接觸件結(jié)構(gòu)參數(shù)對連接器插拔特性的影響分析

駱燕燕，段紅玉，馬 旋，楊靜宇

（1.河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，天津 300000；2.國網(wǎng)冀北電力有限公司張家口供電公司，河北 張家口 075000；3.國網(wǎng)冀北電力有限公司唐山供電公司，河北 唐山 063000）

1 引言

電連接器廣泛用于航空航天和汽車行業(yè)，屬于可靠性較低的元件之一，它的可靠性將直接影響著電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。對它的研究一直是學(xué)者們關(guān)注的熱點(diǎn)，研究內(nèi)容包括接觸件的插拔特性以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等［1-2］。

（1）在連接器的研究方面，很多學(xué)者通過FEM（有限元分析方法）討論結(jié)構(gòu)對接觸應(yīng)力、法向力、插入力和拔出力的影響［3-4］。文獻(xiàn)［5-8］通過建立有限元模型來模擬插拔過程，得到接觸件的接觸壓力等力及其分布情況。文獻(xiàn)［9］通過研究發(fā)現(xiàn)，插孔的縮口量和長度對插入力有顯著影響。文獻(xiàn)［10］討論了接觸件中力與電阻的關(guān)系，通過仿真軟件，得到了摩擦系數(shù)等重要參數(shù)對插拔特性的影響。

（2）另一部分學(xué)者通過理論以及仿真的方法對電連接器進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)［11-12］對插針和插孔相互滑動的區(qū)域進(jìn)行了形狀優(yōu)化，從而減小了插入力和磨損。文獻(xiàn)［13］發(fā)現(xiàn)可以通過減小插孔簧片的倒角來減小彈簧應(yīng)力集中點(diǎn)的應(yīng)力。文獻(xiàn)［13］優(yōu)化了根部結(jié)構(gòu)，使得根部應(yīng)力明顯降低。文獻(xiàn)［14］研究了不同類型的銅合金的性能，最終得到了具有最低接觸溫度和最小接觸電阻的材料（C19210）并且通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了接觸電阻和最大應(yīng)力的最小化。文獻(xiàn)［15］利用正交試驗(yàn)和二次規(guī)劃方法，通過減小插拔力以獲得最佳的觸頭結(jié)構(gòu)參數(shù)。

在前人研究的基礎(chǔ)上，這里綜合研究了接觸件的各參數(shù)（如：縮口量、簧片長度、厚度、開槽大小）以及不同材料對插拔特性的影響，并且提出通過改變插孔簧片根部的形狀改善插孔根部應(yīng)力分布集中的問題。

2 插拔特性的仿真研究

2.1 建立實(shí)體模型

選用某型號的圓形三針電連接器，其結(jié)構(gòu)，如圖1（a）所示。連接器的核心元件為接觸件，由插針和插孔組成結(jié)構(gòu)，如圖1（b）所示。電連接的插拔特性與接觸件密切相關(guān)，由于接觸件自身結(jié)構(gòu)對稱，所以這里對其1/4部分的特性進(jìn)行研究模型，如圖2所示。

圖1 某型號圓形三針連接器實(shí)物及模型圖Fig.1 Physical Images and Model of a Three-Pin Circular Connector

圖2 接觸件的有限元模型Fig.2 FE Model of the Contacts

2.2 材料參數(shù)的設(shè)置

電連接器的接觸材料屬性，如表1所示。

表1 電連接器接觸件材料屬性Tab.1 Material Properties of the Contacts

表中：H62、QBe2和QSn4-3—黃銅、鈹青銅和錫青銅。

2.3 網(wǎng)格劃分

為使仿真結(jié)果準(zhǔn)確且具有收斂性，通過尺寸控制來劃分插針和插孔的表面網(wǎng)格的大小和疏密。由于插孔簧片的材料容易受到牽拉，插針與插孔接觸部分的受力比較復(fù)雜，所以在進(jìn)行網(wǎng)格劃分的時(shí)候?qū)ζ溥M(jìn)行細(xì)化剖分，在插針以及插孔的表面施加面尺寸控制（網(wǎng)格大小為0.2mm），在插孔的實(shí)體部分施加體尺寸控制（網(wǎng)格大小為0.4mm）。最終的劃分結(jié)果，如圖3所示。

圖3 接觸件的網(wǎng)絡(luò)劃分Fig.3 FE Mesh of the Contacts

2.4 仿真運(yùn)行條件設(shè)置

2.4.1 接觸狀態(tài)設(shè)置

選用ANSYS 中接觸單元處理方式來模擬接觸間的接觸問題。將插孔內(nèi)表面和開槽的倒角面設(shè)置為目標(biāo)面，插針的整個(gè)外表面（包括插針端部的球面）設(shè)置為接觸面。接觸狀態(tài)的其他設(shè)置，如表2所示。

表2 接觸狀態(tài)的設(shè)置Tab.2 Setting of Contact Status

2.4.2 分析過程設(shè)置

設(shè)置的參數(shù)，如表3所示。

表3 分析過程設(shè)置Tab.3 Setting of Analysis Process

2.4.3 邊界條件設(shè)置

邊界條件設(shè)定，如表4所示。

表4 邊界條件的設(shè)置Tab.4 Setting of Boundary Conditions

2.5 接觸件插拔過程仿真運(yùn)行結(jié)果

2.5.1 插針插拔過程中插孔簧片形變特點(diǎn)分析

當(dāng)插入深度為0.86mm 時(shí)，插孔簧片的形變云圖，如圖4 所示。圖中的輪廓線表示了插針與插孔剛開始接觸時(shí)的位置。當(dāng)插入深度為不同值時(shí)，插孔簧片的最大形變，如表5所示。

表5 插入深度為不同值時(shí)插孔簧片的最大形變量對比Tab.5 Maximum Deformation of Socket Spring Under Different Insertion Depths

圖4 材料為QBe2的插孔簧片形變分布云圖（插入深度為0.86mm）Fig.4 Deformation of the Socket Spring（Made of QBe2）with Differ‐ent Insertion Depths（When the Insertion Depth is 0.86mm）

由圖4、表5可知，插針插入插孔的過程中，由于插孔簧片為縮口結(jié)構(gòu)，它在插拔過程中會發(fā)生形變，而且隨著插入深度的增加，簧片沿徑向不斷的擴(kuò)張；其徑向形變量沿簧片根部（受到約束，形變量為0）到端部，逐漸增加。當(dāng)插入深度為0.86mm時(shí)，簧片前端的形變量達(dá)到最大（0.14714mm）；隨著插入深度繼續(xù)增加，直至完全插合，簧片的最大形變量不再發(fā)生變化。

2.5.2 插孔簧片應(yīng)力分布及變化特點(diǎn)

在插入過程中及完全插合時(shí)插孔的應(yīng)力分布云圖，如圖5所示。當(dāng)插針剛接觸插孔時(shí)，簧片根部內(nèi)側(cè)角率先產(chǎn)生應(yīng)力；隨著插入深度的增加，應(yīng)力值迅速增加，應(yīng)力分布區(qū)域也不斷擴(kuò)張，最后遍及整個(gè)根部區(qū)域。由圖6可知，簧片內(nèi)表面的等效應(yīng)力以開槽處為軸，呈對稱分布；簧片外表面應(yīng)力以簧片中間分界線為軸，呈對稱分布；當(dāng)接觸件完全插合時(shí)，簧片受到力的作用而向外擴(kuò)張，在簧片根部的內(nèi)表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，外表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，由于簧片根部被固定，簧片根部截面內(nèi)側(cè)角處出現(xiàn)最大等效應(yīng)力，為679.64MPa，如表1所示。該數(shù)值遠(yuǎn)小于該材料的理論屈服強(qiáng)度1035MPa，其形變?nèi)匀皇菑椥孕巫儯虼?，可認(rèn)為接觸件處于接觸良好狀態(tài)。但這種集中現(xiàn)象會使插孔產(chǎn)生疲勞裂紋，導(dǎo)致接觸件易被破壞。

圖5 插孔簧片（QBe2）應(yīng)力分布云圖Fig.5 Distribution of Equivalent Stress of the Socket Spring（Made of QBe2）

圖6 插孔接觸件（QBe2）應(yīng)力分布云圖Fig.6 Stress Distribution of the Socket Spring（Made of QBe2）When the Contacts Are Fully Inserted

2.5.3 插拔力和接觸壓力的變化

在插拔過程中，接觸件之間的插拔力和接觸壓力隨插入量的變化曲線，如圖7所示。其中，插入力為正，拔出力為負(fù)。

圖7 插拔力和接觸壓力隨插入量的變化曲線Fig.7 Insertion-Withdrawal Force and Contact Pressure（Made of QBe2）with Different Insertion Depths

由圖7可知，隨著插入深度增加，插入力迅速增大，插入深度為0.46mm時(shí)，插入力達(dá)到最大值（4.5712N）；隨著插針的繼續(xù)插入，插入力開始下降，直到插入量為0.86mm時(shí)，插入力開始穩(wěn)定在2.9637N。這是由于插針剛開始插入插孔時(shí)，簧片的倒角對其有阻礙作用；隨著插針的不斷插入，插孔簧片形變也逐漸增大，其撓度增大，簧片前端的接觸壓力以及摩擦力也都會增加；但是，隨著插入量的不斷增加，插針與插孔接觸位置的摩擦力方向會發(fā)生變化，并且軸向分量會降低，最終導(dǎo)致插入力先增大后減小，最后趨于穩(wěn)定；在插針剛拔出時(shí)，拔出力保持不變，直到插針端部開始離開插孔時(shí)，拔出力隨之下降，最終減小到0。

在插針插入過程中，接觸壓力隨著插入量的不斷增加而增加，直至插入量到達(dá)0.86mm 時(shí)，接觸壓力增加到最大值（3.6712N），并一直維持在該值；在插針與插孔剛好分離之后，接觸壓力開始下降，直至減小為0。

3 插拔特性影響因素的研究

接觸件是電連接器的核心元件，所以它的可靠接觸直接影響著連接器的電接觸性能及可靠性。

依次改變接觸件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，材料（H62，QBe2，QSn4-3）及插孔槽底部形狀，分析插孔簧片的最大形變量、最大等效應(yīng)力、接觸件接觸壓力、最大插入力等參數(shù)的變化規(guī)律，如圖8～圖11 所示。如果縮口量增加，會使得插孔簧片的形變量、接觸壓力和最大插入力都增大，最終導(dǎo)致接觸件磨損情況嚴(yán)重，接觸性能降低，所以仿真時(shí)，縮口量在原數(shù)值的基礎(chǔ)上分別降低10%和20%；其他接觸件結(jié)構(gòu)參數(shù)上下變動10%，如表6所示。

表6 電連接器接觸件原始值以及變化幅度Tab.6 Original Size and Change Range of Structural Parameters

圖8 插孔縮口量的改變對各監(jiān)測量的影響Fig.8 The Monitoring Data as a Function of the Shrinkage of the Socket Spring

圖9 插孔簧片開槽寬度的改變對各監(jiān)測量的影響Fig.9 The Monitoring Data as a Function of the Groove Width of the Socket Spring

圖10 插孔簧片長度的改變對各監(jiān)測量的影響Fig.10 The Monitoring Data as a Function of the Length of the Socket Spring

圖11 插孔簧片厚度的改變對各監(jiān)測量的影響Fig.11 The Monitoring Data as a Function of the Thickness of the Socket Spring

3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

由圖8～圖11 可知，隨著插孔縮口量的減小，插孔簧片最大形變量、最大等效應(yīng)力、最大插入力、接觸壓力均近似呈線性降低的趨勢。最大等效應(yīng)力、最大插入力和接觸壓力隨開槽寬度的增加，近似保持不變；隨簧片長度的增加，近似線性減?。浑S簧片厚度的增加呈增大的趨勢?；善淖畲笮巫兞恐慌c插孔縮口量有關(guān)。

3.2 接觸件材料的影響

由圖8～圖11可知，不同材料的接觸件插孔最大形變量等參數(shù)隨各結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的趨勢基本一致，但數(shù)值略有差異。三種不同材料的插孔的最大形變量變化曲線基本重合，最大等效應(yīng)力、最大插入力、接觸壓力的曲線中，數(shù)值最大的是鈹青銅插孔，其次是錫青銅插孔，最小的是黃銅插孔。

3.3 簧片槽底形狀的影響

圓角槽底插孔模型，如圖12所示。接觸件材料為QBe2時(shí)，圓角槽底插孔的應(yīng)力分布云圖，如圖13所示。對比圖6、圖13可知，直角和圓角槽底的插孔內(nèi)表面應(yīng)力、外表面應(yīng)力和簧片根部截面應(yīng)力分布幾乎沒有差別，但圓角槽底插孔的最大等效應(yīng)力分布區(qū)域相對較小，且分布較分散。

圖12 圓角插孔模型Fig.12 Socket Spring Model with Circle Groove Bottom

圖13 插孔部分（圓形槽底）應(yīng)力分布云圖Fig.13 Stress Distribution of the Socket Spring with the Circle Groove Bottom（Made of QBe2）

不同槽底形狀（直角和圓角，圓角半徑為0.23mm）插孔的對比分析，如表7所示。三種不同接觸件材料呈相類似的規(guī)律。將插孔槽底形狀由直角改為圓角后：插孔最大形變量基本上沒有變化，最大插入力約增大了2.17%，接觸壓力約增大了3.20%，最大等效應(yīng)力約減小了23%，其中，QBe2 接觸件的最大等效應(yīng)力為518.11MPa，比直角槽底時(shí)減小了151.53MPa，黃銅和錫青銅接觸件分別減小了128.09MPa和139.38MPa。由此可以認(rèn)為，圓角槽底的形狀在一定程度上改善了接觸件的接觸狀態(tài)。

4 仿真結(jié)果的討論

4.1 插孔的力學(xué)模型的分析

插孔簧片由于形變產(chǎn)生的接觸壓力是保證連接器可靠接觸的原因。這里研究的插孔為圓柱式開槽結(jié)構(gòu)。每一個(gè)插孔簧片可視為簡化的懸臂梁模型，如圖14所示。

圖14 插孔簧片結(jié)構(gòu)力學(xué)模型Fig.14 Structural Mechanics Model for the Socket Spring

由圖14可知，接觸件間的接觸壓力F為：

式中：F—插孔形變后產(chǎn)生的接觸壓力；

E—插孔材料的彈性模量；

Ix—插孔截面關(guān)于中性層軸x的截面慣性矩；

δ—撓度，即插孔縮口量；

L—插孔簧片長度。

接觸件間的插拔力為：

式中：Finsertion—接觸件的插拔力；n—簧片數(shù)量；μ—接觸面之間的摩擦系數(shù)。

此外，簧片對插針的接觸壓力F可看作一個(gè)集中力，在簧片端部出現(xiàn)，導(dǎo)致彎矩M的產(chǎn)生：

根據(jù)簡化模型圖14可知，接觸壓力對簧片根部的彎矩最大，而最大正應(yīng)力出現(xiàn)在彎矩最大的截面處，且為距中性層軸x距離最遠(yuǎn)的點(diǎn)。由圖14（b）可知，上端點(diǎn)（點(diǎn)B）出現(xiàn)最大壓應(yīng)力，下端點(diǎn)（點(diǎn)A）出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，這與圖6（c）中云圖相對應(yīng)。最大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的計(jì)算公式為：

由此可以看出，F(xiàn)和Finsertion與接觸件結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料屬性等密切相關(guān)。

4.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)與各監(jiān)測量之間的關(guān)聯(lián)性分析

由式（1）可知，接觸壓力的大小和縮口量為正比例的關(guān)系，接觸壓力會隨著縮口量的減小而呈現(xiàn)減小的趨勢，這與圖8（d）的變化趨勢吻合。由式（2）可知，最大插入力在理論上與接觸壓力呈正比關(guān)系，然而，由于插孔前端的收縮，在插針和插孔的最開始插入過程中存在最大插入力，與圖7吻合。即使摩擦系數(shù)被設(shè)置為定值，縮口量一旦發(fā)生變化，就會使得插針與插孔接觸角度變化，最終導(dǎo)致最大插入力與接觸壓力之間為非理想的線性關(guān)系，如圖8（c）、圖8（d）所示?？s口量的變化，起初可能會導(dǎo)致磨損的微小變化，但是經(jīng)過多次插拔循環(huán)后，磨損變化明顯。

開槽寬度增大，如圖14（b）所示，簧片對應(yīng)的弧長會減小，最大正應(yīng)力出現(xiàn)的點(diǎn)離中性層軸更近，Ix減小。由式（1）可知，Ix減小，接觸壓力會線性降低，由式（2）～式（4）可知，最大等效應(yīng)力、最大插入力的變化都與接觸壓力的變化呈正比關(guān)系，與圖9中的仿真結(jié)果一致。由式（1）～式（4）可知，當(dāng)彈簧的長度增加時(shí)，接觸力和最大插入力減小，彎矩減小，最大等效應(yīng)力減少；如圖6所示，彈簧根部的應(yīng)力集中得到緩解，并逐漸向插孔末端擴(kuò)展。這都與圖10中的變化曲線一致。

由式（1）～式（2）可知，當(dāng)簧片加厚時(shí)，慣性矩Ix會增大，同時(shí)兩表面接觸壓力增大，插入力變大；由式（3）可知，此時(shí)彎矩會增大，在中性層軸的更遠(yuǎn)處才能產(chǎn)生最大值，由式（4）～式（5）可知，最大等效應(yīng)力也是相似的規(guī)律，此外，簧片內(nèi)側(cè)的兩個(gè)角處為承受最大應(yīng)力的地方，所以導(dǎo)致其波動上升。這與圖11的變化趨勢相一致。由式（1）～式（4）可知，接觸力、最大插入力、最大等效應(yīng)力與插孔的彈性模量成正比。因此，QBe2制成的插座的接觸力、最大插入力和最大等效應(yīng)力均為最大值，如圖8～圖11所示。

4.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對插拔特性的顯著性分析

以H62材料的接觸件為例，接觸件結(jié)構(gòu)參數(shù)改變對監(jiān)測量改變的程度，如表8所示。

表8 接觸件（H62）結(jié)構(gòu)尺寸變化及各監(jiān)測量對應(yīng)的變化情況Tab.8 Percentage Changes of Each Monitoring Data with Structural Parameter Changes of the Contacts（Made of H62）

由表8可知：縮口量、簧片長度、厚度對各監(jiān)測量的影響更為顯著，開槽寬度的影響甚微，其中，簧片長度的變化對最大插入力的影響最為顯著。

由電接觸理論可知，接觸電阻與接觸壓力呈負(fù)相關(guān)，接觸件間接觸壓力的數(shù)值及穩(wěn)定保證了電連接器的正常運(yùn)行。因此，通過設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)來分析各結(jié)構(gòu)參數(shù)對接觸壓力影響的顯著性。

正交試驗(yàn)中，選用參數(shù)：s（縮口量）、w（開槽寬度）、（l簧片長度）和（t簧片厚度），每個(gè)參數(shù)的水平數(shù)為4，如表9所示。

表9 正交試驗(yàn)參數(shù)及水平值Tab.9 Parameters and Their Levels of Orthogonal Test

根據(jù)選取的結(jié)構(gòu)參數(shù)及其水平值，由正交設(shè)計(jì)理論得到一個(gè)16組試驗(yàn)的正交試驗(yàn)表L1（645）。對各試驗(yàn)組合進(jìn)行仿真，得出最小接觸壓力值，如表10所示。

表10 正交試驗(yàn)表Tab.10 Orthogonal Test Table

方差分析可得到電連接器接觸件中各結(jié)構(gòu)參數(shù)對接觸壓力作用的顯著性，從而判斷結(jié)構(gòu)調(diào)整對接觸器的影響。其結(jié)果，如表11所示。

表11 方差分析結(jié)果Tab.11 Anova Results

根據(jù)方差檢驗(yàn)規(guī)定，對于每個(gè)差異源，給定檢驗(yàn)水平α，當(dāng)F值大于F1-（αq-1，q-1）時(shí)，則在水平α下，該因素作用顯著，反之，該因素作用不顯著。取檢驗(yàn)水平α=0.05，q=4，查表得F1-（α3，3）=9.28。Fl＞Fs＞Ft＞F0.9（53，3），由此可以證明，簧片長度、縮口量、簧片厚度這3個(gè)量對接觸壓力的作用顯著，其中，簧片長度的影響最為顯著，這與表11相一致。由于相比較來說，開槽寬度并不像其他三個(gè)因素對接觸壓力的影響那么顯著，所以在連接器的設(shè)計(jì)制造過程中，可以對開槽寬度的控制精度可略低些。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證該仿真結(jié)果的正確性，設(shè)計(jì)了電連接器插拔特性測試系統(tǒng)對連接器的插拔力進(jìn)行測試。該測試系統(tǒng)的原理，如圖15所示。在一個(gè)操作循環(huán)中，仿真與測試的結(jié)果對比，如圖15 所示。由對比結(jié)果可知，仿真結(jié)果與測試結(jié)果基本吻合。在插拔力到達(dá)峰值之前趨于一致，當(dāng)插入量超過最大值后，測試中的插拔力數(shù)值要略高于仿真中插拔力的數(shù)值。一方面，該現(xiàn)象可能由于材料表面自身的屬性導(dǎo)致接觸件之間的摩擦力增加，從而引起插拔力的增加；另一方面，可能是安裝位置以及材料的屬性導(dǎo)致測試中的插拔力偏高。由對比結(jié)果可知，除去不可控制的因素，該仿真具有一定的可靠性。

圖15 測試系統(tǒng)的原理Fig.15 Principle of the Test System

圖16 仿真與測試結(jié)果對比Fig.16 Comparison of Simulation and Test Results

6 結(jié)論

（1）在插拔的過程當(dāng)中，當(dāng)插針的達(dá)到總插入量的1/8 時(shí)（0.86mm），插孔簧片達(dá)到最大形變量；插入力首先達(dá)到峰值（由于縮口結(jié)構(gòu)），然后下降至穩(wěn)定值；接觸力先增加然后達(dá)到最大值；等效應(yīng)力的最終分布區(qū)域關(guān)于插孔簧片的中心線對稱，最大應(yīng)力集中在橫截面的內(nèi)側(cè)。（2）不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對于插拔特性的影響：插孔簧片的開槽寬度對電連接器的性能影響最小，幾乎可以忽略不計(jì)；插孔簧片的收縮量，長度和厚度都具有不同程度的影響。對于不同材料的接觸件，監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線的變化趨勢基本相同，但值略有不同：三種不同觸頭材料制成的插孔的最大形變曲線基本重合；在其他曲線中，由QBe2制成的插孔的最大等效應(yīng)力，最大插入力和接觸力的值均最大，其次是QSn4-3 和H62 材料的插孔。（3）用圓形槽底部代替直角槽底部后，最大形變量基本不變，最大插入力和接觸力略有增加（分別約為2.17%，3.2%），最大等效應(yīng)力降低了約23%。結(jié)果表明，改變插孔簧片槽底的形狀可以提高接觸件的可靠性，但是圓形槽底的最佳參數(shù)和制造工藝也需要進(jìn)一步研究。（4）通過正交試驗(yàn)，可以得到：簧片長度，收縮量和簧片厚度對接觸力都有顯著影響，其中，彈簧長度的影響最大。