汽车连接器端子正向力分析
王文玲
(河南天海电器有限公司，河南鹤壁458030)
摘要：汽车连接器端子是决定连接器电力和信号传输性能的关键零件，端子的正向力是决定端子性能的一个重要因素。分析端子正向力对连接器机械性能、电性能及磨损寿命的影响，找出影响端子正向力的主要因素，提出端子正向力的设计思路。
关键词：连接器端子；端子正向力；接触电阻；磨损寿命
Analysis of Normal Force of Auto Connector ’s Terminal
WANG Wenling
（Henan THB Electric Co．，Ltd．，Hebi Henan 458030，China ）
Abstract ：Terminal of vehicle wiring harness connector is the key component that determines the power and signal transmission perform-ance of the connector．Positive force of terminal is an important factor affecting terminal performance．The influences of the positive force on
s pos-the connector terminals mechanical properties ，electrical properties and the wear life were analyzed．The main factors affecting terminal ’itive force were found out and design idea of the positive force of terminal was put forward．
Keywords ：Connector terminal ；Positive force of terminal ；Contact resistance ；Wear life
0前言
随着我国汽车工业的快速发展和汽车电气系统的日益强盛，对汽车连接器的精细化和可靠性要求越来越高。连接器端子是决定连接器电力和信号传输性能的关键零件，连接器端子的精细化和可靠性越来越引起人们的重视。
汽车连接器端子正向力是指产生在连接器的公端子和母端子接触表面并垂直于该接触表面的力。它是影响连接器性能的一个重要指标。实际使用时，合适的正向力从几牛到几十牛不等，设计人员往往难以正确把握。作者分析了端子正向力对连接器机械性能、电性能及磨损寿命的影响，分析了影响端子正向力的主要因素，提出了端子正向力的设计思路。
R =k ˑ ρˑ
式中：R 表示公端子和母端子接触面间的电阻；
k 表示计算系数；
ρ表示端子材料的电阻率；H 表示端子材料的硬度；
F 表示端子的正向力。
F
（1）
1连接器端子正向力对连接器性能的影响
图1
端子配合示意图
连接器使用时其接触可靠性与正向力成正比，提高正向力可以减小接触电阻，可以改善连接器震动时电讯号瞬断问题。但正向力过大，将使连接器的插拔力变大，端子变形产生的内应力对其疲劳寿命也将产生不利影响。
1. 1对连接器接触电阻的影响
2001汽车连接器的规定，连接器的接触电根据QC /T417-［1］
阻是指参考点之间的电阻（如图1）。连接器的接触电阻由公端子和母端子的固有电阻、导体压接电阻、参考点间的导线电阻、公端子和母端子接触面间的电阻四部分组成。端子材料固有电阻由端子材料的电导率和端子的尺寸决定，压接电阻由压接质量决定，参考点间的导线电阻由所使用导线的材料及线径决定。这里主要讨论公端子和母端子接触面间的电阻。
接触面间的电阻计算公式如下：
由式（1）可知，公端子和母端子接触面间的电阻R 与端子材料的电阻率和硬度的开方成正比，与端子正向力的开方成反比。端子材料的电阻率和硬度由端子材料的特性决定，端子材料确定后该参数即固定不变。正向力除与端子材料的特性有关外，还与端子的几何形状有关。因此，设计时可通过改变端子的几何形状来改变端子的正向力，并进而控制端子接触面间的电阻，以确保电力传递及信号传递的稳定性。
1. 2对连接器插拔力的影响
连接器的插拔力是指在规定的插拔速度下，连接器的公端和母端啮合和分离所需要的力。连接器的插拔力是影响连接器装配性能的重要参数。连接器的插拔力大小主要由公端子和母
收稿日期：2013－02－21
mail ：wangwenling@thb. com. cn 。作者简介：王文玲（1967—），女，工程师，从事汽车用连接器、电器盒开发和工艺管理工作。E-
端子间的插拔力所决定，而公端子和母端子间的插拔力主要由摩擦力的大小和方向决定，因此，这里讨论正向力对公端子和母端子插拔时所克服的摩擦力的影响。根据胡克定律，摩擦力的计算公式如下：
f =μˑ F
（2）
式中：f 表示摩擦力；
μ表示摩擦因数；F 表示正向力。
根据Rabinowitz 提出的接触面摩擦理论，摩擦力可看作是分离两表面间连接的必需力量。摩擦力可以从下面公式中，由接触界面强度进行简单的估计：
f =τs ˑ H （3）H =
kF A （4）
c
式中：f 表示摩擦力；
τs 表示计算系数；
H 表示端子材料的硬度；
k 表示计算系数，与接触面的粗糙度、润滑状态、接触
面形状、表面镀层等有关；
F 表示端子的正向力；
A c 表示端子接触面的点接触面积。
由公式（3）和公式（4）可得到端子插拔时的摩擦力公式：f =τs ˑ k ˑ F A （5）
c
连接器插拔时主要是克服端子接触面的摩擦阻力，因此，连接器插拔力的大小主要由端子接触面的摩擦阻力决定。根据公式（5），端子接触面的摩擦阻力大小与端子的正向力成正比。
1. 3对连接器磨损寿命的影响
连接器在使用时一般需要承受多次插拔，每次插拔都会磨损端子的接触面。根据长期实践经验，每行程的磨损量可化为
经验公式［2］
：
V =k ˑ F ˑ H L
（6）
式中：V 表示单次行程的磨损量；
k 表示磨损系数；
F 表示端子的正向力；H 表示端子材料的硬度；L 表示连接器插拔行程。
根据公式（6）可知：端子材料和插拔行程确定的条件下，端子的正向力越大，表面磨损程度越严重。因此，正向力越大，耐插拔次数越低。使用公式（6）可以粗略估算端子在失效前能够插拔的次数，进而从插拔次数的角度估算出端子的寿命。
2连接器端子正向力影响因素及设计思路
研究汽车连接器端子的正向力时可根据端子使用时的受力
状况将端子简化为悬臂梁模型（如图2）。
根据悬壁梁理论，可得到端子的正向力计算公式如下［3］
：
F =d ˑ E ˑ W ˑ t 3
4ˑ L 3
（7）
式中：F 表示连接器端子的正向力；
d 表示端子弹性结构的偏转位移量；
E 表示材料的弹性模量；W 表示端子弹性结构宽度；t 表示端子材料厚度；L 表示端子悬臂长度
。
图2
端子正向力设计示意图
由公式（7）可知：连接器端子正向力的大小与端子材料的弹性模量、材料宽度、弹性结构的偏转位移量成正比，与材料厚度的立方成正比，与弹性结构悬臂长度的立方成反比。设计产品时，当材料选定后，材料厚度t 、材料的弹性模量E 即固定不变，只能通过改变端子弹性结构的宽度W 和端子悬臂长度L 来调整正向力F 的大小。
端子在正向力作用下会发生弹性变形，产生内应力，内应力计算公式如下：
σ3ˑ d ˑ E ˑ t max =
2ˑ L 2
（8）
式中：σmax 表示端子工作状态的最大内应力。
如果端子承受的内应力超过了端子材料的许用应力，应力集中处端子材料产生塑性变形，从而使端子弹性结构产生永久变形导致端子正向力变化，甚至有可能导致端子功能失效。由公式（8）可知：材料选定后，材料厚度t 、材料的弹性模量E 固定不变，端子工作状态的理论最大内应力σmax 不能满足要求时，可通过降低端子弹性结构的偏转位移量d 或增大端子悬臂长度L 使端子工作状态的最大内应力σmax 降低。
3结论
（1）连接器端子的正向力与端子的接触电阻的平方成反比，与端子接触面的摩擦阻力成正比，与端子的磨损寿命成反比。（2）根据悬臂梁模型计算公式，连接器端子正向力的大小与端子材料的弹性模量、材料宽度、弹性结构的偏转位移量成正比，与材料厚度的立方成正比，与弹性结构悬臂长度的立方成反比。
参考文献：
1】国家汽车行业标准：QC /T417-2001车用电线束插接器［S ］．2】严智勇．基于CAE 技术的连接器端子冲压分析与设计优化
［J ］．模具制造，2010（7）：1－5．3】李小平．汽车线束和连接器可靠性设计及工艺流程研究［D ］．
上海：上海交通大学，
2007．【【【
汽车连接器端子正向力分析
王文玲
(河南天海电器有限公司，河南鹤壁458030)
摘要：汽车连接器端子是决定连接器电力和信号传输性能的关键零件，端子的正向力是决定端子性能的一个重要因素。分析端子正向力对连接器机械性能、电性能及磨损寿命的影响，找出影响端子正向力的主要因素，提出端子正向力的设计思路。
关键词：连接器端子；端子正向力；接触电阻；磨损寿命
Analysis of Normal Force of Auto Connector ’s Terminal
WANG Wenling
（Henan THB Electric Co．，Ltd．，Hebi Henan 458030，China ）
Abstract ：Terminal of vehicle wiring harness connector is the key component that determines the power and signal transmission perform-ance of the connector．Positive force of terminal is an important factor affecting terminal performance．The influences of the positive force on
s pos-the connector terminals mechanical properties ，electrical properties and the wear life were analyzed．The main factors affecting terminal ’itive force were found out and design idea of the positive force of terminal was put forward．
Keywords ：Connector terminal ；Positive force of terminal ；Contact resistance ；Wear life
0前言
随着我国汽车工业的快速发展和汽车电气系统的日益强盛，对汽车连接器的精细化和可靠性要求越来越高。连接器端子是决定连接器电力和信号传输性能的关键零件，连接器端子的精细化和可靠性越来越引起人们的重视。
汽车连接器端子正向力是指产生在连接器的公端子和母端子接触表面并垂直于该接触表面的力。它是影响连接器性能的一个重要指标。实际使用时，合适的正向力从几牛到几十牛不等，设计人员往往难以正确把握。作者分析了端子正向力对连接器机械性能、电性能及磨损寿命的影响，分析了影响端子正向力的主要因素，提出了端子正向力的设计思路。
R =k ˑ ρˑ
式中：R 表示公端子和母端子接触面间的电阻；
k 表示计算系数；
ρ表示端子材料的电阻率；H 表示端子材料的硬度；
F 表示端子的正向力。
F
（1）
1连接器端子正向力对连接器性能的影响
图1
端子配合示意图
连接器使用时其接触可靠性与正向力成正比，提高正向力可以减小接触电阻，可以改善连接器震动时电讯号瞬断问题。但正向力过大，将使连接器的插拔力变大，端子变形产生的内应力对其疲劳寿命也将产生不利影响。
1. 1对连接器接触电阻的影响
2001汽车连接器的规定，连接器的接触电根据QC /T417-［1］
阻是指参考点之间的电阻（如图1）。连接器的接触电阻由公端子和母端子的固有电阻、导体压接电阻、参考点间的导线电阻、公端子和母端子接触面间的电阻四部分组成。端子材料固有电阻由端子材料的电导率和端子的尺寸决定，压接电阻由压接质量决定，参考点间的导线电阻由所使用导线的材料及线径决定。这里主要讨论公端子和母端子接触面间的电阻。
接触面间的电阻计算公式如下：
由式（1）可知，公端子和母端子接触面间的电阻R 与端子材料的电阻率和硬度的开方成正比，与端子正向力的开方成反比。端子材料的电阻率和硬度由端子材料的特性决定，端子材料确定后该参数即固定不变。正向力除与端子材料的特性有关外，还与端子的几何形状有关。因此，设计时可通过改变端子的几何形状来改变端子的正向力，并进而控制端子接触面间的电阻，以确保电力传递及信号传递的稳定性。
1. 2对连接器插拔力的影响
连接器的插拔力是指在规定的插拔速度下，连接器的公端和母端啮合和分离所需要的力。连接器的插拔力是影响连接器装配性能的重要参数。连接器的插拔力大小主要由公端子和母
收稿日期：2013－02－21
mail ：wangwenling@thb. com. cn 。作者简介：王文玲（1967—），女，工程师，从事汽车用连接器、电器盒开发和工艺管理工作。E-
端子间的插拔力所决定，而公端子和母端子间的插拔力主要由摩擦力的大小和方向决定，因此，这里讨论正向力对公端子和母端子插拔时所克服的摩擦力的影响。根据胡克定律，摩擦力的计算公式如下：
f =μˑ F
（2）
式中：f 表示摩擦力；
μ表示摩擦因数；F 表示正向力。
根据Rabinowitz 提出的接触面摩擦理论，摩擦力可看作是分离两表面间连接的必需力量。摩擦力可以从下面公式中，由接触界面强度进行简单的估计：
f =τs ˑ H （3）H =
kF A （4）
c
式中：f 表示摩擦力；
τs 表示计算系数；
H 表示端子材料的硬度；
k 表示计算系数，与接触面的粗糙度、润滑状态、接触
面形状、表面镀层等有关；
F 表示端子的正向力；
A c 表示端子接触面的点接触面积。
由公式（3）和公式（4）可得到端子插拔时的摩擦力公式：f =τs ˑ k ˑ F A （5）
c
连接器插拔时主要是克服端子接触面的摩擦阻力，因此，连接器插拔力的大小主要由端子接触面的摩擦阻力决定。根据公式（5），端子接触面的摩擦阻力大小与端子的正向力成正比。
1. 3对连接器磨损寿命的影响
连接器在使用时一般需要承受多次插拔，每次插拔都会磨损端子的接触面。根据长期实践经验，每行程的磨损量可化为
经验公式［2］
：
V =k ˑ F ˑ H L
（6）
式中：V 表示单次行程的磨损量；
k 表示磨损系数；
F 表示端子的正向力；H 表示端子材料的硬度；L 表示连接器插拔行程。
根据公式（6）可知：端子材料和插拔行程确定的条件下，端子的正向力越大，表面磨损程度越严重。因此，正向力越大，耐插拔次数越低。使用公式（6）可以粗略估算端子在失效前能够插拔的次数，进而从插拔次数的角度估算出端子的寿命。
2连接器端子正向力影响因素及设计思路
研究汽车连接器端子的正向力时可根据端子使用时的受力
状况将端子简化为悬臂梁模型（如图2）。
根据悬壁梁理论，可得到端子的正向力计算公式如下［3］
：
F =d ˑ E ˑ W ˑ t 3
4ˑ L 3
（7）
式中：F 表示连接器端子的正向力；
d 表示端子弹性结构的偏转位移量；
E 表示材料的弹性模量；W 表示端子弹性结构宽度；t 表示端子材料厚度；L 表示端子悬臂长度
。
图2
端子正向力设计示意图
由公式（7）可知：连接器端子正向力的大小与端子材料的弹性模量、材料宽度、弹性结构的偏转位移量成正比，与材料厚度的立方成正比，与弹性结构悬臂长度的立方成反比。设计产品时，当材料选定后，材料厚度t 、材料的弹性模量E 即固定不变，只能通过改变端子弹性结构的宽度W 和端子悬臂长度L 来调整正向力F 的大小。
端子在正向力作用下会发生弹性变形，产生内应力，内应力计算公式如下：
σ3ˑ d ˑ E ˑ t max =
2ˑ L 2
（8）
式中：σmax 表示端子工作状态的最大内应力。
如果端子承受的内应力超过了端子材料的许用应力，应力集中处端子材料产生塑性变形，从而使端子弹性结构产生永久变形导致端子正向力变化，甚至有可能导致端子功能失效。由公式（8）可知：材料选定后，材料厚度t 、材料的弹性模量E 固定不变，端子工作状态的理论最大内应力σmax 不能满足要求时，可通过降低端子弹性结构的偏转位移量d 或增大端子悬臂长度L 使端子工作状态的最大内应力σmax 降低。
3结论
（1）连接器端子的正向力与端子的接触电阻的平方成反比，与端子接触面的摩擦阻力成正比，与端子的磨损寿命成反比。（2）根据悬臂梁模型计算公式，连接器端子正向力的大小与端子材料的弹性模量、材料宽度、弹性结构的偏转位移量成正比，与材料厚度的立方成正比，与弹性结构悬臂长度的立方成反比。
参考文献：
1】国家汽车行业标准：QC /T417-2001车用电线束插接器［S ］．2】严智勇．基于CAE 技术的连接器端子冲压分析与设计优化
［J ］．模具制造，2010（7）：1－5．3】李小平．汽车线束和连接器可靠性设计及工艺流程研究［D ］．
上海：上海交通大学，
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