李 辉 ，张明柱 

（1．河南科技大学机电工程学院，河南 洛阳 471003；2．河南天海电器有限公司，河南 鹤壁 458030）

基于ABAQUS的车用连接器插座端子弹片结构优化设计

李 辉1，2，张明柱1

（1．河南科技大学机电工程学院，河南 洛阳 471003；2．河南天海电器有限公司，河南 鹤壁 458030）

利用ABAQUS软件的力学性能及电性能分析方法，在分析车用连接器电连接系统插座端子常见的3种不同弹片结构形式的机械和电气性能的基础上，提出了一种具有“双弹片”特征的新型弹片结构。经过结构优化设计，由该弹片结构构成的新型连接器，具有电气特性不减弱、机械插拔力特性明显提高的特点。应用该连接器将提高车辆电气连接的可靠性及操作舒适性。

ABAQUS；汽车连接器；端子；插拔力；温升；电压降

车辆电连接器是一种“机电系统”，它通过机械的方法提供一种可分离的界面建立电连接，用以连接两个次电子系统［1］，同时，为各电连接回路提供可靠的绝缘保护。电连接界面在次电子系统接通与分离过程中，不影响整个系统的运行功能。在汽车连接器行业，ABAQUS常被应用于产品的非线性动态应力/位移分析和电/热耦合分析［2］。本文将应用ABAQUS软件CAE分析方法，并结合连接器开发经验，对汽车连接器插座端子常见的3种弹片结构进行插拔力机械性能和接触电阻/电压降/温升电气性能对比研究，分析其各自特点，针对存在的机械插拔力及电性能最优化问题，提出一款综合性能更优的弹片结构，并进行结构优化设计。

1 汽车连接器的主要电气连接性能指标

汽车连接器电连接界面的建立依靠“端子对”，即插座端子（通常称为母端子）与插头端子（通常称为公端子），该电连接界面的“可分离性”依靠其插座端子内的弹片结构保证，因而，插座端子内部的弹片结构对于电连接系统而言至关重要。汽车连接器电连接系统构成如图1所示。

图1 汽车连接器电连接系统构成

汽车连接器电连接系统的可靠性主要包括机械性能和电气性能。

1.1 机械性能

汽车连接器由端子对形成的接触界面必须是可分离的。这就要求该端子对在接通和分离时应具备一定的可操作性和耐久性。中国连接器行业标准QC/T 1067—2017《汽车电线束和电气设备用连接器》规定，确保沿端子中心线以50 mm/min的匀速对插端子，考查以下3项。

1）第1次插入力 简称“一插”，即第1次啮合到位所需的峰值力。

2）第1次拔出力 简称“一拔”，即第1次完全分离所需的峰值力。

3）第10次拔出力 简称“十拔”，即端子重复插拔10次，测量第10次完全分离所需的峰值力［3］。

1.2 电气性能

汽车连接器电连接系统要形成可靠的电连接接触界面，确保电路连接的稳定畅通。按照电接触理论，汽车连接器电连接系统考查如下几个关键参数。

1）接触电阻/电压降 反映电连接接触界面的阻抗性能，通过测量接触点的电压降（即电压损耗），间接计算接触点的接触电阻。

2）触点温升 即接触点温度与环境温度的差值，根据焦耳定律：Q=I²RT可知，接触点温度与接触电阻大小成正比关系。

以上2组性能参数是衡量汽车连接器电连接可靠性的重要指标，在连接器端子开发，特别是插座端子弹片结构设计过程中必须考虑。

2 连接器插座端子常见弹片结构形式及其特性

根据插头端子与插座端子啮合后插座端子弹片的结构特点，可以将插座端子弹片划分为以下3种常见类型。

2.1 悬臂型

如图2所示，插头端子与插座端子啮合到位后，插座端子弹片一端由端子壁连料折弯而来（与端子壁连为一体），而弹片的末端悬空，与端子内壁无接触，类似于悬臂梁，故称之为悬臂型。应用ABAQUS软件，分析得出该类弹片的CAE分析数据［4］，如图3和图4所示。

悬臂型弹片结构在以往产品中较常见，上述分析与以往开发经验吻合，该类结构有如下特点及不足。

图2 插座端子弹片间隙

图3 悬臂型结构插拔过程模拟

1）端子啮合力小 多线连接器满线对接力小，操作舒适性好。

2）端子啮合正压力小 此正压力即弹片对插头端子的夹紧力，在大负载工况及振动环境下触点易发热，这是该类弹片结构的致命缺陷。

3）制造过程稳定性差 在高冲模具生产时料带剧烈振动，弹片间隙G不稳定（图2），极端情况下，当G尺寸大于插头端子厚度时，电连接系统失效，电气功能丧失。

4）端子耐久性差 在振动和高温作用下，铜材性能下降，弹片发生应力松弛，最终将导致电连接器失效。

2.2 卷舌型

如图5所示，端子弹片呈“卷舌”状，“卷舌”末端与端子内壁接触，起支撑作用。应用ABAQUS软件，可以分析出该类弹片的CAE分析数据，如图6和图7所示。

图4 悬臂型结构插拔力分析

图5 卷舌型弹片结构

以上分析结果与开发经验相吻合，该类结构有如下特点与不足。

1）端子啮合正压力大 连接器接触可靠，能承受较高的振动和温度环境。

图6 卷舌型结构插拔过程模拟

2）端子插拔力大 将导致多线连接器在满线对接时操作力过大（＞100 N），操作舒适性差，这也是主机厂经常反馈的品质问题。

2.3 简支型

如图8所示，简支型弹片结构与悬臂型最大区别在于：插头端子啮合到位后，弹片末端与端子内壁接触，形成“简支梁”。并且，其弹片末端设置卷曲结构R，在端子啮合过程中，便于R在端子内壁滑动。该弹片结构相对于前述2种结构既可减小端子插拔力又可提供可靠的正压力，保证电连接系统的可靠性。其CAE分析数据如图9和图10所示。

对于相同规格（端子规格：指其适配插头端子的宽度，是表征端子大小的重要参数）端子而言，以上3种结构性能对比如图11所示。3种弹片中，简支型综合性能最优，在汽车连接器上广泛应用，但实际上，它并不完美：其插拔性能比起悬臂型还有一定差距。那么就需要寻找一种弹片形式可以达到机械性能和电性能的最佳融合，即占据图11中右上角虚线框位置。

图7 卷舌型结构插拔力分析

图8 简支型弹片结构

图9 简支型结构插拔过程模拟

图10 简支型结构插拔力分析

本文将应用ABAQUS分析软件，在简支型结构基础上，优化设计出一种电性能相当但机械插拔性能明显提升的新型弹片结构。

3 新型弹片结构特征及连接器优化设计

新型弹片结构如图12所示，以既有简支型弹片结构为基础，在不降低其电性能的前提下，能够提升机械性能，即降低其插拔力。

弹性简支结构与普通简支结构最大的不同点在于：支撑弹片末端的端子内壁上设置一处弹片结构T。对弹片支撑由内壁的固定支撑变为弹片的弹性支撑，赋予简支弹片末端额外弹性，从而降低端子啮合过程中克服弹片变形所施加的力，以降低端子插拔力。

图12 弹性简支型弹片结构

应用ABAQUS软件对弹性简支型结构进行分析［5］，结果见图13和图14。从图13可以看出，新设置弹片T在端子啮合过程中是起作用的——以连接部为支点旋转变形。图10和图14中插拔力对比，如表1所示，新型弹片结构的插拔力低于简支型，机械插拔性能得到明显提升。

图13 弹性简支型结构插拔过程模拟

图14 弹性简支型结构插拔力分析

表1 插拔力对比

应用ABAQUS软件对二者进行通电温升对比［6］。对二者同样通15 A工作电流，分析数据见图15和图16，二者曲线走向一致，且随时间延续弹性简支型温升趋于稳定，电性能更优，新型弹片结构优化设计成功。

图15 端子温升CAE分析示意图

图16 简支型与弹性简支型温升模拟数据对比（15 A）

4 总结与展望

汽车连接器电连接系统插座端子常见的3种既有弹片形式各有优缺点，对比分析表明简支型弹片结构综合性能上更优，但机械插拔性能上仍有提升空间。

本文提出一种改良型弹片结构——弹性简支结构，应用ABAQUS软件分析表明其电性能与简支型弹片结构无明显差异，但机械插拔性能有明显提升。

［1］ 富士康集团华东智权室.汽车连接器手册［Z］.1998.

［2］ 石亦平，周玉蓉. ABAQUS有限元分析实例详解［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［3］ QC/T 1067—2017，汽车电线束和电气设备用连接器［S］.北京：中国标准出版社，2017.

［4］ 丁元淇，康金灿，杜艳萍，等. 车用连接器端子的结构仿真分析［J］. 汽车电器，2016（7）：51-53.

［5］ 王永安，张文建，梁晋豫. CAE分析产品的弹性变形［J］. 汽车电器，2010（12）：13-14.

［6］ 丁元淇，李晓英，李厚琨，等. 车用插接器电热性能仿真分析［J］. 汽车电器，2016（7）：39-41.

Optimized Design of Spring Tongue Structure of Socket Terminal for Automobile Connector Based on ABAQUS

LI Hui1，2，ZHANG Ming-zhu1
（1. College of Mechanical and Electrical Engineering，Henan University of Science and Technology，Luoyang 471003；2. Henan THB Electric Co.，Ltd.，Hebi 458030，China）

Based on the mechanical and electrical properties of three different spring tongue structures，which are commonly used in the socket terminal of the vehicle connector，a new spring structure is proposed，using ABAQUS software.After the structural optimization design，the new connector which is composed of the spring tongue has been improved mechanical characteristics without affecting electrical characteristics. The application of the connector will improve the reliability and operation comfort of the electrical connection.

ABAQUS；automotive connector；terminal；engage amp; disengage force；temperature rise；voltage drop

U463.62

A

1003-8639（2017）11-0059-04

2017-07-28；

2017-07-31

国家自然科学基金资助项目（51375145）

李辉（1982-），男，河南商丘人，工程师，从事连接器研发和项目管理工作11年；张明柱（1964-），男，河南伊川人，博士生导师，研究方向为车辆传动与控制技术。

（编辑 章 子）