【歡迎引用】 曾羽飛， 陳向榮. 電連接器疊片叉狀結(jié)構(gòu)接觸件的受力研究[J]. 汽車(chē)文摘，2024（XX）： X-XX.

【Cite this paper】 ZENG Y F， CHEN X R. The Research on the Force Distribution of the Lamination Fork-Shaped Structure Contacts of Electrical Connectors[J]. Automotive Digest （Chinese）， 2024（XX）： X-XX.

【摘要】為了優(yōu)化疊片叉狀結(jié)構(gòu)接觸件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)疊片叉狀結(jié)構(gòu)接觸件插合過(guò)程中的受力情況進(jìn)行了研究，對(duì)接觸件的各結(jié)構(gòu)參數(shù)與受力情況之間的耦合關(guān)系進(jìn)行了理論分析。利用COMSOL對(duì)該接觸件進(jìn)行了機(jī)械場(chǎng)仿真，對(duì)接觸件的應(yīng)力場(chǎng)分布情況、插合過(guò)程的插入力變化情況、接觸件之間的接觸壓力等進(jìn)行了仿真計(jì)算。理論分析表明，接觸件之間的接觸壓力及插入力與其材料的彈性模量、截面慣性矩、過(guò)盈量成正比，與叉狀簧片的懸臂長(zhǎng)度成反比，疊片叉狀結(jié)構(gòu)接觸件的應(yīng)力集中區(qū)位于叉狀簧片根部?jī)?nèi)側(cè)。未來(lái)，對(duì)以上各構(gòu)參數(shù)進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化可以提升接觸件之間的接觸性能。

關(guān)鍵詞：電連接器；疊片叉狀結(jié)構(gòu)接觸件；接觸特性

中圖分類號(hào)：U463.62；U469.72 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " DOI： 10.19822/j.cnki.1671-6329.20240111

The Research on the Force Distribution of the Lamination Fork-Shaped Structure Contacts of Electrical Connectors

Zeng Yufei1，2， Chen Xiangrong2

（1. Chery New Energy Automobile Co.， Ltd， Wuhu 241000; 2. College of Electrical Engineering， Zhejiang University， Hangzhou 310027）

【Abstract】 In order to optimize the structural design of laminated forked contact， the stress of laminated forked contact is studied， and the coupling relationship between the structural parameters and the stress of the contact is analyzed. The mechanical field simulation analysis is conducted using COMSOL to simulate the stress field distribution， insertion force variation during the insertion process， and contact pressure between the contacts. Theoretical analysis reveals that the contact pressure and insertion force are directly proportional to the elastic modulus， cross-sectional moment of inertia， and material interference. The stress concentration area of the laminated fork-shaped contact component is located at the inner side of the root of the fork spring. In the future， targeted optimization of the above structural parameters can improve the contact performance between contacts.

Key words： Electrical connector， Laminated fork-shaped structure contact， Contact characteristics

0 引言

隨著我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展，電動(dòng)汽車(chē)正逐漸成為中國(guó)汽車(chē)市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。相較于傳統(tǒng)燃油汽車(chē)12 V低壓電氣系統(tǒng)，因電動(dòng)汽車(chē)存在驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電動(dòng)空調(diào)等大功率用電負(fù)載，在12 V低壓電氣系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增設(shè)了一套400 V高壓電氣系統(tǒng)[1-2]，其中高壓電連接器內(nèi)的接觸件是電動(dòng)汽車(chē)高壓電氣系統(tǒng)之間進(jìn)行大功率電能傳輸?shù)年P(guān)鍵部件，分析電連接器接觸件的接觸特性對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)高壓電氣系統(tǒng)的可靠性分析具有重要意義[3]。

目前，電動(dòng)汽車(chē)常用的高壓電連接器接觸件的結(jié)構(gòu)形式多為圓針圓孔的樣式，插針為圓柱形剛性體，根據(jù)載流能力的不同，設(shè)計(jì)多種直徑規(guī)格進(jìn)行適配使用。插孔根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式的不同，大致可分為：開(kāi)槽式、線簧式、冠簧式及環(huán)簧式[4-5]。以采用環(huán)簧式接觸件的電連接器為例，其結(jié)構(gòu)剖視圖及關(guān)鍵組件如圖1所示，主要由電纜密封結(jié)構(gòu)、外殼體、電磁屏蔽結(jié)構(gòu)、絕緣殼體、環(huán)簧接觸件、功率接觸件、殼體密封結(jié)構(gòu)、電纜屏蔽層壓接套及屏蔽電纜組成。該類接觸件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)工藝繁瑣，通常需要通過(guò)精密機(jī)械加工后再進(jìn)行復(fù)雜的裝配操作，造成該類電連接器成本較高。

近年來(lái)，一些電連接器廠家開(kāi)始推廣一種采用疊片叉狀結(jié)構(gòu)的接觸件[6]的電連接器，典型結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要由外殼體、內(nèi)殼體、疊片叉狀結(jié)構(gòu)接觸件、螺栓安裝孔及屏蔽結(jié)構(gòu)組成。

相較于目前常用的圓針圓孔樣式的接觸件，疊片叉狀結(jié)構(gòu)的接觸件結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，僅需一次沖壓工藝即可成型，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，可拓展性強(qiáng)，成本低，是電動(dòng)汽車(chē)用電連接器接觸件工程設(shè)計(jì)研究的新方向。

電連接器是依靠接觸件插合后，簧片結(jié)構(gòu)發(fā)生彈性形變而產(chǎn)生穩(wěn)定的接觸壓力來(lái)保證接觸的可靠性[7-8]，由電接觸理論可知，適當(dāng)加大接觸件之間的過(guò)盈配合尺寸可增大接觸件之間的接觸壓力，但若接觸壓力過(guò)大，易導(dǎo)致接觸件表面材質(zhì)損壞，加大接觸件之間的接觸電阻，易在電連接器持續(xù)載流的過(guò)程中造成熱失控，從而造成整車(chē)電安全風(fēng)險(xiǎn)。在工程設(shè)計(jì)中如何對(duì)接觸件的各結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行合理定義是電連接器接觸件設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，本文通過(guò)建立疊片叉狀結(jié)構(gòu)接觸件的力學(xué)模型，結(jié)合有限元仿真方法，研究了該類接觸件各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其接觸特性的影響，以期為疊片叉狀結(jié)構(gòu)接觸件的工程設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 疊片叉狀結(jié)構(gòu)接觸件的力學(xué)模型分析

1.1 結(jié)構(gòu)特征分析

本文對(duì)某額定載流量為250 A的電連接器進(jìn)行分析，電連接器外形如圖3a所示，電連接器內(nèi)部的接觸件如圖3b所示。

對(duì)該型號(hào)電連接器接觸件的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析可知，接觸件的公端為一端帶倒角的銅排組成，接觸件的母端由多片叉狀對(duì)稱結(jié)構(gòu)的銅排堆疊構(gòu)成。選取單片叉狀結(jié)構(gòu)接觸件進(jìn)行結(jié)構(gòu)特征分析，其結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸如圖4所示，主要包括：?jiǎn)纹鏍罨善暮穸萣、叉狀簧片的懸臂長(zhǎng)度L、叉狀簧片的縮口尺寸l3、銅排頭端厚度T1和銅排主體厚度T2等，其中銅排主體厚度T2及叉狀簧片的縮口尺寸l3之間的匹配尤為關(guān)鍵。

為了研究接觸件各結(jié)構(gòu)參數(shù)與接觸件之間的接觸壓力及插入力的耦合關(guān)系，結(jié)合叉狀結(jié)構(gòu)對(duì)稱的特征，可選取單片叉狀簧片的一側(cè)，將其簡(jiǎn)化為懸臂梁模型進(jìn)行理論研究。

1.2 模型建立及理論計(jì)算

為便于分析疊片叉狀結(jié)構(gòu)接觸件插合后的接觸壓力，取單片叉狀簧片的一側(cè)，將其簡(jiǎn)化為懸臂梁結(jié)構(gòu)[9-12]進(jìn)行力學(xué)分析，簡(jiǎn)易模型如圖5所示，L為懸臂梁的懸臂長(zhǎng)度、F為懸臂梁受到的力、δ為懸臂梁受力后的形變量。

據(jù)材料力學(xué)中關(guān)于梁在載荷作用下的變形理論可知，接觸件之間的接觸壓力可表達(dá)為：

[F=3EIxδL3=Ebh3δL3] （1）

式中：F為叉狀簧片變形后對(duì)銅排形成的接觸壓力，E為叉狀簧片材料的彈性模量，Ix為叉狀簧片懸臂梁截面的慣性矩，δ為叉狀簧片端部的形變量，L為叉狀簧片的懸臂長(zhǎng)度，b為叉狀簧片懸臂截面的寬度，h為叉狀簧片懸臂截面的高度。

由式（1）可知，叉狀結(jié)構(gòu)接觸件之間的接觸壓力與叉狀簧片材料的彈性模量、懸臂梁截面的寬度、端部的形變量呈正比例關(guān)系，與叉狀簧片懸臂梁截面的高度成立方關(guān)系，與叉狀簧片的懸臂長(zhǎng)度成負(fù)立方關(guān)系。

為便于分析疊片叉狀結(jié)構(gòu)接觸件接合過(guò)程插入力的變化規(guī)律，取單片叉狀簧片與銅排進(jìn)行組合分析，接觸件插合過(guò)程如圖6所示。圖6a表示隨著叉狀簧片向右插合運(yùn)動(dòng)，與銅排開(kāi)始形成接觸；圖6b表示叉狀簧片與銅排開(kāi)始接觸后繼續(xù)向右插合運(yùn)動(dòng)，逐步開(kāi)始擴(kuò)張，其中s表示向右的插合深度；δ1表示叉狀簧片的擴(kuò)張量，隨著插合深度變化而變化；圖6c表示叉狀簧片向右插合運(yùn)動(dòng)直至擴(kuò)張到最大，圖中L1表示叉狀簧片擴(kuò)張到最大的插入深度，δmax表示叉狀簧片端部的最大形變量。

叉狀簧片與銅排之間的受力分析如圖7所示，圖7中Fi表示接觸件插合時(shí)的插入力，F(xiàn)t為接觸件插合過(guò)程的摩擦力，F(xiàn)n為接觸件之間的接觸壓力。

可知接觸件插合過(guò)程插入力的表達(dá)式為：

[Fi=2Ftcosα+Fnsinα] （2）

聯(lián)立式（1）和式（2）可知，單片叉狀簧片與銅排插合過(guò)程的插入力的表達(dá)式為：

[Fi=Ebh3δ12L3μcosα+sinα " 0lt;s≤L1μEbh3δmax2L3 " " " " " " " " " " " " " " sgt;L1] （3）

式中：μ為接觸件之間的摩擦因數(shù)。

由式（3）可知，接觸件之間的接觸壓力F及插合過(guò)程的插入力Fi與叉狀簧片的彈性模量E、叉狀簧片懸臂截面的慣性矩Ix、叉狀簧片端部的形變量δ及叉狀簧片懸臂長(zhǎng)度L等參數(shù)有關(guān)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可結(jié)合以上理論模型，選取恰當(dāng)?shù)膮?shù)值來(lái)保證接觸壓力F及插入力Fi符合設(shè)計(jì)需求。

2 疊片叉狀結(jié)構(gòu)接觸件有限元計(jì)算

由于疊片叉狀結(jié)構(gòu)接觸件的幾何結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且在其機(jī)械插拔過(guò)程中各組件之間存在接觸、摩擦等復(fù)雜的力學(xué)相互作用，可先借助三維建模軟件CATIA建立接觸件的幾何模型，再將其導(dǎo)入有限元仿真軟件COMSOL中進(jìn)行有限元計(jì)算。

2.1 有限元模型的建立

2.1.1 生成實(shí)體模型

本文選用的電連接器采用的疊片叉狀結(jié)構(gòu)接觸件由多片叉狀簧片堆疊后與銅排配合構(gòu)成，其中叉狀簧片頭部及尾部設(shè)有縮口結(jié)構(gòu)，銅排厚度與叉狀簧片頭部的縮口尺寸形成適當(dāng)?shù)倪^(guò)盈配合，在二者插合后，通過(guò)叉狀簧片的變形壓力使二者緊密結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)電流傳導(dǎo)的作用。借助三位建模軟件CATIA建立疊片叉狀結(jié)構(gòu)接觸件的幾何模型，幾何模型的尺寸設(shè)定根據(jù)該規(guī)格電連接器所使用的接觸件測(cè)量得出，單片叉狀簧片的尺寸設(shè)定如圖8a所示，銅排的尺寸設(shè)定如圖8b所示，多片叉狀簧片堆疊與銅排裝配后的幾何模型如圖9所示。

2.1.2 定義材料力學(xué)性能參數(shù)

對(duì)疊片叉狀結(jié)構(gòu)接觸件各組件的材料屬性定義如表1所示。

2.1.3 定義接觸對(duì)

在疊片叉狀結(jié)構(gòu)接觸件插入過(guò)程中，各叉狀簧片和銅排之間存在接觸現(xiàn)象，為準(zhǔn)確模擬接觸件插入過(guò)程的接觸狀態(tài)，需在有限元仿真軟件COMSOL中對(duì)接觸對(duì)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置示意如圖10所示，銅排的倒角面及上下平面設(shè)置為源邊界，叉狀簧片內(nèi)側(cè)與銅排接觸的圓弧面設(shè)置為目標(biāo)邊界。

2.1.4 定義邊界條件

將叉狀簧片中間部位設(shè)置為“固定約束”，在左右銅排端面處設(shè)置“指定位移”，設(shè)置銅排位移在0～10 mm范圍的變化，步長(zhǎng)為1 mm，以模擬疊片叉狀結(jié)構(gòu)接觸件的機(jī)械插入過(guò)程。疊片叉狀結(jié)構(gòu)接觸件的邊界條件定義如圖11所示。

2.1.5 網(wǎng)格劃分

對(duì)疊片叉狀結(jié)構(gòu)接觸件的整體模型使用“自由四面體網(wǎng)格”進(jìn)行劃分，為保證有限元仿真計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確，針對(duì)叉狀簧片與銅排接觸區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化構(gòu)建。網(wǎng)格構(gòu)建完成后使用“統(tǒng)計(jì)信息”命令對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，接觸件有限元網(wǎng)格劃分如圖12所示。

2.2 分析求解

在上述步驟設(shè)置完成后，使用“計(jì)算”命令對(duì)疊片叉狀結(jié)構(gòu)接觸件模型進(jìn)行有限元分析，得到應(yīng)力分布云圖如圖13所示。通過(guò)COMSOL自帶的“派生值”功能分別對(duì)叉狀簧片弧形接觸面受到來(lái)自銅排的接觸壓力、插入力進(jìn)行積分運(yùn)算，依次得到接觸壓力及插入力隨銅排插入行程變化如圖14所示。

2.3 仿真結(jié)果分析

由圖13可知，接觸件插合后會(huì)迫使叉狀簧片變形，造成叉狀簧片擴(kuò)張，其最大位移產(chǎn)生于叉狀簧片的端部區(qū)域，由叉狀簧片形變產(chǎn)生的接觸件之間的接觸壓力分布于叉狀簧片端部與銅排接觸的圓弧狀“過(guò)盈”接觸區(qū)域，最大應(yīng)力分布于叉狀簧片根部?jī)?nèi)側(cè)。由圖14可知，在銅排插入過(guò)程中，插入行程為3.2 mm時(shí)，銅排與叉狀簧片開(kāi)始接觸。插入行程為3.2～4.2 mm時(shí)，叉狀簧片受銅排的擠壓逐步發(fā)生擴(kuò)張，導(dǎo)致銅排與叉狀簧片之間的接觸壓力不斷增大直至最大值。銅排插入行程為4.2～10.0 mm時(shí)，接觸壓力穩(wěn)定于最大值，說(shuō)明該段行程中，叉狀簧片已達(dá)到最大程度的變形。銅排插入行程為3.2～4.0 mm時(shí)，插入力由銅排與叉狀簧片的摩檫力及叉狀簧片擴(kuò)張而產(chǎn)生的壓力共同組成，隨著叉狀簧片的逐步擴(kuò)張，由其產(chǎn)生的壓力也逐步增大，最終在插入行程4.0 mm時(shí)達(dá)到最大值。銅排插入行程為4.0～10.0 mm時(shí)，插入力僅由銅排與叉狀簧片之間的摩檫力構(gòu)成，由于叉狀簧片已處于最大程度的變形，接觸壓力保持恒定，故銅排與叉狀簧片之間的插入力也保持穩(wěn)定。

由1.2節(jié)可知，疊片叉狀結(jié)構(gòu)接觸件在機(jī)械插入過(guò)程中，銅排與叉狀簧片之間的接觸壓力、插入力均與叉狀簧片的形變量及叉狀簧片的寬度呈正比例關(guān)系，插入過(guò)程中叉狀簧片的形變量隨著銅排插入行程逐步增大直至飽和不變，與圖14中銅排與叉狀簧片之間的接觸壓力、插入力隨銅排位移的變化趨勢(shì)一致。為研究叉狀簧片不同形變量及寬度對(duì)接觸壓力和插拔力的影響，分別改變接觸件之間的過(guò)盈尺寸及叉狀簧片的厚度再次進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如表2、表3所示。

由表2可知，當(dāng)接觸件之間的過(guò)盈尺寸由0.05 mm增加到0.25 mm時(shí)，銅排與叉狀簧片之間的接觸壓力由117.56 N增大至588.27 N，插入力由5.93 N增大到55.83 N。由表3可知，當(dāng)叉狀簧片厚度由1.0 mm增加到2.0 mm時(shí)，銅排與叉狀簧片之間的接觸壓力由117.56 N增大至215.04 N，插入力由5.93 N增大到11.20 N。分析數(shù)據(jù)可知，接觸壓力和插拔力隨接觸件之間的過(guò)盈尺寸增大而成線性關(guān)系增大，與1.2節(jié)中理論變化趨勢(shì)一致。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以疊片叉狀結(jié)構(gòu)接觸件為研究對(duì)象，將其等效為懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論分析，建立了接觸件插合過(guò)程中受力情況的力學(xué)模型，隨后結(jié)合COMSOL軟件建立了疊片叉狀結(jié)構(gòu)接觸件的機(jī)械場(chǎng)有限元仿真模型，仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證了力學(xué)模型的正確性，研究結(jié)論如下：（1）接觸件之間的接觸壓力及插入力與叉狀簧片的彈性模量、叉狀簧片懸臂截面的慣性矩、叉狀簧片端部的形變量成正比，與叉狀簧片懸臂長(zhǎng)度成反比，實(shí)際工程應(yīng)用中，可對(duì)以上各結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)，以優(yōu)化接觸件之間的接觸性能。（2）針對(duì)接觸件之間的應(yīng)力場(chǎng)仿真可知，疊片叉狀結(jié)構(gòu)接觸件的應(yīng)力集中區(qū)位于叉狀簧片根部?jī)?nèi)側(cè)，可改變?cè)搮^(qū)域的幾何形狀來(lái)減弱應(yīng)力集中對(duì)產(chǎn)品帶來(lái)的危害。（3）由于電動(dòng)汽車(chē)電連接器的工作環(huán)境較為復(fù)雜，不同環(huán)境溫度及振動(dòng)環(huán)境對(duì)疊片叉狀結(jié)構(gòu)接觸件接觸特性的影響有待進(jìn)一步研究。

參 考 文 獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯 明慧）