因进行详细分析，综合分析实际电连接器的动力学模型、生产与使用情况以及生产工艺、制造成本等问题，提出下列改进措施.

3.1 在接触件表面涂覆润滑剂

根据实际使用条件，对一般的电连接器可涂覆一定量的润滑剂，以减少金属间的粘结，进而使插拔力减小，增加可靠性.还可以通过堵塞金属表面微孔来阻断金属基底层的电化学腐蚀，免招大气中腐蚀气体侵蚀，有效降低微动腐蚀，使接触电阻保持较小的稳定值，提高接触可靠性.

3.2 从结构设计方面考虑增加接触件之间的正压力

插针和插孔插合时，插针表面的突起与插孔接触，因接触压力引起局部正压力增加，使机体金属变形，接触面积随之增加，使压力变小直到形变停止.增加接触件之间的正压力可降低动态随机振动应力下接触件的响应幅值，增加接触面的实际接触面积，减小接触电阻，提高电连接器的可靠性.

4 电连接器组件端子插拔力分析设计

4.1 JF系列某型电连接器接触电阻的影响因子

JF系列某型电连接器的接触电阻由金属基体的压缩电阻和接触区域的膜层电阻两部分组成.影响接触电阻的因素之中，接触压力的影响效果最大，工程上通常利用针孔分离过程中产生的摩擦力与该接触正压力成比例关系这一特性，采用针孔分离过程中的摩擦力也就是插拔力来计算接触压力.在不考虑其他影响因素时，接触界面的接触电阻为：

式中：［σ］为许用应力；Io为惯性矩；L为插孔开槽处长度；SN为插拔力.

接触正压力一般较小，因为弯曲剪应力的影响很小，此处不予考虑.由于JF系列某型电连接器插孔有两组接触簧片，因此，针孔的插拔力可按下式求得：

式中：μ为摩擦系数.插拔力太小会发生瞬间断电，降低接触的可靠性.为了避免此种失效现象，应使所需最小插拔力满足以下关系：

4.2 电连接器接触件插拔过程的虚拟试验［12］

针对电连接器接触件所产生的接触失效建立JF系列某型电连接器的有限元仿真模型，本文只对电连接器的接触件进行建模.接触件由插针与插孔两部分组成，建成的接触件模型如图3所示.

式中：RJ为界面接触电阻；m为接触件材料系数；PN为接触正压力；α为接触指数.

由式（9）可知，如果接触件的材料、结构及工艺方法已经确定，则接触正压力的大小主要取决于界面接触电阻.然而，要在生产加工的整个过程中精准检测接触电阻是很困难的，一般通过确定接触正压力的值来确保接触电阻值.

接触正压力应满足：

图3 电连接器单针孔接触件仿真模型Fig.3 Simulation model of single pin and sock for contacts

根据文献［13］，取最小插拔力为0.25N，取电连接器接触件所用材料铜合金的屈服极限为210 MPa，许用应力为140MPa，通过理论计算得到接触件的最大接触正压力为2.7561N；假设接触表面的摩擦系数为0.21，可计算出接触面的最大插拔力为1.1031N.

假定插针和插孔在Y向和Z向都无运动，即位移取零，插针的X向位移也为零，插孔X向位移取3.5mm；接触面的摩擦系数为0.21，接触件材料的泊松比为0.33，弹性模量为10.3×1011Pa，分别对接触件在受到最小接触正压力与最大接触正压力时的插拔过程进行有限元仿真试验.

利用ANSYS13.0软件中的SOLUTION和GENERAL POSTPROC分析计算最小插拔力时的应力分布图，如图4所示；接触面的应力分布如图5所示.由图4可知，电连接器的最大应力位置出现在插孔簧片的根部，与力学模型的理论分析一致.

图4 最小插拔力时的应力分布图Fig.4 Stress distribution at the minimum insertion force

图5 最小插拔力时针孔接触面的应力分布图Fig.5 Stress distribution at the minimum insertion force for contacts

图6描述了电连接器接触件受到最小插拔力时插拔力随时间变化的情况，此时最小插拔力近似为0.252N.在此基础上，继续增加接触正压力，当接触件的最大应力达到材料的最大许用应力时，其应力分布如图7所示；插针与插孔接触面的应力分布如图8所示.

图6 接触件受到最小插拔力时插拔力随时间的变化Fig.6 Minimum insertion force change with time when using the minimum insertion force on contact

图7 最大插拔力时的应力分布图Fig.7 Stress distribution at the maximum insertion force

图8 最大插拔力时针孔接触面的应力分布图Fig.8 Stress distribution at the maximum insertion force for contacts

电连接器接触件的插拔力随时间的变化过程见图9.由图9可见，当电连接器接触件的最大接触应力值达到材料的最大许用应力时，插拔力约为0.9612N，此运算结果与通过力学模型求解而得的数值基本吻合.因此，将电连接器的插拔力设定为0.25～1.10N.

图9 接触件受到最大插拔力时插拔力随时间的变化Fig.9 Maximum insertion force change with time when using the maximum insertion force on contact

5 结语

（1）对JF系列某型电连接器的组件端子在随机振动应力作用下的接触失效过程进行了研究，分析了组件端子的失效机理及其运动状态并推导出了组件端子的理论力学模型，结合随机振动应力作用下电连接器的实际情况分析，确定了电连接器的可靠性增长方法.

（2）建立接触件插拔力的数学模型并对插拔力进行了分析，确定了插拔力的变化趋势及其与各因素的关系；确定影响电连接器可靠性的重要指标是组件端子接触正压力，并确定了插拔力的取值范围；在取值范围内，振动应力作用下组件端子接触失效随插拔力的增加而降低.

（3）利用所建立的JF系列某型电连接器单针孔接触对的有限元仿真模型，模拟电连接器接触件的插拔过程，得到接触面受到最大和最小插拔力时的应力分布图以及插拔力随时间变化图，所得数据与理论模型计算相吻合，确定插拔力设计选用范围为0.25～1.10N.

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