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设计汽车连接器需注意什么?

发布时间:2022-02-21 阅读数: 162

 

车用连接器用于实现汽车电讯号码的传送与控制、线束与线束之间及电气连接的电源线的基础元件。车辆插头导线接触件的可靠接触,电绝缘性能可靠,机械连接可靠,确保汽车电讯号码的可靠传递,对部件进行有效控制。

车辆连接器主要故障形式

通过现场应用和试验数据分析,汽车连接器的失效模式为触点失效、绝缘失效、机械连接失效和其它失效模式,各失效模式所占比例分别为45%、20%、17%、18%。

电接触失效:导致电气连接器失效的主要因素是接触电阻的变化,表现为接触电阻不断变化、异常发热、氧化、烧蚀、断路等现象,严重时绝缘损坏,引起短路。

绝缘失效:车辆绝缘不正常,耐压能力降低,出现绝缘断裂、短路烧蚀,更易造成车辆着火。

机械联结失效:插头、插座由于环境应力、机械应力等引起的损坏,不能正常插入,或者连接能力降低,失效。

其它失效:缆锁结构配合不当,受外力作用电缆往复运动,导致导线疲劳断裂,绝缘损坏等故障。

一、电触头故障原因分析。

(1)没有足够的电接点压力。

接线器是通过插针与插孔接触来导电的,插孔是弹性元件,其质量优劣对电气连接的可靠性至关重要,插针插入插孔会引起弹性变形,然后对插头产生接触压力,使其接触压力不稳定或减小,从而影响接触电阻的不稳定性,受到一定的振动、冲击应力。弹力原始发生的回弹变形、振动、冲击应力足够大,使用足够长的时间,都会导致瞬间失效。插入针孔长期受力与反作用力,插入弹性元件逐渐产生永久行变形,出现应力疲劳松弛现象,特别是在接触点及环境温度的作用下,插孔会出现蠕变现象,接触压力降低,接触电阻增加。

(2)触点磨损。

插入磨损:汽车连接器插合分离时,插针和插孔之间在一定的接触压力下,由于相对运动而产生摩擦,在摩擦过程中,接触面将发生光洁损伤,几何形状变化,摩擦,粘结,产生磨屑,物料输送等,并伴有热。当插针插入时,其表面镀层金属磨损,暴露出基底金属,在外界环境作用下发生腐蚀,形成接触不良。表面磨损量与接触压力、摩擦面表面光洁度、表面镀层接触的种类、硬度、质量、接触面对导向处圆角是否光滑、插孔接触部位几何形状等因素有关。当触点压力大时,插入针头和插孔内孔口圆角连接不良,接触部位粗糙,材料硬度低,镀层质量差,接触对磨损更严重。连接件的插入寿命和接触稳定性都很差。

微动磨损:两面相对运动较小的两面出现磨损现象,其振幅为1~100um,主要由温度循环引起的热胀冷缩及背景振动所致,在工作条件下,汽车连接器由于振动和热震同时存在,所以经常会出现微动现象。比如,在5℃/h内波动、循环20次、插针(黄铜制造)、插入针(黄铜制造)和插入针头长度为2x10-5/℃时,可达到5um。实验证明,当微振达到几百万次后,会对电触头的可靠性产生严重影响。例如,汽车运转5h,1000赫兹振动频率,相当于产生1800万次微振。

1994年,美国MichealBryant提出了下一步的微振动破坏模型,将失效分为7个阶段。

(1)微细突起接触;

(2)微振动运动使微观突起接触暴露在锈蚀下,形成腐蚀膜层;

(3)微振的逆向运动刮削膜层,一部份落在“谷”上,另一部分压入触点。

(4)一步的微振再一次使触点处于生锈状态;

(5)微振荡使微观突起产生塑性变形,造成锈蚀膜层破碎,并形成碎屑和突出。

金属混合:

(6)微观突起逐渐受到锈蚀,接触电阻增大;

(7)最后生锈碎屑填充“谷粒”,两接触面之间形成一层厚度至少20nm的绝缘层时,连接完全失效。

与之相比,电子连接器在低电压、小电流的工作场合,微动时与表面绝缘接触,对物质的危害更大,而在大功率的电力电路中,绝缘物会因电击而被清除,从而影响电路。

二、电触头的可靠性设计。

接触器电触头的可靠性设计重点为:接触电阻、插拔力、接触正压。

触点阻力设计

根据电接点理论,接触电阻R=RC+Rf+Rp,式中:

Rp:是导体电阻,是端子与引出线奥姆电阻之和,其大小取决于选择的端子和引出线材料、截面形状和长度。

RC:集中电阻,当两个接线柱相互接触时,电阻器的表面无法完全接触,即为微观上点和点的接触。如果电流从一个触点流到另一个触点,则由于电流线的收缩而产生阻力,所以所产生的电阻叫做收缩电阻。

Rf:膜层电阻,是指在触点表面粘着一层薄膜,表面暗淡的薄膜和由薄膜引起的电阻。

触点电阻的影响因素:材料自身特性、接触压力、生产工艺能力等。

端子材料的选择

选择高电导或低电阻率的端子材料(黄铜的导电率约为13℃,磷青铜导电率约26℃,而铜极板则为40℃)是降低接触电阻最有效的方法。

端子选材的基本要求:

导电性能:导电率高,电阻小,接触电阻小;

延展性:有助于端子成形;

硬度:增加机械磨耗和接触面积,降低接触电阻;

屈服强度:又称降伏強度,机械和材料科学的定义是,该材料开始产生塑性变形(永久变形)应力值,在弹性范围内存在较大位移;

弹力模数:大的弹性模数表较高的膜片易被破坏,有利于降低表面膜的接触电阻,而较低的弹性模数可以增加弹性变形接触面积;

应力松弛:端子长期受力或高温,抗负荷能力仍可维持;

硬度:降低端子金属的磨损。

触头插入力设计

对接触电阻的影响因素中,接触压力影响最大,但通常不能测量接触压力。

接触点在插入和拔出时,克服弹性接触产生的阻力所需的力,称为触点插入力和拔出力,当接触压力越大,为了克服弹性接触产生的阻力,需要更大的力,也就是说,插入力越大,所以在一定意义上说,在弹性触点正压作用下,插拔力触点之间产生的摩擦。

当插拔力在一定范围内变化时,接触电阻的变化比较明显,除此之外,接触电阻的变化相对变钝,即使插拔力增加很大,接触电阻也不会明显降低。在经济上考虑,超过一定限度后,再要求增加插拔压力以降低接触电阻,没有实际意义。因此,为了减少接触电阻,不应该只考虑插入力。

接触点压力

触压是指在接触面上产生并与接触面垂直的力,影响接触面性能。

正压力因力学或环境应力而降低,则会导致接触电阻增大,超过规定值则导致电路故障。

有smart的趋势,那就是接触压强要非常精确。

过于紧绷的缺点:

(1)增加插入端的压力,容易导致端子变形;

(2)增加housing内应力,容易导致housing变形。

紧固性太小的缺点:

(1)接触压力不够,导致接触电阻大,接触不良;

(2)端子易松脱。

绝热破坏分析和可靠性设计

绝缘性电阻是对连接器的绝缘部分施加电压,从而使其表面或内部产生漏电流而呈现出电阻值。也就是绝缘电阻(MΩ)=绝缘体上的电压(V)/漏电流(μA)。经绝缘电阻检验,确定连接器的绝缘性能是否符合电路设计要求,或在高温、潮湿等环境应力下,绝缘电阻是否符合相关规范。设计高阻抗电路时要考虑绝缘电阻。如果有较小的绝缘电阻,就会导致漏电,使电路无法正常工作。比如反馈电路的形成,由过大的漏流引起的热电解和直流电解,会破坏连接器的绝缘,或者降低连接器的电气性能。

(1)绝缘材料

电气连接件在设计中选择什么绝缘材料很重要,它常常影响到以后产品的绝缘电阻是否合格。例如一家工厂原来采用的是醋醛玻纤塑料及增强尼龙等材料制成的绝缘体,这类材料含有极性,吸湿能力大,在常温下能达到产品的要求,但在高温、潮湿的环境中其绝缘性能不合格。之后用特殊的工程塑料PES(PES),产品通过200℃1000h、240h湿湿实验,绝缘电阻变化很小,仍然高于105MΩ,没有出现异常变化。

(2)密封性差。

在干燥区域内的电子电器和线束受热/高湿及化学尘埃影响较小,湿区恰恰相反,如果密封性不好,可能导致电器和线束进水,造成内部电路短路/腐蚀等,直接导致功能失效,这就需要线束连接器插接件做好密封保护。

不合理的密封结构设计:

①密封胶圈压缩量不足,线束平顺安装密封无问题,折弯后密封失效;

②耐老化性和力学性能不佳,长期使用老化开裂,造成密封失效,设计密封结构时优先选择径向密封结构;

③凝露:

接头内因工作时发热内部空气含水率高,停机后因温差使空气中的水份沉淀在低温表面,进而导致绝缘失效,尤其是驱动电机连接器等发热元件连接器;

大气主要是干燥的空气,水汽,灰尘。含水率是指空气中水蒸汽的含量,饱和湿度是指单位容积空气在某一温度条件下可含水汽的最大值;

含水率随气温的变化而变化,随气温升高而增加。相对湿度为30%~60%,适合一般电器设备使用。若维持空气绝对湿度恒定,降低气温,温度下降到一定值,空气中湿度将达到饱和,继续冷却,空气中水分就会析出,出现液态水析出的现象叫做「凝露」。在保持湿度与大气压恒定的情况下,露点温度可以使空气中的相对湿度达到100%。

在实验室条件下,凝露现象主要有两类。一是在升温阶段,壳体表面温度高于环境温度,壳体表面与露点以下的产品表面遇上露点温度后,壳体表面温度升高,壳体表面温度下降,产生凝露。

另外,壳体内壁温度达到室内空气露点温度时,外部环境先冷却,使壳体内壁比内空气温度低,从而形成凝露。

所要解决的凝露问题主要是第二个,防止内壁产生凝露,影响电器内部的性能。冷凝是温度和湿度综合作用的结果,环境湿度高,气候温差大,易发生凝露;

我们国家幅员辽阔,气候差异很大,沿海环境湿度大,西北地区温差变化大,这类区域一般较容易发生凝露。

用硅胶干燥剂涂覆金属表面后,当金属表面温度低于露点温度有水份析出时,先将其吸附于金属表面,然后将其吸附饱和,然后再进行吸附。因此,在金属表面涂覆硅胶涂料,在一定的时间内可以有效地延缓露珠的生成,但不能达到除湿的目的,而且增加了加工与维护费用,另外还增加了透气阀。

④虹吸:

电子元件如连接件的进水主要有两条,一是外部流体通过地心重力渗入到其内部,例如,连接件没有密封环,或者是水汽从线束的内部连接点(如无保护焊点/压接点/搭铁点)进入;这里强调一下“虹吸”,因为一般电器在工作时有一定的温度,内空气形成一定的压力,停机后温度下降,内部压力也会降低,此时会形成气压差,如连接器密封不良,水的蒸气从铜丝之间穿过缝隙进入内部,造成功能失效。

(3)高温

温度过高会损坏绝缘材料,导致绝缘电阻、耐压性能下降,对金属外壳、高温可使接触件失去弹性,加速氧化并发生变质。例如用GJB598生产的耐环境快速分离的电连接器系列2产品,在25℃时绝缘电阻应不低于5000MΩ,而在高温200℃时,也可减小到不小于500MΩ,在电气连接设计中考虑了负载温升,工作状态下不超过绝缘材料额定工作温度。

(4)湿度

湿度过大导致绝缘体表面蒸汽的吸收与扩散,易使绝缘电阻降至MΩ以下。在长时间的高温环境中,绝缘体的物理变形、分解、逸生成物,产生呼吸效应、电解腐蚀和裂纹。按照GJB2281生产的带状电缆电气接头,在标准大气条件下,绝缘电阻值不得小于5000MΩ,经相对湿度90%~95%、40±2℃96h温热试验后,绝缘电阻下降到不小于1000MΩ。

(5)污损

绝缘子内和表面的清洁度对绝缘电阻影响很大,这是因为用于注塑绝缘体的粉料或胶接在下面绝缘安装板的胶料中混杂着杂质,或者由于多次插拔磨损残留金属屑及端接锡焊时焊剂残留渗入绝缘体表面,从而降低绝缘电阻。例如一家工厂生产的圆型连接器,在成品检验时发现一件产品。

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