汽車聯結器可靠性設計

汽車聯結器用於實現汽車電訊號的傳輸和控制，線束和線束之間以及線束電氣裝置之間電連線的基礎原件，起連線和斷開電力的作用。汽車聯結器導體接觸件的可靠接觸、可靠的電氣絕緣效能、可靠的機械連線，保證汽車電訊號的可靠傳遞和部件的有效控制。

汽車聯結器的主要失效模式

現場使用及實驗資料表明，汽車聯結器的失效模式有電接觸失效、絕緣失效、機械聯結失效及其他失效模式，各失效模式佔比見圖1。

圖1 聯結器失效模式佔比

汽車聯結器失效模式特徵見表1

汽車聯結器的故障樹分析

使用故障樹分析法對汽車聯結器失效模式進行分析，汽車聯結器的故障樹分析見圖2。

一、電接觸失效原因分析

（1）電接觸壓力不足。

聯結器透過插針和插孔接觸導電，插孔為彈性元件，其質量優優劣對電連線的可靠性至關重要，插針插入插孔插孔產生彈性變形，進而對插針產生接觸壓力，接觸壓力的不穩定或減小會影響接觸電阻的不穩定，在一定的振動、衝擊應力作用下，彈性原件發生產生恢復性彈性變形，振動、衝擊應力足夠大，作用時間足夠長，就會造成瞬斷故障。插針插孔長期受作用力和反作用力，插孔彈性元件逐漸產生永久性變形，出現應力疲勞鬆弛現象，尤其在接觸點及環境溫度的作用下，插孔會出現蠕變現象，接觸壓力減小，接觸電阻增大。

（2）接觸磨損。

插拔磨損：汽車聯結器插合分開時，插針與插孔之間在一定的接觸壓力作用下，由於相對運動而產生摩擦，在摩擦過程中，會出現接觸表面的光潔度損傷，幾何形狀改變、擦傷、粘連、 產生磨屑，材料轉移等，同時還伴隨有熱量產生。隨著插拔次數的增加，插針插孔的表面鍍層金屬被磨損，露出基底金屬，在周圍環境作用下產生腐蝕，形成接觸不良。接觸對錶面磨損的程度與接觸壓力的大小，接觸摩擦部位表面光潔度，接觸對錶面鍍層品種、 硬度、質量、接觸對導向部位圓角是否光滑以及插孔接觸部位幾何形狀等因素有關。在 接觸壓力大，插針頭部及插孔內孔口部圓角連線差，接觸部位粗糙度高，鍍層材料硬度 低，鍍層質量差的情況下，接觸對磨損更為嚴重。聯結器的插拔壽命也低，接觸穩定性也差。

微動磨損：微振是發生在兩個具有小幅振動的相對運動的兩個表面的磨損現象，其振幅為 1—100um，主要是溫度迴圈引起的熱脹冷縮和背景的振動，汽車聯結器因其工作工況中，振動及熱衝擊同時存在，因此微動頻繁發生。例如電聯結器按照5℃／h波動，迴圈20次，插針(黃銅製造)的熱膨脹係數為2x10-5/℃，插針長度為 5mm，則其微振幅度可達5um。試驗表明，這種微振達到數百萬次以後，就有可能嚴重影響電接觸的可靠性。比如汽車執行5h，振動頻率 1000Hz，相當於產生1800萬次的微振。

美國的MichealBryant於1994年提出了下述微振失效模型，將失效劃分了7個階段。

（1）潔淨的微觀突起的接觸；

（2）微振運動使微觀突起接觸暴露於鏽蝕作用之下，形成鏽蝕膜層；

（3）微振的反向運動刮削膜層，一部分落入“谷”中，同時有一部分壓入接觸

部分；

（4）一步的微振再次將接觸部分暴露於鏽蝕作用之下；

（5）微振運動使微觀突起產生塑性變形，使鏽蝕膜層碎裂，並使碎末與突起的

金屬混合：

（6）微觀突起逐漸被鏽蝕物汙染，接觸電阻增加；

（7）最後鏽蝕碎末填滿“谷”中，在兩接觸表面之間形成厚度至少為20nm的絕緣層，連線完全失效。

微振失效模型圖見圖3

相比較而言，電子聯結器在低電壓、小電流的工作場合，微動過程中接觸表面上的絕緣，物質的危害較大，而在大功率電力電路中，絕緣物可能由於電衝擊而被去除，對電路的影響。

二、電接觸可靠性設計

聯結器電接觸可靠性設計重點是以下引數的設計：接觸電阻、插拔力、接觸正壓力。

接觸電阻設計

依據電接觸理論，接觸電阻R= RC + Rf + Rp,式中：

Rp—為導體電阻，它是端子和引出線的奧姆電阻之和,其大小決定於端子和引出線所選 用的材料、截面形狀及長度尺寸。

RC—集中電阻，當兩個端子彼此接觸時,其表面不可能完整地接觸，微觀上是點與點 的接觸。當電流由一個接觸件流向另一個接觸件時，電流線就受到收縮而產生阻力，因而產生的電阻就稱為收縮電阻。

Rf—膜層電阻，它是接觸件表面上的粘著膜、表面晦暗膜及薄膜所產生的電阻。

接觸電阻的影響因素：材料本身的特性，接觸壓力、生產工藝能力等。

端子材料選用

下表為典型金屬的電阻率

下表為銅合金的效能

選用高導電率或低電阻率的端子材料（黃銅的導電率約為 13﹪,磷青銅導電率約為 26﹪，鈹銅可大達 40﹪）,是降低接觸電阻最有效的方法。

端子材料選擇的基本要求：

導電性－高導電率、低電阻率，降低接觸電阻；

延展性-有助於端子成型；

硬度-提高機械 磨損能力及增大接觸面積，減小接觸電阻；

降伏強度-屈服強度，在機械與材料科學的定義是材料開始產生塑性變形(永久變形)的應力值，在彈性範圍內有大的位移；

彈性模數-較高的彈性模數表面膜容易破壞，有利於降低表面膜接觸電阻，較低的彈性模數則可增大彈性變形的接觸面積；

應力鬆弛-端子長時間受力或高溫，抗拒負載能力仍能維持；

硬度(Hardness)－減少端子金屬的磨損。

接觸件插拔力設計

在影響接觸電阻的因素中，接觸壓力的影響最大，但接觸壓力一般是無法測量的。

接觸件在插入和拔出時為克服彈性接觸產生的阻力所需要的力，稱為接觸件插入力和 拔出力，根據胡克定律，當接觸壓力越大，為克服彈性接觸產生的阻力所需要的力也 越大，也就是插拔力越大，因此從某種意義上來說插拔力就是在彈性接觸件正壓力作 用下，接觸件間產生的摩擦力。

插拔力在一定區間變化時，接觸電阻的變化較明顯，除此之外的區域，接觸電阻的 變化相對鈍化，即使插拔力增加很多，接觸電阻也並未明顯減小 。從經濟性角度考慮， 超過一定限度，再要求透過增大插拔力來減小接觸電阻，沒有實際意義 。所以，為減小接觸電阻，不應僅從插拔力去考慮。

接觸件的接觸壓力

接觸壓力是彼此接觸的表面產生並垂直於接觸表面的力，影響著電接觸效能，

由於機械或環境應力而使正壓力減少， 會引起接觸電阻的增加，若超出規定值將引起電路失效。

在聯結器 smart化的趨勢下，接觸壓力的設計必須非常精準。

保持力太大的缺點：

(1)增加端子插入力，易造成端子變形；

(2)增加housing 內應力，易造成housing 變形。

保持力太小的缺點：

(1)接觸壓力不夠，造成接觸電阻大，接觸不良；

(2)端子易鬆脫。

下圖為接觸壓力與接觸電阻的變化分析

02

絕緣失效分析及可靠性設計

絕緣電阻是指在聯結器的絕緣部分施加電壓，從而使絕緣部分的表面或內部產生漏電流而呈現出的電阻值。即絕緣電阻（MΩ）=加在絕緣體上的電壓（V）/洩漏電流（μA）。透過絕緣電阻檢驗確定聯結器的絕緣效能能否符合電路設計的要求或經受高溫、潮溼等環境應力時，其絕緣電阻是否符合有關技術條件的規定。 絕緣電阻是設計高阻抗電路的限制因素。絕緣電阻低，意味著漏電流大，這將破壞電路的正常工作。例如形成反饋迴路，過大的漏電流所產生的熱和直流電解，將使絕緣破壞或使聯結器的電效能變劣。

1) 絕緣材料 設計電聯結器時選用何種絕緣材料非常重要,它往往影響隨後產品的絕緣電阻能否穩定合格。如某廠原使用醋醛玻纖塑膠和增強尼龍等材料製作絕緣體，這些材料內含極性基因，吸溼性大，在常溫下絕緣效能可滿足產品要求，而在高溫潮溼下絕緣效能不合格。後採用特種工程塑膠PES（聚苯醚碸）材料，產品經200℃ 1000h和240h潮溼試驗，絕緣電阻變化較小，仍在105MΩ以上，無異常變化。2) 密封不良幹區裡面的電子電器和線束受到高溫/高溼以及化學品/灰塵影響較小，溼區剛好相反，如果密封不良，可能導致電器和線束進水，引起內部電路短路/腐蝕等，直接導致功能失效，這就需要線束的聯結器插接件做好密封保護

密封結構設計不合理：

a、密封膠圈壓縮量不足，線束平順安裝密封無問題，折彎後密封失效；

b、耐老化效能及機械效能差，長期使用老化開裂，導致密封失效，密封結構設計時優先選用徑向密封結構；

c、凝露：

聯結器內部由於工作時發熱內部空氣含水量高，停止工作後靜置由於溫差導致空氣中的水分析出在低溫表面，進而導致絕緣失效，特別是發熱部件聯結器，如驅動電機聯結器；

空氣主要由幹空氣、水汽、塵埃組成。通常溼度是指空氣中水蒸氣的含量，飽和溼度是單位體積的空氣在一定溫度條件下所能包含的水汽量的最大限度；

飽和溼度與空氣溫度有關，溫度越高，所含水分越多。30%～60%的相對溼度是對於一般電氣裝置比較適宜的。如果保持空氣絕對溼度不變，降低空氣溫度，溫度降低到一定值時空氣中溼度會達到飽和，繼續降溫，空氣中水分就會析出，這種有液態水析出的現象稱為“凝露”。露點溫度是含溼量和大氣壓力保持不變的前提下能使空氣相對溼度達到100%的溫度。

試驗室條件下的凝露現象主要包括兩種情況。一種是出現在升溫階段，升溫過程中殼體表面溫度低於環境溫度，殼體外表面的空氣遇到低於露點溫度的產品表面時，水氣會凝結在殼體外壁，形成凝露。

另一種是出現在降溫階段，外部環境先降溫，所以殼體內壁比內部空氣溫度低，如果殼體內壁溫度達到內部空氣的露點溫度，殼體內壁就會形成凝露。

我們要解決的凝露問題主要是第二種，避免內壁產生凝露影響內部電氣元件效能。凝露是溫度與溼度共同作用的結果，環境溼度高，氣候溫差大，容易產生凝露 ；

我國地域遼闊，氣候差異巨大，在沿海環境溼度大，西北地區溫差變化大，此類區域一般更易產生凝露。

在金屬表面塗覆矽膠乾燥劑塗層後，當金屬表面溫度低於露點溫度有水分析出時，首先被吸附到金屬表面塗層中，吸附飽和後才會出現凝露。所以在金屬表面塗覆矽膠塗層，在一定時間內可有效延緩凝露的產生，但並不能達到除溼的目的，且增加了加工和維護成本還有就是加裝透氣閥。

d、虹吸：

聯結器等電子元件進水主要有兩個途徑，第一是外部的液體靠地心重力滲透進入其內部，比如沒有密封圈的聯結器，或水分從線束內部連線點(比如沒有保護的焊點/壓接點/搭鐵點)進入；這裡強調下“虹吸”這個詞，因為一般電器在工作時有一定溫度，內部空氣形成一定壓力，當停止工作後，溫度下降，內部壓力也小了，這時會形成氣壓差，如果聯結器密封不良，水汽會順著多股銅線間的間隙進入內部，導致功能失效。

下圖為變速箱油冷卻閥N509插頭滲防凍液，防凍 液沿N509插頭（1）號線進入變速器電腦J217插頭（7）號導致故障（液體虹吸現象）

3) 高溫 高溫會破壞絕緣材料，引起絕緣電阻和耐壓效能降低，對金屬殼體，高溫可使接觸件失去彈性，加速氧化和發生鍍層變質。如按GJB598生產的耐環境快速分離電聯結器系列2產品，絕緣電阻規定25℃時應不小於5000MΩ，而高溫200℃時，則降低至不小於500 MΩ，電連線設計考慮載流溫升，工作狀態下不超過絕緣材料的額定工作溫度。4) 溼度 潮溼環境引起水蒸氣在絕緣體表面的吸收和擴散，容易使絕緣電阻降低到MΩ級以下。長期處於高溫環境下會引起絕緣體物理變形、分解、逸出生成物，產生呼吸效應及電解腐蝕及裂紋。如按GJB2281生產的帶狀電纜電聯結器，標準大氣條件下的絕緣電阻值應不小於5000 MΩ，而經相對溼度為90%～95%，溫度為40 ±2℃ 96h溫熱試驗後的絕緣電阻降至不小於1000 MΩ。5) 汙損 絕緣體內部和表面的潔淨度對絕緣電阻影響很大，由於注塑絕緣體用的粉料或膠接上、下絕緣安裝板的膠料中混有雜質，或由於多次插拔磨損殘留金屬屑及端接錫焊時 焊劑殘留滲入絕緣體表面，都會明顯降低絕緣電阻。如某廠生產的圓形電聯結器在成品交收試驗時發現有一個產品接觸件之間的絕緣電阻很低，僅20MΩ不合格，後經解剖分析發現其原因是由於注塑絕緣體用的粉料中混有雜質，後只得將該批產品全部報廢。6) 電氣間隙 電聯結器的接觸對由絕緣安裝板固定其相互位置，接觸對之間，接觸對與

外殼之間由絕緣板和空氣隙組成，絕緣板的抗電強度一般比空氣隙高，因此在正常條 件和低氣壓條件下，電擊穿通常首先發生在空氣隙中，特別在尖角稜邊處空氣隙被擊 穿產生飛弧由於電弧，的高溫將附近的絕緣材料表面燒焦碳化而短路，造成絕緣失效。