摘要：在电气汽车当中连接器接触端子属于重要零部件之一，在安装和配置汽车弹片式接触端子过程中，其质量特性主要是应力，拔出力和插入力。端子在使用一段时间之后需要确保其不会出现变形情况，在进行设计时需要全面通过有限元分析法和响应曲面法实施优化，采取该种方式所设计的连接器不会降低连接器的电气性能，还能够在较大程度上提升机械插拔力。本文主要是探讨分析电动汽车某连接器弹片式接触端子的优化设计，希望能够对相关设计人员起到参考性价值。
关键词：电动汽车；连接器；弹片式；接触端子；优化设计
在电动汽车当中，电子连接器属于机电系统，在整个器件当中占据重要位置。其主要借助于机械能给予汽车分离界面，使其完成电力连接，这样能够将两组次电子系统连接在一起，还能够为汽车各个连接回路起到绝缘保护作用。母端弹片能够给予汽车正向接触力，显著加强传输效果，因此需要持续加大正向接触力。但是，随着正向接触力不断提升，会相应增大插拔力，提升操作难度，在较大程度上降低了连接器使用寿命。因此在电动汽车连接器当中主要是应用弹片式接触端子分析电热耦合分析和非线性动态应力等，结合连接器开发经验，全面研究连接器弹片式接触端子的设计优化。
1、电动汽车连接器弹片式接触端子
由于连接器在建立连接界面时主要是借助公端子和母端子实现，因此连接界面所具备的分离性特征主要借助于弹片结构试下，所以在电动汽车连接器当中弹片结构的作用十分显著。图1 为连接器电连接系统的构成图。对于弹片式接触端子来说，常见的结构形式主要包括卷舌型，悬臂型。首先，悬臂型主要是将插座端子和插头端子啮合之后，由插座端子弹片的端子壁折弯形成，悬空弹片末端，并且分离端子内壁，与悬臂梁结构较为相似。在以往的连接器当中比较常见悬臂型结构，但是该类弹片结构也存在较多弊端，主要表现在以下方面：其一，端子啮合正压力比较小，此处所讲的正压力主要代表弹片与插头端子之间的夹紧力，如果在超负荷条件下会导致触点发热，将严重影响使用性能。其二，由于端子存在较小的啮合力，并且多线连接器各个线路连接具体较小的对接力，确保操作良好。其三，端子耐久性较短，在高温和振荡影响下，会逐渐降低铜材性能，导致弹片出现应力松弛情况，影响连接器使用性能。其次，对于卷舌型结构来说，该连接器的端子弹片结构呈卷舌状，并且端子内壁与末端接触，会支撑整个连接器。该结构连接器的特点与弊端表现在以下方面：其一，存在较大的端子啮合正压力，能够确保连接器可靠接触，可以在高温和强振动环境下稳定运行。其二，端子具有较大的插拔力，会对多线连接器满线对接造成影响，提升操作力，降低舒适感。
图1 连接器电连接系统构成图
2、接触端子优化设计的有限元分析
2.1设计弹片式接触端子模型
在实验开始之前需要建立端子立体化模型，并且应用专业性软件实施有限元分析，并且应用二次四面体元素，全面分析接触端子的几何参数，并在此基础之上建立有限元分析方案，全面分析公端子的插拔力，实现设计优化。
2.2设计实验步骤分析
为了全面确保端子预设插拔力质量满足实验要求，在实验过程中需要选择若干质量因子，主要包括弹片力臂切口宽度，弹片根部高度，力臂长和接触区间隙，弹片接触端子的其他几何参数保持不变。在实验期间主要应用响应曲面设计实施仿真实验，并且采用三水平设计弹片力臂切口宽度，弹片根部高度，力臂长和接触区间隙，按照响应曲面因子三水平设计要求完成实验。
3、连接器弹片式接触端子的优化设计结果
3.1分析端子结构安全性
为了对实验期间所设置的边界条件合理性进行验证，需要对比分析现有端子有限元分析数据和实际测量的数据，按照分析结果显示，有限元分析值当中拔出力为0.062，插入力为0.186；实际测量的数据当中拔出力为0.083，插入力为0.169，从上述分析能够看出两组数据之间存在较高的相似性，由此能够看出，有限元分析值所得出的各项数据具有参考性价值。
按照此次所设计的曲面实验设计能够看出，在经过有限元分析之后，接触端子的应力如下图所示。从图中能够看出，此次实验优化处理所有实验细节的最大拔出力和插入力，还进一步优化了母端子最大应力值。在分析端子等效应力时发现，所有实验点均在材料屈服强度范围内，这就表明在插入和拔出端子时不会出现变形现象，设计安全性较高。
图2 应力分布图
3.2优化设计结果
图3为此次优化设计的弹片式接触端子，在设计期间将简支弹片结构作为基础，在不影响端子电力性能情况下，需要全面加强机械性能，这样也就相应减少了端子的插入力和拔出力。
此次优化设计的新型弹性简支型结构所使用的材料为青铜，屈服强度能够达到582N/mm2，按照实际需求将端子插入力设计为0.252N，最小拔出力为0.068N，应用SPSS 19.0软件进行统计分析，获得各个质量因子的优化参数，其中，弹片力臂切口宽度参数为0.21，弹片根部高度参数为0.26，力臂长参数为1.27，接触区间隙尺寸参数为0.12。
相比于常规简支结构来说，采用弹性简支结构主要是将弹片结构T设置在弹片末端端子内壁上，这样能够将弹片内部所具备的单一支撑性能优化为弹性支撑性能，这样能够使简支弹片的末端获取到富余的弹性，在端子啮合期间能够有效降低弹片变形所导致的应力增加情况，在较大程度上减少了端子的插入力和拔出力。
此次研究在使用有限元分析软件分析弹性接触端子的简支结构时，按照分析结果能够看出，在经过优化设计之后，端子啮合期间弹片T具有显著作用，在设计期间将端子连接部作为支点，围绕支点进行旋转变形处理，对比两组端子的插入力和拔出力。详情见表1。从表1 的各项数据能够看出优化设计之后的弹片结构端子的插入力和拔出力显著低于简支型，在较大程度上加强了端子的插入性能和拔出性能。应用有限元分析软件对比新型弹性简支型和常规简支型结构的通电温度升高情况，给予两组端子结构10A工作电流，按照对比分析结果能够看出，新型弹性简支型和常规简支型结构的曲线走向相同，并且随着时间的不断延长，新型弹性简支型的温度升高幅度显著优于常规简支型结构，具有稳定的电流性能，从上述研究分析能够看出，优化新型弹片结构设计具有显著效果。
图3 新型弹性简支型
表1 对比分析端子的插入力和拔出力
4、结束语
综上所述，在电动汽车连接器弹片式接触端子主要包括卷舌型和悬臂型，不同结构形式具有优势和不足，在对常规简支结构和弹性简支结构性能进行对比分析，弹性简支结构的各项性能更加优越。本文主要是利用曲面设计进行仿真实验，并且采用有限元分析软件全面分析弹片式接触端子的插入力和拔出力，从实际测量数据和有限元分析软件数据结果的比较分析中能够看出，两组数据在整体上较为接近，因此能够看出有限元分析软件所获取的各项数据具有一定的预测价值，并且能够为实际设计改造提供参考性价值。
参考文献
[1]赵平堂,周锋,凌文丹.化学镀白青铜在汽车端子表面处理中的应用[J].材料保护,2018,51(02):133-134.
[2]王瑞.汽车中央电气接线盒无焊压入式连接技术的应用研究[J].汽车电器,201,10(01):60-62+65.
[3]李辉,张明柱.基于ABAQUS的车用连接器插座端子弹片结构优化设计[J].汽车电器,2017,20(11):59-62.
论文作者:朱庚明,蔡进
论文发表刊物:《基层建设》2018年第22期
论文发表时间:2018/9/12
标签：端子论文; 弹片论文; 连接器论文; 结构论文; 力臂论文; 有限元论文; 应力论文; 《基层建设》2018年第22期论文;