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嘉峪檢測網(wǎng) 2022-03-29 21:33
汽車連接器用于實(shí)現(xiàn)汽車電信號的傳輸和控制，線束和線束之間以及線束電氣設(shè)備之間電連接的基礎(chǔ)原件，起連接和斷開電力的作用。汽車連接器導(dǎo)體接觸件的可靠接觸、可靠的電氣絕緣性能、可靠的機(jī)械連接，保證汽車電信號的可靠傳遞和部件的有效控制。
汽車連接器的主要失效模式
現(xiàn)場使用及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，汽車連接器的失效模式有電接觸失效、絕緣失效、機(jī)械聯(lián)結(jié)失效及其他失效模式，各失效模式占比見圖1。
圖1 連接器失效模式占比
汽車連接器失效模式特征見表1
汽車連接器的故障樹分析
使用故障樹分析法對汽車連接器失效模式進(jìn)行分析，汽車連接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。
連接器通過插針和插孔接觸導(dǎo)電，插孔為彈性元件，其質(zhì)量優(yōu)優(yōu)劣對電連接的可靠性至關(guān)重要，插針插入插孔插孔產(chǎn)生彈性變形，進(jìn)而對插針產(chǎn)生接觸壓力，接觸壓力的不穩(wěn)定或減小會影響接觸電阻的不穩(wěn)定，在一定的振動、沖擊應(yīng)力作用下，彈性原件發(fā)生產(chǎn)生恢復(fù)性彈性變形，振動、沖擊應(yīng)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(chǎn)生永久行變形，出現(xiàn)應(yīng)力疲勞松弛現(xiàn)象，尤其在接觸點(diǎn)及環(huán)境溫度的作用下，插孔會出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象，接觸壓力減小，接觸電阻增大。
（2）接觸磨損。
插拔磨損：汽車連接器插合分開時，插針與插孔之間在一定的接觸壓力作用下，由于相對運(yùn)動而產(chǎn)生摩擦，在摩擦過程中，會出現(xiàn)接觸表面的光潔度損傷，幾何形狀改變、擦傷、粘連、 產(chǎn)生磨屑，材料轉(zhuǎn)移等，同時還伴隨有熱量產(chǎn)生。隨著插拔次數(shù)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(huán)境作用下產(chǎn)生腐蝕，形成接觸不良。接觸對表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，接觸對表面鍍層品種、 硬度、質(zhì)量、接觸對導(dǎo)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(guān)。在 接觸壓力大，插針頭部及插孔內(nèi)孔口部圓角連接差，接觸部位粗糙度高，鍍層材料硬度 低，鍍層質(zhì)量差的情況下，接觸對磨損更為嚴(yán)重。連接器的插拔壽命也低，接觸穩(wěn)定性也差。
微動磨損：微振是發(fā)生在兩個具有小幅振動的相對運(yùn)動的兩個表面的磨損現(xiàn)象，其振幅為 1—100um，主要是溫度循環(huán)引起的熱脹冷縮和背景的振動，汽車連接器因其工作工況中，振動及熱沖擊同時存在，因此微動頻繁發(fā)生。例如電連接器按照5℃／h波動，循環(huán)20次，插針(黃銅制造)的熱膨脹系數(shù)為2x10-5/℃，插針長度為 5mm，則其微振幅度可達(dá)5um。試驗(yàn)表明，這種微振達(dá)到數(shù)百萬次以后，就有可能嚴(yán)重影響電接觸的可靠性。比如汽車運(yùn)行5h，振動頻率 1000Hz，相當(dāng)于產(chǎn)生1800萬次的微振。
美國的MichealBryant于1994年提出了下述微振失效模型，將失效劃分了7個階段。
（1）潔凈的微觀突起的接觸；
（2）微振運(yùn)動使微觀突起接觸暴露于銹蝕作用之下，形成銹蝕膜層；
（3）微振的反向運(yùn)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于銹蝕作用之下；
（5）微振運(yùn)動使微觀突起產(chǎn)生塑性變形，使銹蝕膜層碎裂，并使碎末與突起的
金屬混合：
（6）微觀突起逐漸被銹蝕物污染，接觸電阻增加；
（7）最后銹蝕碎末填滿“谷”中，在兩接觸表面之間形成厚度至少為20nm的絕緣層，連接完全失效。
相比較而言，電子連接器在低電壓、小電流的工作場合，微動過程中接觸表面上的絕緣，物質(zhì)的危害較大，而在大功率電力電路中，絕緣物可能由于電沖擊而被去除，對電路的影響。
二.電接觸可靠性設(shè)計(jì)
連接器電接觸可靠性設(shè)計(jì)重點(diǎn)是以下參數(shù)的設(shè)計(jì)：接觸電阻、插拔力、接觸正壓力。
接觸電阻設(shè)計(jì)
依據(jù)電接觸理論，接觸電阻R= RC + Rf + Rp,式中：
Rp—為導(dǎo)體電阻，它是端子和引出線的奧姆電阻之和,其大小決定于端子和引出線所選 用的材料、截面形狀及長度尺寸。
RC—集中電阻，當(dāng)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(diǎn)與點(diǎn) 的接觸。當(dāng)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(chǎn)生阻力，因而產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)工藝能力等.
端子材料選用
下表為典型金屬的電阻率
下表為銅合金的性能
選用高導(dǎo)電率或低電阻率的端子材料（黃銅的導(dǎo)電率約為 13﹪,磷青銅導(dǎo)電率約為 26﹪，鈹銅可大達(dá) 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(dǎo)電性－高導(dǎo)電率、低電阻率，降低接觸電阻；
延展性-有助于端子成型；
硬度-提高機(jī)械 磨損能力及增大接觸面積，減小接觸電阻；
降伏強(qiáng)度-屈服強(qiáng)度，在機(jī)械與材料科學(xué)的定義是材料開始產(chǎn)生塑性變形(永久變形)的應(yīng)力值，在彈性范圍內(nèi)有大的位移；
彈性模數(shù)-較高的彈性模數(shù)表面膜容易破壞，有利于降低表面膜接觸電阻，較低的彈性模數(shù)則可增大彈性變形的接觸面積；
應(yīng)力松弛-端子長時間受力或高溫，抗拒負(fù)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(shè)計(jì)
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(chǎn)生的阻力所需要的力，稱為接觸件插入力和 拔出力，根據(jù)胡克定律，當(dāng)接觸壓力越大，為克服彈性接觸產(chǎn)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(chǎn)生的摩擦力。
插拔力在一定區(qū)間變化時，接觸電阻的變化較明顯，除此之外的區(qū)域，接觸電阻的 變化相對鈍化，即使插拔力增加很多，接觸電阻也并未明顯減小 。從經(jīng)濟(jì)性角度考慮， 超過一定限度，再要求通過增大插拔力來減小接觸電阻，沒有實(shí)際意義 。所以，為減小接觸電阻，不應(yīng)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(chǎn)生并垂直于接觸表面的力，影響著電接觸性能，由于機(jī)械或環(huán)境應(yīng)力而使正壓力減少，會引起接觸電阻的增加，若超出規(guī)定值將引起電路失效。
在連接器 smart化的趨勢下，接觸壓力的設(shè)計(jì)必須非常精準(zhǔn)。
保持力太大的缺點(diǎn)：
(1)增加端子插入力，易造成端子變形；
(2)增加housing 內(nèi)應(yīng)力，易造成housing 變形。
保持力太小的缺點(diǎn)：
(1)接觸壓力不夠，造成接觸電阻大，接觸不良；
(2)端子易松脫。
下圖為接觸壓力與接觸電阻的變化分析
絕緣失效分析及可靠性設(shè)計(jì)
絕緣電阻是指在連接器的絕緣部分施加電壓，從而使絕緣部分的表面或內(nèi)部產(chǎn)生漏電流而呈現(xiàn)出的電阻值。即絕緣電阻（MΩ）=加在絕緣體上的電壓（V）/泄漏電流（μA）。通過絕緣電阻檢驗(yàn)確定連接器的絕緣性能能否符合電路設(shè)計(jì)的要求或經(jīng)受高溫、潮濕等環(huán)境應(yīng)力時，其絕緣電阻是否符合有關(guān)技術(shù)條件的規(guī)定。
絕緣電阻是設(shè)計(jì)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。例如形成反饋回路，過大的漏電流所產(chǎn)生的熱和直流電解，將使絕緣破壞或使連接器的電性能變劣。
1) 絕緣材料
設(shè)計(jì)電連接器時選用何種絕緣材料非常重要,它往往影響隨后產(chǎn)品的絕緣電阻能否穩(wěn)定合格。如某廠原使用醋醛玻纖塑料和增強(qiáng)尼龍等材料制作絕緣體，這些材料內(nèi)含極性基因，吸濕性大，在常溫下絕緣性能可滿足產(chǎn)品要求，而在高溫潮濕下絕緣性能不合格。后采用特種工程塑料PES（聚苯醚砜）材料，產(chǎn)品經(jīng)200℃ 1000h和240h潮濕試驗(yàn)，絕緣電阻變化較小，仍在105MΩ以上，無異常變化。
2) 密封不良
干區(qū)里面的電子電器和線束受到高溫/高濕以及化學(xué)品/灰塵影響較小，濕區(qū)剛好相反，如果密封不良，可能導(dǎo)致電器和線束進(jìn)水，引起內(nèi)部電路短路/腐蝕等，直接導(dǎo)致功能失效，這就需要線束的連接器插接件做好密封保護(hù)。
密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理：
a、密封膠圈壓縮量不足，線束平順安裝密封無問題，折彎后密封失效；
b、耐老化性能及機(jī)械性能差，長期使用老化開裂，導(dǎo)致密封失效，密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時優(yōu)先選用徑向密封結(jié)構(gòu)；
c、凝露：
連接器內(nèi)部由于工作時發(fā)熱內(nèi)部空氣含水量高，停止工作后靜置由于溫差導(dǎo)致空氣中的水分析出在低溫表面，進(jìn)而導(dǎo)致絕緣失效，特別是發(fā)熱部件連接器，如驅(qū)動電機(jī)連接器；
空氣主要由干空氣、水汽、塵埃組成。通常濕度是指空氣中水蒸氣的含量，飽和濕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；
飽和濕度與空氣溫度有關(guān)，溫度越高，所含水分越多。30%～60%的相對濕度是對于一般電氣設(shè)備比較適宜的。如果保持空氣絕對濕度不變，降低空氣溫度，溫度降低到一定值時空氣中濕度會達(dá)到飽和，繼續(xù)降溫，空氣中水分就會析出，這種有液態(tài)水析出的現(xiàn)象稱為“凝露”。露點(diǎn)溫度是含濕量和大氣壓力保持不變的前提下能使空氣相對濕度達(dá)到100%的溫度。
試驗(yàn)室條件下的凝露現(xiàn)象主要包括兩種情況。一種是出現(xiàn)在升溫階段，升溫過程中殼體表面溫度低于環(huán)境溫度，殼體外表面的空氣遇到低于露點(diǎn)溫度的產(chǎn)品表面時，水氣會凝結(jié)在殼體外壁，形成凝露。
另一種是出現(xiàn)在降溫階段，外部環(huán)境先降溫，所以殼體內(nèi)壁比內(nèi)部空氣溫度低，如果殼體內(nèi)壁溫度達(dá)到內(nèi)部空氣的露點(diǎn)溫度，殼體內(nèi)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(nèi)壁產(chǎn)生凝露影響內(nèi)部電氣元件性能。凝露是溫度與濕度共同作用的結(jié)果，環(huán)境濕度高，氣候溫差大，容易產(chǎn)生凝露 ；
我國地域遼闊，氣候差異巨大，在沿海環(huán)境濕度大，西北地區(qū)溫差變化大，此類區(qū)域一般更易產(chǎn)生凝露。
在金屬表面涂覆硅膠干燥劑涂層后，當(dāng)金屬表面溫度低于露點(diǎn)溫度有水分析出時，首先被吸附到金屬表面涂層中，吸附飽和后才會出現(xiàn)凝露。所以在金屬表面涂覆硅膠涂層，在一定時間內(nèi)可有效延緩凝露的產(chǎn)生，但并不能達(dá)到除濕的目的，且增加了加工和維護(hù)成本還有就是加裝透氣閥。
d、虹吸：
連接器等電子元件進(jìn)水主要有兩個途徑，第一是外部的液體靠地心重力滲透進(jìn)入其內(nèi)部，比如沒有密封圈的連接器，或水分從線束內(nèi)部連接點(diǎn)(比如沒有保護(hù)的焊點(diǎn)/壓接點(diǎn)/搭鐵點(diǎn))進(jìn)入；這里強(qiáng)調(diào)下“虹吸”這個詞，因?yàn)橐话汶娖髟诠ぷ鲿r有一定溫度，內(nèi)部空氣形成一定壓力，當(dāng)停止工作后，溫度下降，內(nèi)部壓力也小了，這時會形成氣壓差，如果連接器密封不良，水汽會順著多股銅線間的間隙進(jìn)入內(nèi)部，導(dǎo)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(jìn)入變速器電腦J217插頭（7）號導(dǎo)致故障（液體虹吸現(xiàn)象）
3) 高溫
高溫會破壞絕緣材料，引起絕緣電阻和耐壓性能降低，對金屬殼體，高溫可使接觸件失去彈性，加速氧化和發(fā)生鍍層變質(zhì)。如按GJB598生產(chǎn)的耐環(huán)境快速分離電連接器系列2產(chǎn)品，絕緣電阻規(guī)定25℃時應(yīng)不小于5000MΩ，而高溫200℃時，則降低至不小于500 MΩ，電連接設(shè)計(jì)考慮載流溫升，工作狀態(tài)下不超過絕緣材料的額定工作溫度。
4) 濕度
潮濕環(huán)境引起水蒸氣在絕緣體表面的吸收和擴(kuò)散，容易使絕緣電阻降低到MΩ級以下。長期處于高溫環(huán)境下會引起絕緣體物理變形、分解、逸出生成物，產(chǎn)生呼吸效應(yīng)及電解腐蝕及裂紋。如按GJB2281生產(chǎn)的帶狀電纜電連接器，標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的絕緣電阻值應(yīng)不小于5000 MΩ，而經(jīng)相對濕度為90%～95%，溫度為40 ±2℃ 96h溫?zé)嵩囼?yàn)后的絕緣電阻降至不小于1000 MΩ。
5) 污損
絕緣體內(nèi)部和表面的潔凈度對絕緣電阻影響很大，由于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(zhì)，或由于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(chǎn)的圓形電連接器在成品交收試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)有一個產(chǎn)品接觸件之間的絕緣電阻很低，僅20MΩ不合格，后經(jīng)解剖分析發(fā)現(xiàn)其原因是由于注塑絕緣體用的粉料中混有雜質(zhì)，后只得將該批產(chǎn)品全部報(bào)廢。
6) 電氣間隙
電連接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(qiáng)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(fā)生在空氣隙中，特別在尖角棱邊處空氣隙被擊 穿產(chǎn)生飛弧由于電弧，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。
來源：EV汽車邦
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