汽车连接器片型端子啮合结构的发展与变迁

2021-10-08毛国军喻国伦

汽车电器 2021年9期

姜银，毛国军，吴震，蔡恒，喻国伦，唐海

（重庆长安汽车股份有限公司，重庆 401120）

1 汽车连接器基础介绍

连接器是电子终端实现信号或电流传递与交换的基本元件单元，其广泛应用于汽车、通信、消费电子、国防军工等诸多领域。据统计，2019年中国汽车连接器市场规模达230亿人民币，是连接器行业中最大的细分市场。常用的汽车连接器由护套、端子、卡子（TPA、CPA、PLR）组成，密封型连接器还包括密封圈和防水栓。

连接器主要由4个要素组成：接触界面、接触涂层、接触弹性元件和连接器塑胶本体［1］，如图1所示。连接器除塑胶本体外，其余3个要素均由端子决定，端子是实现电连接和信号传输的核心，在机械性能、电性能、抗振动性能等方面均有较高的要求。随着对端子可靠性等要求的不断提升，汽车连接器端子也在材料、镀层、啮合结构设计等方面持续地进行发展。

图1 非密封/密封型汽车连接器的组成

连接器端子的连接由公母端对插完成，不同行业连接器使用的端子依据其不同的特点和使用环境，其常用的形式往往会有差异。汽车连接器由20世纪70年代起开始引入中国，由插接工艺替代原有的螺栓压接工艺，逐步推广到市场。从低压连接器起步，随着新能源汽车和智能汽车的发展，逐步出现了高压连接器、高速传输连接器等，但整车上使用最为广泛的依然是低压连接器，其中端子的形式又以片型端子为主，本文以低压连接器的片型端子为主体，讨论汽车连接器端子的发展。

2 汽车连接器端子啮合结构的发展

连接器端子按功能区域划分，可分为压接区、过渡区、自锁区、结合区，其中结合区是公母端子对插结合的位置，即端子啮合系统所在的位置［2］。如图2所示。

目前汽车低压连接器的片型端子又分为单料端子和双料端子，其啮合系统原理相同，均是采用弹性的金属机械机构用以维持金属的正压力，但具体形式又显示出较大差异。端子啮合结构是决定端子弹片结构、插拔力和接触电阻的重要因素。

汽车连接器片型端子啮合系统主要包括以下几种类型：B字结构端子及其变型、方形箱体弹片式端子、双材料“鸭嘴”端子、双材料“激光焊接”端子。其各自的特点如图3所示。

图2 端子的各功能区域

3 单料端子啮合结构的变迁

片式单料端子主要经历了B字结构端子阶段和方形箱体“弹片”式端子的发展阶段。B字结构端子为传统端子类型，在国标QC/T-417.3中，对其结构、尺寸和性能要求有明确规定，其结构简单、价格便宜，目前应用较广泛，但插拔力大且易产生应力松弛现象，未来将会逐步被替换。

图3 汽车连接器片形端子的几种常见类型

方形箱体弹片式端子则以其端子弹片的形式而异，主流的方箱弹片式端子按弹片的结构分为下列4种类型：悬臂梁形端子、卷舌形端子、简支梁形端子和弹性简支梁形端子［3］（图4），其发展顺序也是端子结构性能和操作舒适度在不断优化与提升的过程。

悬臂梁端子的插拔力小，但耐久性相对较差，易产生应力松弛等问题。卷舌形端子结构可以确保高耐久性，但对插中插拔力很大，对于多Pin连接器对插不友好。简支梁形端子是在二者基础上改进而来的，耐久性较悬臂梁端子好，插拔力也较卷舌形端子小，能提供较优良的综合性能。弹性简支梁端子则是在其基础上增加了弹性结构，减小插拔力的同时，对产品的耐久性也提供了足够的保证。

图4 方形箱体弹片式端子的4种啮合结构

图5是4种啮合结构插拔力分析及简支梁型端子与弹性简支梁端子的对比分析。

4 双料端子啮合结构的变迁

双料端子的出现，是基于提升产品性能的考虑，其结构由两种材料通过咬合、焊接等机械连接的方式组合而成的，内层啮合部分采用电性能较好的铜材，且铜材采用多触点的连接方式，而外层采用机械强度较好的材料，用以提高产品的耐久性和稳定性，通常采用钢卡的形式保证抗振性能和高温强度。如图6所示。

图5 4种啮合结构的插拔力仿真分析结果

图6 双料片形端子的两种啮合结构

双料端子也有其发展的过程，按其结构可分为弹性结构二次夹紧方案和箱体结构二次夹紧方案［3］。

弹性结构二次夹紧方案的双料端子又称“鸭嘴形”端子，其内层铜材采用鸭嘴形结构，钢卡端部则与“鸭嘴”结构贴合，为其提供额外的夹持力，对PIN针正压力大，用以保证电端子的可靠啮合。但也正是由于额外的夹持力，在公母端对插时，插拔力会相应增加。

箱体结构二次夹紧方案的双料端子，内层啮合部分采用多触点结构，依据规格不同，有4触点、6触点甚至8触点等不同形式。多触点结构提供了良好的啮合性能，旨在提高产品的通电流能力和稳定性，同时弹片的双曲线结构拥有高弹性，在降低插拔力方面起到积极的意义。外层则采用不锈钢材料制作而成，可以有效解决高温下端子夹紧力衰减的问题，同时使挂接护套可靠，且采用焊接方式加固以应对材料本身的应力释放，对内层弹片进行限位，提供良好的抗振动性能，满足发动机等高温、高振动环境下的使用需求。