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汽车高压连接器屏蔽端子结构设计

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徐明

摘?要：本文采用了仿真模拟与理论计算的方式对屏蔽端子进行了应力分析，重新设计了屏蔽端子的结构，有效的解决了金属端子的屈服问题，有效改善了屏蔽端子的接触问题。

关键词：汽车高压连接器，屏蔽端子，设计结构，改善问题

1.引言

1.1连接器在震动测试过程中，屏蔽出现瞬断现象。

1.2连接器在公母端对配后（见图1），插座与插头的压铸件（铝合金）通过屏蔽环端子连接（见图2），此连接属于简支梁连接，在震动过程中，屏蔽端子出现屈服（见图3），使得端子不再与插座接触，造成屏蔽出现瞬断。

2.金属材料特性介绍

2.1应力应变曲线

见图4，金属材料在拉伸变形过程中，存在以下应力应变曲线。

从图4中我们可以看出材料的应变可以分为4个阶段

2.1.1弹性阶段?ob

σp为比例极限，σe为弹性极限

oa为直线，应力与应变在此阶段成正比关系，材料符合胡克定律。直线oa的斜率就是材料的弹性模量（有些也叫杨氏模量），直线部分的最高点所对应的应力值，记作σp，称为材料的比例极限。曲线超过a点，图上的ab段不再是直线，说明材料已不符合胡克定律。但在ab段内卸载，变形也随之消失，说明ab段也发生弹性变形，所以ab段称为弹性阶段。b点所对应的应力值记作σe，称为弹性极限。弹性极限与比例极限非常接近，工程实际中通常对二者不做严格区分，而近似地用比例极限代替弹性极限。

2.1.2屈服阶段?bc（失去抵抗变形的能力）

σs為屈服极限，力达到此线阶段叫做“屈服”

曲线超过b点后，出现一段锯齿形曲线，这一阶段应力没有增加，材料好像失去了抵抗变形的能力，把这种应力不增加而应变显著增加的现象称作屈服，bc段称为屈服阶段。屈服阶段曲线最低点对应的用力σs称为屈服点（或屈服极限）。在屈服点卸载，将出现不能消失的塑性变形。工作上一般不允许构件发生塑性变形，并把塑性变形作为塑性材料破坏的标志，所以屈服点σs是衡量材料强度的一个重要指标。

2.1.3强化阶段ce（恢复抵抗变形的能力，此阶段为均匀塑性变形）

σb为强度极限

经过屈服阶段后，曲线从c点又开始逐渐上升，说明要使应变增加，必须增加应力，材料又恢复了抵抗变形的能力，这种现象称作强化，ce称为强化阶段（加工硬化）。曲线最高点所对应的应力值记作σb，称为材料的抗拉强度（或强度极限）。σb是衡量材料强度的又一个重要指标。

2.1.4局部紧缩阶段ef

曲线到达e点前，材料的变形是均匀发生的，曲线到达e点，在材料比较薄弱的某一局部（材料不均匀或有缺陷处），变形显著增加，有效横截面急剧减小，出现了缩颈现象，材料很快被拉断，所以ef段称为缩颈断裂阶段。

3.应力计算及分析

3.1材料应力可以用普通公式计算，但是普通公式对处于弹性阶段的应力计算比较准确，而对于屈服阶段及往后的阶段不太准确，必须通过微积分进行计算，但如果高等数学没学好的或者没有高等数学基础的人来讲有点难度。不过普通计算公式可以为设计者指明改善的方向，在结合计算机辅助设计软件（CAE）进行分析验证。图5为普通计算公式。

4.屏蔽环应力分析

4.1屏蔽环材料属性

屏蔽环用的材料是普通磷青铜C5191R-H，材料的弹性模量110Gpa，屈服强度为557Mpa，抗拉强度590～685Mpa，泊松比为0.33

3.2应力分析结果

图6模拟屏蔽环弹片下压0.50mm，CAE软件分析得出材料的最大应力为661.3Mpa。已经大于材料的屈服强度557Mpa，因此会出现永久塑性变形。图7为端子的位移力量曲线，可知端子在0点下压0.50mm时，可返回至离原点0.34mm，屈服率68%（0.34/0.50）。

5.改善对策

5.1根据应力公式，通过加长力臂L及增大材料的屈服强度，使得端子在最大变形时的应力小于材料的屈服强度，这样可降低端子的屈服，来改善屏蔽瞬断情况。

增大材料的屈服强度：现将材料由磷青铜C5191R-H改为铍青铜C17200-TM06，材料的弹性模量110Gpa，屈服强度为1035Mpa，1060Mpa，泊松比为0.33.

增加力臂：端子由简支梁改为悬臂梁，同时适当再增加力臂，见图8

5.2改后应力分析

改后结构分别分析下压0.50mm（正常工作），0.60mm（过压0.10mm），下压0.70mm（过压0.20mm）三种情况，用来评估改善后的结构是否可靠。

图9为端子下压0.50mm时的应力云图，我们可以看到材料的最大应力为612.1Mpa，小于屈服强度1035Mpa，所以在最大变形情况下处于弹性阶段，不会屈服，结构可靠。

图10为下压0.50mm时的位移力量曲线，图11为下压0.60mm是的位移力量曲线，图12为下压0，70mm时的力量位移曲线。我们看到在下压0.5mm时，端子无屈服。下压0.60mm是，端子