基于ANSYS某型電連接器插拔過程的可靠性分析

杜永英，孫志禮，呂春梅，馬小英

（東北大學 機械工程與自動化學院，遼寧 沈陽 110819）

電連接器是一種為電線和電纜端頭提供快速接通和斷開的裝置，在電子設備中主要傳輸電信號和輸送電能量，它的連接性能對整個系統(tǒng)的安全可靠運行起著關鍵的作用.文獻［1］主要從材料、工藝和設計的角度出發(fā)，對電連接器的絕緣失效進行了研究；文獻［2］報道了三維振－滑試驗系統(tǒng)可以在不同頻率下在垂直方向上獲得接觸件的觸點加速度、位移等參數(shù)，可以利用電磁力控制觸點多自由度相對滑動；文獻［3－4］報道了電連接器組件端子在載荷作用下出現(xiàn)了微幅相對運動，這種相對運動會導致插針、插孔表面滑動磨損，使表面鍍層受到迫害，進而使組件端子的材料裸露在外，與空氣中的氧、硫發(fā)生氧化反應；文獻［5－6］研究了不同涂層材料對電連接器可靠性的影響情況；文獻［7－8］在電連接器的腐蝕磨損方面進行了系統(tǒng)的理論和仿真試驗研究.本文主要對JF系列某型電連接器插針（見圖1）與插孔（見圖2）互相靠近的接觸組件端子之間的插拔過程進行建模及仿真研究.

電連接器的組件端子也稱為接觸件，主要由插針和插孔組成，是電連接器的導電部分和核心零件，通常插針和插孔一一對應.振動的加速度越大，則插孔與插針間的相互運動越劇烈，出現(xiàn)接觸電阻增大或接觸對瞬斷現(xiàn)象的可能性就越大，電連接器的失效概率也就越大.

圖1 圓柱形插針結構Fig.1 Structure for the cylindrical pin

圖2 圓筒形插孔結構Fig.2 Structure for the cylindrical socket

1 隨機振動作用下電連接器的接觸失效過程

觀察電連接器在振動應力下接觸失效的相關產品可以發(fā)現(xiàn)，有大量的黑色斑痕出現(xiàn)在電連接器插針與插孔的接觸部位，這是因為在電連接器的接觸端子產生了微動，即插針和插孔發(fā)生了相對滑動.由于插針與插孔具有同樣硬度，它們的相對滑動會使針、孔表面的材料轉移及互相嵌入并產生細小的碎屑磨粒，在接觸件材料的粘著磨損作用下，其表面鍍金層受到嚴重破壞，銅合金基體被暴露出來，而裸露的銅合金會在摩擦熱引起的高溫作用下發(fā)生迅速的氧化反應，同時，它在空氣中也會遭受到各種有害氣體的腐蝕而產生鈍化，進而產生一層氧化腐蝕膜.從失效電連接器接觸處的磨損范圍以及文獻［9］所述的理論失效模型可以看出，插孔與插針之間的相對運動幅值很小.

然而，接觸面上的切向相對微震會使剛生成的腐蝕膜受到破壞，使部分氧化薄膜被剪切分離下來，這部分薄膜匯集在接觸表面的低凹處并逐漸發(fā)生滲透，逐漸深入到接觸部分的裸露金屬層內部.經(jīng)過多次摩擦循環(huán)運動之后，若產生的腐蝕物填滿了接觸表面的低凹部分，則接觸電阻將急劇增大，進而導致電連接器的接觸失效.這就是微動磨損對接觸失效的影響機理.

2 隨機振動作用下電連接器的失效理論模型

式中：A為磨損氧化物的累積體積量；t為時間；R（t）為反應速率.則某時刻t之前的退化量（t＝0時，假定A（0）＝0）為：

電連接器接觸件表面氧化腐蝕物的累積體積量與接觸件溫度和裸露金屬基體表面積成遞增函數(shù)關系，溫度越高則反應速率越快.同時，取溫度與隨機振動作為影響接觸件溫度與裸露金屬基體表面積的影響因子，依據(jù)文獻［10］得出溫度與反應速率R（t）的關系，由阿列里烏斯公式［11］得到式（3）：

微動磨損是電連接器受到隨機振動時接觸件所產生的主要失效形式.接觸件間的接觸電阻大小與接觸件的裸露表面所生成的氧化腐蝕物數(shù)量有關.在動態(tài)振動作用下，接觸件表面產生微動磨損，快速生成一層氧化腐蝕膜.因此，電連接器接觸電阻值的增長情況便可用由動態(tài)振動引起的微動磨損而導致的氧化物生成速度變化來描述，如式（1）所示：

式中：ΔW 為激活能（eV）；T 為熱力學溫度（K）；k為波爾茲曼常數(shù)（0.8617×10－4eV·K－1）；β為系數(shù).

當考慮隨機振動時，反應速率為：

式中：ε1＝，為能量系數(shù)為激活能系數(shù)；其中的C1，C2為常數(shù)，σ為振動應力.由此可以得到：

3 JF系列某型電連接器在動態(tài)振動作用下可靠性增長方法

根據(jù)對JF系列某型電連接器的組件端子在動態(tài)振動作用下接觸失效的理論分析，對影響接觸件可靠性的各種原因進行詳細分析，綜合分析實際電連接器的動力學模型、生產與使用情況以及生產工藝、制造成本等問題，提出下列改進措施.

3.1 在接觸件表面涂覆潤滑劑

根據(jù)實際使用條件，對一般的電連接器可涂覆一定量的潤滑劑，以減少金屬間的粘結，進而使插拔力減小，增加可靠性.還可以通過堵塞金屬表面微孔來阻斷金屬基底層的電化學腐蝕，免招大氣中腐蝕氣體侵蝕，有效降低微動腐蝕，使接觸電阻保持較小的穩(wěn)定值，提高接觸可靠性.

3.2 從結構設計方面考慮增加接觸件之間的正壓力

插針和插孔插合時，插針表面的突起與插孔接觸，因接觸壓力引起局部正壓力增加，使機體金屬變形，接觸面積隨之增加，使壓力變小直到形變停止.增加接觸件之間的正壓力可降低動態(tài)隨機振動應力下接觸件的響應幅值，增加接觸面的實際接觸面積，減小接觸電阻，提高電連接器的可靠性.

4 電連接器組件端子插拔力分析設計

4.1 JF系列某型電連接器接觸電阻的影響因子

JF系列某型電連接器的接觸電阻由金屬基體的壓縮電阻和接觸區(qū)域的膜層電阻兩部分組成.影響接觸電阻的因素之中，接觸壓力的影響效果最大，工程上通常利用針孔分離過程中產生的摩擦力與該接觸正壓力成比例關系這一特性，采用針孔分離過程中的摩擦力也就是插拔力來計算接觸壓力.在不考慮其他影響因素時，接觸界面的接觸電阻為：

式中：［σ］為許用應力；Io為慣性矩；L為插孔開槽處長度；SN為插拔力.

接觸正壓力一般較小，因為彎曲剪應力的影響很小，此處不予考慮.由于JF系列某型電連接器插孔有兩組接觸簧片，因此，針孔的插拔力可按下式求得：

式中：μ為摩擦系數(shù).插拔力太小會發(fā)生瞬間斷電，降低接觸的可靠性.為了避免此種失效現(xiàn)象，應使所需最小插拔力滿足以下關系：

4.2 電連接器接觸件插拔過程的虛擬試驗［12］

針對電連接器接觸件所產生的接觸失效建立JF系列某型電連接器的有限元仿真模型，本文只對電連接器的接觸件進行建模.接觸件由插針與插孔兩部分組成，建成的接觸件模型如圖3所示.

式中：RJ為界面接觸電阻；m為接觸件材料系數(shù)；PN為接觸正壓力；α為接觸指數(shù).

由式（9）可知，如果接觸件的材料、結構及工藝方法已經(jīng)確定，則接觸正壓力的大小主要取決于界面接觸電阻.然而，要在生產加工的整個過程中精準檢測接觸電阻是很困難的，一般通過確定接觸正壓力的值來確保接觸電阻值.

接觸正壓力應滿足：

圖3 電連接器單針孔接觸件仿真模型Fig.3 Simulation model of single pin and sock for contacts

根據(jù)文獻［13］，取最小插拔力為0.25N，取電連接器接觸件所用材料銅合金的屈服極限為210 MPa，許用應力為140MPa，通過理論計算得到接觸件的最大接觸正壓力為2.7561N；假設接觸表面的摩擦系數(shù)為0.21，可計算出接觸面的最大插拔力為1.1031N.

假定插針和插孔在Y向和Z向都無運動，即位移取零，插針的X向位移也為零，插孔X向位移取3.5mm；接觸面的摩擦系數(shù)為0.21，接觸件材料的泊松比為0.33，彈性模量為10.3×1011Pa，分別對接觸件在受到最小接觸正壓力與最大接觸正壓力時的插拔過程進行有限元仿真試驗.

利用ANSYS13.0軟件中的SOLUTION和GENERAL POSTPROC分析計算最小插拔力時的應力分布圖，如圖4所示；接觸面的應力分布如圖5所示.由圖4可知，電連接器的最大應力位置出現(xiàn)在插孔簧片的根部，與力學模型的理論分析一致.

圖4 最小插拔力時的應力分布圖Fig.4 Stress distribution at the minimum insertion force

圖5 最小插拔力時針孔接觸面的應力分布圖Fig.5 Stress distribution at the minimum insertion force for contacts

圖6描述了電連接器接觸件受到最小插拔力時插拔力隨時間變化的情況，此時最小插拔力近似為0.252N.在此基礎上，繼續(xù)增加接觸正壓力，當接觸件的最大應力達到材料的最大許用應力時，其應力分布如圖7所示；插針與插孔接觸面的應力分布如圖8所示.

圖6 接觸件受到最小插拔力時插拔力隨時間的變化Fig.6 Minimum insertion force change with time when using the minimum insertion force on contact

圖7 最大插拔力時的應力分布圖Fig.7 Stress distribution at the maximum insertion force

圖8 最大插拔力時針孔接觸面的應力分布圖Fig.8 Stress distribution at the maximum insertion force for contacts

電連接器接觸件的插拔力隨時間的變化過程見圖9.由圖9可見，當電連接器接觸件的最大接觸應力值達到材料的最大許用應力時，插拔力約為0.9612N，此運算結果與通過力學模型求解而得的數(shù)值基本吻合.因此，將電連接器的插拔力設定為0.25～1.10N.

圖9 接觸件受到最大插拔力時插拔力隨時間的變化Fig.9 Maximum insertion force change with time when using the maximum insertion force on contact

5 結語

（1）對JF系列某型電連接器的組件端子在隨機振動應力作用下的接觸失效過程進行了研究，分析了組件端子的失效機理及其運動狀態(tài)并推導出了組件端子的理論力學模型，結合隨機振動應力作用下電連接器的實際情況分析，確定了電連接器的可靠性增長方法.

（2）建立接觸件插拔力的數(shù)學模型并對插拔力進行了分析，確定了插拔力的變化趨勢及其與各因素的關系；確定影響電連接器可靠性的重要指標是組件端子接觸正壓力，并確定了插拔力的取值范圍；在取值范圍內，振動應力作用下組件端子接觸失效隨插拔力的增加而降低.

（3）利用所建立的JF系列某型電連接器單針孔接觸對的有限元仿真模型，模擬電連接器接觸件的插拔過程，得到接觸面受到最大和最小插拔力時的應力分布圖以及插拔力隨時間變化圖，所得數(shù)據(jù)與理論模型計算相吻合，確定插拔力設計選用范圍為0.25～1.10N.

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