基于ANSYS的车载高速连接器接触特性研究.pdf

第 期 年 月机电元件 收稿日期：研 究 与 设 计基于 的车载高速连接器接触特性研究王孟，张?诚，杜康，卢志琴，蒋川新，周洁，羊衍富（四川互连创新科技有限公司，四川绵阳，）摘要：为确保车载高速连接器性能的可靠性，对连接器插拔力及振动工况下不同结构参数对连接器接触特性的影响进行了分析研究。借助 对连接器插拔过程及接触件振动过程进行了仿真，分析了连接器插拔过程中的内、外导体正向接触力以及不同振动频率下的正向接触力；通过正交试验方法分析了内导体结构参数对连接器接触件等效应力和正向接触力的影响。结果表明内导体弹片长度对接触件正向接触力影响最大，弹片角度和弹片间开口影响相对较小。该研究方法可以提高产品的开发进度，研究结果有利于指导产品的设计及生产。关键词：连接器；接触特性；有限元仿真；正交试验 ：中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：，引言近几年，在新能源汽车井喷式的发展之下，汽车电动化、智能化对连接器性能提出了高压、高速、小型化轻量化等方面的要求，车载连接器不断增加，尤其是车载高速连接器作为车载连接器的中高端连接器产品，在各方面性能上要求更高，其广泛应用于自动驾驶和高级辅助驾驶为主要需求的 汽车安全系统、信息娱乐系统、车内高速网络系统（以太网）三大领域，其涉及的产品系列包括 、及 以太差分连接器，如图 所示。图 车载高速连接器解决方案目前，各种 技术的快速发展为产品的设计开发提供了便利，可提高产品设计效率及减少产品设计过程中的失误 。目前，在实际设计过程中，对连接器插拔过程以及接触特性的研究缺乏理论的支撑，仅凭经验设计可能会出现插拔力过大、接触不可靠等问题。鉴于此，本文以车载高速连接器中的车载以太差分连接器（以下简称 ）为例，采用 有限元仿真技术和正交实验 研究相结合，对 的接触特性进行分析研究，使用 的静态结构模型（）来模拟连接器的插拔过程，分析连接器在此过程中内外导体的正向接触力。使用瞬态结构模型（）对内导体接触件进行振动分析，研究不同内导体结构参数对连接器接触特性的影响。本文研究，对连接器新产品的设计有很高的参考价值和指导意义，对提高连接器的性能具有重要的理论价值和应用价值。连接器结构简介 连接器是通过公端和母端对插，并通过以太双绞线实现信号传输的一种电连接器。连接器结构说明，本文以单腔母端连接器和单腔 公端连接器为例，如图 。母端连接器结构主要包括内导体，绝缘子，外导体，外壳，等，如图 ）。公端连接器主要包括内导体，绝缘子，外导体，外壳等，如图 ）。对端子起二次锁定作用；实现公、母端连接器之间的加强锁定。外壳和绝缘子对连接器导体起隔离、保护及固定的作用，一般使用的材料有：、等防火料；内、外导体在整个线路中起导通连接作用，并产生和维持接触件接触面之间的正向力，一般使用铜合金作为导体的主要材料；内导体镀层防止导体表面氧化，并可以起到加强内外导体接触面导通作用，一般内导体接触面镀金，外导体接触面镀锡。第 期王孟等：基于 的车载高速连接器接触特性研究 外导体，外壳，内导体，绝缘子，以太双绞线）母端连接器 外壳，外导体，内导体，绝缘子）公端连接器图 连接器结构 连接器仿真模型的创建 连接器静力学仿真模型 连接器接触件正向接触力由内导体之间接触力和外导体之间接触力组成，如图 所示。本文分别对内外导体建立静力学仿真模型，求解其正向接触力。图 连接器接触件结构示意 连接器动力学模型本文主要针对内导体接触件建立动力学模型进行振动分析。在车辆行驶过程中，电连接器受到的振动方向可分为平行轴向与垂直轴向。平行轴向振动主要会引起插针与内导体发生相对位移；垂直轴向振动主要会引起插针与内导体间正向接触力的变化 。该连接器垂直轴向的内导体接触件的动力学模型如图 所示。图 内导体接触件动力学模型图 中，公端内导体和固定组件之间、母端内导体和固定组件之间、及公、母端内导体固定组件之间的作用分别简化成弹性系数为、及 的联接，公、母端内导体的接触区域 处存在正向接触力 和摩擦力 。由于 端公端内导体与 焊接固定，且内导体与固定组件之间通过过盈镶嵌或一体注塑，因此可视为公端内导体与固定组件之间为一个整体。而母端内导体与其固定组件之间往往存在相对运动。正是因为振动环境条件公、母端内导体之间运动的不一致性，导致了正向接触力等参数的变化 。振动仿真激励图 所示动力学模型，如前所述，将公端内导体与固定组件为一个整体，即振动与外界环境一致，而母端内导体处于受迫振动状态。因此，根据 标准 及连接器应用环境，本文选择振动等级为 的正弦振动（如图 ）施加至母端内导体上。图 等级正弦振动 接触特性仿真分析 静力学仿真分析本文采用 的 分别对机 电 元 件 年内导体之间正向接触力、外导体之间正向接触力进行模拟仿真。相关材料属性按表 进行设置。表 接触件材料属性零件弹性模量 泊松比密度（）屈服强度 抗拉强度 母端外导体 公、母内导体 公端外导体 有限元建模时，假设接触件均为材质均匀且是完全各向同性，其变形是弹塑性变形，接触类型为摩擦接触，内导体摩擦因数为 、外导体摩擦因数为 ，接触形式为非对称接触，算法为增广拉格朗日。在母端内、外导体根部施加远端位移约束，公端内、外导体端部施加固定约束，仿真结果如图 所示。图 静力学仿真分析结果内、外导各项力值仿真结果如表 所示。表 内、外导体仿真结果零件正向接触力 插入力 拔出力 内导体 外导体 动力学仿真分析本文采用 的 模块进行动力学分析，根据 标准 及连接器应用环境，选择振动等级为 的正弦振动条件，针对垂直于轴向振动条件下连接器内导体间正向接触力进行分析研究。当连接器内导体承受振动冲击载荷，加速度为 ，频率为 时。承受加速度以函数的形式（见式（）输入，为全域加速度，方向为垂直于内导体插合方向，瞬态动力学仿真结果如图 所示。（）（）图 正向接触力由图 可知，仿真模拟得出最小正向接触力为 。基于以上分析方法，按 标准 等级，针对不同频率，不同加速度条件下的内导体最小正向接触力进行模拟分析，得出结果如表 。第 期王孟等：基于 的车载高速连接器接触特性研究表 最小正向接触力频率 加速度（）最小正向接触力 连接器接触电阻判定准则接触电阻作为连接器接触可靠性判定的一个重要指标，根据电接触理论知识可知，接触电阻可通过正向接触力计算，具体计算方法见式（）。（）（）式中，为接触电阻，单位为 ；为正向接触力，单位为 ；为与接触形式有关的系数；为与接触件材料、表面状况等因素有关的系数。本文选定接触件接触形式为线接触（圆棒与面接触），在 之间，约为 ；黄铜与黄铜接触，取 。根据 的规定，本文选定内导体直径为 ，故接触电阻应不超过 。根据式（）可计算出正向接触力应不小于 。由此可知该连接器内导体静力学仿真和动力学仿真结果都满足要求。正交试验设计与分析 正交试验方案本文选择在 频率，的垂直轴向振动条件下来分析母端内导体弹片长度、弹片角度和弹片间开口宽度 个结构参数对最小正向接触力的影响。内导体各结构参数尺寸示意图见图 。图 结构参数尺寸示意图结构参数变化范围如表 所示。各结构参数的因素及水平如表 所示，其中 号水平所对应的参数为原设计方案。本正交试验涉及 个参数和 个水平，因此采用正交试验表 （）进行分析，需要完成 组动力学仿真计算。正交试验方案与仿真结果如表 所示。表 结构参数变化范围结构参数范围弹片长度（）弹片角度（）弹片开口（）表 结构参数的因素及水平水平因素 表 正交试验方案与仿真结果编号水平最小正向接触力 极差分析通过极差分析可得知内导体各结构参数对正向接触力的影响程度，相关结果如表 所示。表 极差分析结果极差 注：、分别为水平 、水平 、水平 下最小接触压力之和的平均值；为极差。由表可知，极差，即母端内导体弹片长度对内导体正向接触力影响最大，弹片间的开口和弹片倾斜角度相对影响最小。（下转第 页）机 电 元 件 年品平均测试时间在 左右。而使用控制组件综合测试设备后，通过编制测试程序，一键自动测试，单台产品测试可在 以内完成，测试效率提升了 多倍。该控制组件综合测试设备的研制成功，不仅满足了控制组件产品的功能和性能测试，而且提升了测试准确性和测试效率，也确保了测试数据的真实、全面和可追溯，满足了设计要求，有效破解了制约专业发展的短板问题。参考文献：郭恩全，卢君明 总线体系结构 国外电子测量技术，（）：叶雪荣，郑志洪，陈哲，刘明伟，徐军忠，翟国富 固态功率控制器国内外发展现状 电器与能效管理技术，（）：曹光磊，郭敏，阎涛，朱学波，李龙，曹宁 一种 总线开关模块平台化软件设计方法 网络信息工程，：，谢拴勤，张文浩，张永茂 基于 的固态功率控制器的测试系统设计 计算机测量与控制，（）：张秦 某型空空导弹飞行控制组件测试系统设计 河南科技，（）：（上接第 页）结束语本文采用 有限元仿真技术和正交试验研究相结合，对单口 连接器的接触特性进行分析研究，得出如下结论：）在振动条件下，随着振动频率的增大，正向接触力最小值呈减小趋势。）内导体弹片长度对接触件正向接触力影响最大，弹片角度和弹片间开口影响相对较小。本文介绍的方法和得出的结论，为连接器接触件的结构设计提供了参考，对于新产品设计阶段有很重要的指导意义，有利于提高新产品的开发速度，缩短研发周期，具有一定的工程应用价值。参考文献：范瑞娟 非线性有限元方法在结构接触分析中的应用 北京：国防工业出版社 任万滨，崔黎，翟国富等 电连接器接触件插拔特性与接触电阻的仿真分析 机电元件，（）：严智勇 基于 技术的连接器端子冲压分析与设计优化 模具制造 （）：杨智杰 基于有限元仿真的连接器插拔力及载流特性分析 北京：北京邮电大学 骆燕燕，梁弘，刘旭阳等接触件结构参数对电连接器振动特性的影响 电子测量与仪器学报 （）：任露泉 试验优化设计与分析 北京：高等教育出版社，荣命哲 电接触理论 北京：机械工业出版 ，（）：（上接第 页）提供了方法与依据，并为毛纽扣与 接口尺寸的优化设计提供了理论支撑。参考文献：刘江洪，刘长江，罗明等基于毛纽扣的板级垂直互连技术 电子工艺技术，（）：司建文，徐利，王子良 基于 的毛纽扣垂直互连技术研究 电子与封装，（）：，吴贵瑜无线通讯基站设备中 之间的射频互连设计 电脑与信息技术，（）：徐利，王子良，胡进等 基于毛纽扣的 微波模块垂直互连技术 固体电子学研究与进展，（）：滕鲁，喻忠军 一种基于毛纽扣的垂直互联结构 电子设计工程，（）：方南军，陈文兰 基于毛纽扣的 波段功分网络设计 中国科学信息，：，李凯，冯浩，青春等基于有限元法的 射频连接器传输特性优化研究 机电元件，（）：机 电 元 件 年