接觸件結構參數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.河北工業大學電氣工程學院，天津 300000；2.國網冀北電力有限公司張家口供電公司，河北 張家口 075000；3.國網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，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備的正常運行。對它的研究一直是學者們關注的熱點，研究內容包括接觸件的插拔特性以及結構優化等［1-2］。

（1）在連接器的研究方面，很多學者通過FEM（有限元分析方法）討論結構對接觸應力、法向力、插入力和拔出力的影響［3-4］。文獻［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［9］通過研究發現，插孔的縮口量和長度對插入力有顯著影響。文獻［10］討論了接觸件中力與電阻的關系，通過仿真軟件，得到了摩擦系數等重要參數對插拔特性的影響。

（2）另一部分學者通過理論以及仿真的方法對電連接器進行優化。文獻［11-12］對插針和插孔相互滑動的區域進行了形狀優化，從而減小了插入力和磨損。文獻［13］發現可以通過減小插孔簧片的倒角來減小彈簧應力集中點的應力。文獻［13］優化了根部結構，使得根部應力明顯降低。文獻［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）并且通過優化設計，實現了接觸電阻和最大應力的最小化。文獻［15］利用正交試驗和二次規劃方法，通過減小插拔力以獲得最佳的觸頭結構參數。

在前人研究的基礎上，這里綜合研究了接觸件的各參數（如：縮口量、簧片長度、厚度、開槽大?。┮约安煌牧蠈Σ灏翁匦缘挠绊?，并且提出通過改變插孔簧片根部的形狀改善插孔根部應力分布集中的問題。

2 插拔特性的仿真研究

2.1 建立實體模型

選用某型號的圓形三針電連接器，其結構，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構，如圖1（b）所示。電連接的插拔特性與接觸件密切相關，由于接觸件自身結構對稱，所以這里對其1/4部分的特性進行研究模型，如圖2所示。

圖1 某型號圓形三針連接器實物及模型圖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 材料參數的設置

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 網格劃分

為使仿真結果準確且具有收斂性，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雜，所以在進行網格劃分的時候對其進行細化剖分，在插針以及插孔的表面施加面尺寸控制（網格大小為0.2mm），在插孔的實體部分施加體尺寸控制（網格大小為0.4mm）。最終的劃分結果，如圖3所示。

圖3 接觸件的網絡劃分Fig.3 FE Mesh of the Contacts

2.4 仿真運行條件設置

2.4.1 接觸狀態設置

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

表2 接觸狀態的設置Tab.2 Setting of Contact Status

2.4.2 分析過程設置

設置的參數，如表3所示。

表3 分析過程設置Tab.3 Setting of Analysis Process

2.4.3 邊界條件設置

邊界條件設定，如表4所示。

表4 邊界條件的設置Tab.4 Setting of Boundary Conditions

2.5 接觸件插拔過程仿真運行結果

2.5.1 插針插拔過程中插孔簧片形變特點分析

當插入深度為0.86mm 時，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的位置。當插入深度為不同值時，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構，它在插拔過程中會發生形變，而且隨著插入深度的增加，簧片沿徑向不斷的擴張；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。當插入深度為0.86mm時，簧片前端的形變量達到最大（0.14714mm）；隨著插入深度繼續增加，直至完全插合，簧片的最大形變量不再發生變化。

2.5.2 插孔簧片應力分布及變化特點

在插入過程中及完全插合時插孔的應力分布云圖，如圖5所示。當插針剛接觸插孔時，簧片根部內側角率先產生應力；隨著插入深度的增加，應力值迅速增加，應力分布區域也不斷擴張，最后遍及整個根部區域。由圖6可知，簧片內表面的等效應力以開槽處為軸，呈對稱分布；簧片外表面應力以簧片中間分界線為軸，呈對稱分布；當接觸件完全插合時，簧片受到力的作用而向外擴張，在簧片根部的內表面產生拉應力，外表面產生壓應力，由于簧片根部被固定，簧片根部截面內側角處出現最大等效應力，為679.64MPa，如表1所示。該數值遠小于該材料的理論屈服強度1035MPa，其形變仍然是彈性形變，因此，可認為接觸件處于接觸良好狀態。但這種集中現象會使插孔產生疲勞裂紋，導致接觸件易被破壞。

圖5 插孔簧片（QBe2）應力分布云圖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。

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，插入力達到最大值（4.5712N）；隨著插針的繼續插入，插入力開始下降，直到插入量為0.86mm時，插入力開始穩定在2.9637N。這是由于插針剛開始插入插孔時，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生變化，并且軸向分量會降低，最終導致插入力先增大后減小，最后趨于穩定；在插針剛拔出時，拔出力保持不變，直到插針端部開始離開插孔時，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0.86mm 時，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構參數，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、最大等效應力、接觸件接觸壓力、最大插入力等參數的變化規律，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，最終導致接觸件磨損情況嚴重，接觸性能降低，所以仿真時，縮口量在原數值的基礎上分別降低10%和20%；其他接觸件結構參數上下變動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測量的影響Fig.11 The Monitoring Data as a Function of the Thickness of the Socket Spring

3.1 結構參數的影響

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??；隨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。

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隨各結構參數變化的趨勢基本一致，但數值略有差異。三種不同材料的插孔的最大形變量變化曲線基本重合，最大等效應力、最大插入力、接觸壓力的曲線中，數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，圓角槽底插孔的應力分布云圖，如圖13所示。對比圖6、圖13可知，直角和圓角槽底的插孔內表面應力、外表面應力和簧片根部截面應力分布幾乎沒有差別，但圓角槽底插孔的最大等效應力分布區域相對較小，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%，最大等效應力約減小了23%，其中，QBe2 接觸件的最大等效應力為518.11MPa，比直角槽底時減小了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。

4 仿真結果的討論

4.1 插孔的力學模型的分析

插孔簧片由于形變產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構。每一個插孔簧片可視為簡化的懸臂梁模型，如圖14所示。

圖14 插孔簧片結構力學模型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—插孔形變后產生的接觸壓力；

E—插孔材料的彈性模量；

Ix—插孔截面關于中性層軸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—簧片數量；μ—接觸面之間的摩擦系數。

此外，簧片對插針的接觸壓力F可看作一個集中力，在簧片端部出現，導致彎矩M的產生：

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

由此可以看出，F和Finsertion與接觸件結構參數、材料屬性等密切相關。

4.2 結構參數與各監測量之間的關聯性分析

由式（1）可知，接觸壓力的大小和縮口量為正比例的關系，接觸壓力會隨著縮口量的減小而呈現減小的趨勢，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。即使摩擦系數被設置為定值，縮口量一旦發生變化，就會使得插針與插孔接觸角度變化，最終導致最大插入力與接觸壓力之間為非理想的線性關系，如圖8（c）、圖8（d）所示?？s口量的變化，起初可能會導致磨損的微小變化，但是經過多次插拔循環后，磨損變化明顯。

開槽寬度增大，如圖14（b）所示，簧片對應的弧長會減小，最大正應力出現的點離中性層軸更近，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，最大等效應力、最大插入力的變化都與接觸壓力的變化呈正比關系，與圖9中的仿真結果一致。由式（1）～式（4）可知，當彈簧的長度增加時，接觸力和最大插入力減小，彎矩減小，最大等效應力減少；如圖6所示，彈簧根部的應力集中得到緩解，并逐漸向插孔末端擴展。這都與圖10中的變化曲線一致。

由式（1）～式（2）可知，當簧片加厚時，慣性矩Ix會增大，同時兩表面接觸壓力增大，插入力變大；由式（3）可知，此時彎矩會增大，在中性層軸的更遠處才能產生最大值，由式（4）～式（5）可知，最大等效應力也是相似的規律，此外，簧片內側的兩個角處為承受最大應力的地方，所以導致其波動上升。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力均為最大值，如圖8～圖11所示。

4.3 結構參數對插拔特性的顯著性分析

以H62材料的接觸件為例，接觸件結構參數改變對監測量改變的程度，如表8所示。

表8 接觸件（H62）結構尺寸變化及各監測量對應的變化情況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相關，接觸件間接觸壓力的數值及穩定保證了電連接器的正常運行。因此，通過設計正交實驗來分析各結構參數對接觸壓力影響的顯著性。

正交試驗中，選用參數：s（縮口量）、w（開槽寬度）、（l簧片長度）和（t簧片厚度），每個參數的水平數為4，如表9所示。

表9 正交試驗參數及水平值Tab.9 Parameters and Their Levels of Orthogonal Test

根據選取的結構參數及其水平值，由正交設計理論得到一個16組試驗的正交試驗表L1（645）。對各試驗組合進行仿真，得出最小接觸壓力值，如表10所示。

表10 正交試驗表Tab.10 Orthogonal Test Table

方差分析可得到電連接器接觸件中各結構參數對接觸壓力作用的顯著性，從而判斷結構調整對接觸器的影響。其結果，如表11所示。

表11 方差分析結果Tab.11 Anova Results

根據方差檢驗規定，對于每個差異源，給定檢驗水平α，當F值大于F1-（αq-1，q-1）時，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因素對接觸壓力的影響那么顯著，所以在連接器的設計制造過程中，可以對開槽寬度的控制精度可略低些。

5 試驗驗證

為驗證該仿真結果的正確性，設計了電連接器插拔特性測試系統對連接器的插拔力進行測試。該測試系統的原理，如圖15所示。在一個操作循環中，仿真與測試的結果對比，如圖15 所示。由對比結果可知，仿真結果與測試結果基本吻合。在插拔力到達峰值之前趨于一致，當插入量超過最大值后，測試中的插拔力數值要略高于仿真中插拔力的數值。一方面，該現象可能由于材料表面自身的屬性導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致測試中的插拔力偏高。由對比結果可知，除去不可控制的因素，該仿真具有一定的可靠性。

圖15 測試系統的原理Fig.15 Principle of the Test System

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

6 結論

（1）在插拔的過程當中，當插針的達到總插入量的1/8 時（0.86mm），插孔簧片達到最大形變量；插入力首先達到峰值（由于縮口結構），然后下降至穩定值；接觸力先增加然后達到最大值；等效應力的最終分布區域關于插孔簧片的中心線對稱，最大應力集中在橫截面的內側。（2）不同的結構參數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；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，監測數據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%），最大等效應力降低了約23%。結果表明，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和制造工藝也需要進一步研究。（4）通過正交試驗，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。