汽车连接器电接触：铜材应用与可靠性保障

连接器中铜材料的应用

图来源：中航光电科技股份有限公司研发工程师郭钢毅

1. 接触件对铜的要求

接触件作为汽车连接器完成电连接功能的核心零件，对铜材料有着多方面的严格要求。其中包括导电率，它直接影响着电流传输的效率；抗拉强度确保接触件在使用过程中不易被拉断；弹性模量反映了材料的刚度特性；屈服强度决定了材料开始产生塑性变形的应力值；泊松比则描述了材料在横向应变与纵向应变之间的关系。此外，延展率体现了材料的可延展性，硬度影响着接触件的耐磨性和抗变形能力，抗热应力松弛性能保证在高温环境下接触件的稳定性，导热率影响着热量的传递效率，热膨胀系数关系到接触件在温度变化时的尺寸稳定性，比热则决定了材料吸收和释放热量的能力。这些指标共同关系着接触件的性能表现，对汽车连接器的可靠性起着至关重要的作用。

2. 接触件设计与生产流程

接触件的设计要点众多，首先要考虑材料的稳定性和可靠性，正如汽车连接器的设计要求中提到的，连接器接触材料必须稳定可靠。在设计过程中，要确保正向力稳定，以保证良好的电接触性能。同时，还需考虑连接电路的电压和电流稳定，使接触件能够在不同的工作条件下正常运行。温度要求也是设计的关键因素之一，接触件必须在规定的温度范围内工作，包括周围温度和自身温升。为了提高接触件的鲁棒性，使其能在恶劣条件下可靠工作，设计时要充分考虑汽车行驶过程中的各种环境因素，如振动、氧化作用以及摩擦腐蚀等。

在生产流程方面，首先是冲压阶段。通过大型高速冲压机，将薄金属带冲压成接触件的形状，如插针等。这个过程中要注意避免插针的扭曲、碎裂或变形等质量问题。接着是电镀工段，在此阶段，接触件的电子接触表面将镀上各种金属涂层，以提高其导电性能和耐腐蚀性。但电镀过程中可能会出现各种质量缺陷，需要严格检测。然后是注塑阶段，将熔化的塑料注入金属胎膜中，制成接触件的塑料盒座。这个过程中要注意避免出现 “漏塑” 等缺陷，同时要确保接插孔保持清洁畅通，以便在最后组装时与插针正确接插。最后是成品组装阶段，将电镀好的插针与注塑盒座进行接插，可以采用单独对插或组合对插的方式。在组装阶段，需要检测所有的插针是否有缺漏和定位正确，同时还要对连接器配合面上间距进行测量。整个生产流程对生产制造技术的效率要求很高，同时要保证产品的质量可靠性。

电接触分类

图来源：中航光电科技股份有限公司研发工程师郭钢毅

汽车连接器依据电气功能、安装位置、连接结构、尺寸规格、形状和规格、工作频率六个方面进行分类。

按电气功能可分为电子控制模块、空调线束、温度传感器等；

按安装位置可分为底盘系统、发动机系统等；

连接结构有线对线、线对板等；

尺寸规格分为长方形和圆形；

形状和规格有圆形连接器、矩形连接器等；

工作频率分为低频和高频。

不同的分类方式有助于更好地理解汽车连接器电接触的工作原理和应用场景。

典型片式插孔结构及连接电阻组成

中航光电的典型片式插孔结构包括至少两片能够导电连接的片式接触件。片式接触件均包括连接部、连接体和导电片，导电片至少设有一处折弯，一端连接在连接体上，另一端设有接触部，相邻片式接触件的导电片之间形成插孔空间。插座包括若干这样的片式接触件插孔结构，连接器则由插座和插头组成。

连接电阻由内部导电端子的压接电阻、端子体电阻、针孔接触区域的收缩电阻等几部分组成。典型接触件连接电阻的分布情况会受到多种因素影响，如接触件的结构设计、材料特性等。

接触电阻的来源与计算

接触电阻的来源主要是金属接触时形成的微观导电区域称为 a 斑点。电流通过 a 斑点时，发生收缩，因而出现的附加电阻被称为收缩电阻，由 Holm.R 首先提出。

等电位法计算接触电阻是一种常用的方法，微观接触面积可由接触力和硬度计算获得。通过这些方法可以较为准确地计算接触电阻，为汽车连接器的设计和优化提供依据。

接触电阻理论计算公式的应用

接触电阻理论计算公式得出三个结论：

一是材料硬度 H 越小越好，实际应用中通常采用 Sn、Ag、Au 等软金属作为电接触表处理材料，因为软金属在接触时更容易形成良好的导电区域，降低接触电阻；

二是正压力 F 越大越好，增加正压力可以增大接触面积，从而降低接触电阻；

三是触点越多越好，多个触点可以分担电流，减少单个触点的电流负荷，降低接触电阻。

接触电阻的影响因素与测试方法

接触电阻的影响因素包括接触面的形状、材料、压力和温度等。接触面不平整会导致接触面积变小，电阻增加；不同材料的接触面电阻不同；压力增大可降低接触电阻；温度升高会使接触电阻增大。实际触点接触电阻的获取方法主要是试验测试，如接触电阻测试中，施加一定电流通过连接器，然后测量接触点之间的电压差，根据欧姆定律计算出接触电阻。

典型接触对 F-R 曲线分析

图来源：中航光电科技股份有限公司研发工程师郭钢毅

通过分析典型接触对的 F-R 曲线，可以深入了解接触电阻与正压力的关系。随着正压力的增加，接触电阻通常会减小，但在实际应用中，正压力的增加也有一定的限度，需要考虑连接器的结构强度和使用寿命等因素。

1. 电接触的失效形式

汽车连接器在汽车电气系统中起着至关重要的作用，然而相比其他连接器，汽车连接器接触件更易出现磨损失效。这主要是由于汽车在运行过程中会面临各种复杂的工况，如振动、冲击、温度变化等。尤其是新能源汽车，其高压连接器大规格接触件磨损与低压连接器接触件存在较大差异。新能源汽车的高压连接器需要承受更高的电压和电流，工作环境更加恶劣，因此其磨损机制和磨损程度与低压连接器有所不同。

2. 触点磨损分类

汽车连接器触点磨损主要分为五类：

一是粘着磨损，当两个接触表面在压力作用下紧密接触时，表面的微凸体可能会发生粘着，在相对运动过程中，粘着点被剪断，形成磨屑，导致表面磨损；

二是磨料磨损，当外部的硬质颗粒进入接触界面时，会像砂纸一样在接触表面上产生划痕和磨损；

三是疲劳磨损，在反复的接触应力作用下，接触表面材料可能会出现疲劳裂纹，随着时间的推移，裂纹逐渐扩展，导致材料脱落和磨损；

四是脱层磨损，由于接触表面的材料在应力作用下发生分层，上层材料逐渐剥离，造成磨损；

五是微动磨损，主要是在两个振动相对较小的表面上发生的磨损现象，振幅通常为 1 - 100um，主要由温度循环和背景振动引起的热胀冷缩导致，汽车连接器在工作条件下同时存在振动和热冲击，因此经常发生微动磨损。

3. 磨损率概念与微动磨损

磨损率是指单位长度内单位载荷下所磨损的体积，是衡量材料耐磨性能的重要指标。在汽车连接器中，磨损率反映了接触件在使用过程中的损耗速度。以汽车用刹车片为例，磨损率是在规定的条件下体积磨损量与摩擦功的比值，是衡量刹车片耐用程度的重要技术指标。耐磨性越好，使用寿命越长。

微动磨损是汽车连接器电接触触点磨损的一种重要形式。微动摩擦腐蚀是指在相互压紧的金属表面间由于小振幅振动而产生的一种复合型式的磨损。在有振动的机械中，汽车里面的线束端子、螺纹联接、花键联接和过盈配合联接等都容易发生微动磨损。微动磨损的机理是：摩擦表面间的法向压力使表面上的微凸体粘着，粘合点被小振幅振动剪断成为磨屑，磨屑接着被氧化，被氧化的磨屑在磨损过程中起着磨粒的作用，使摩擦表面形成麻点或虫纹形伤疤。这些麻点或伤疤是应力集中的根源，因而也是零件受动载失效的根源。电子连接器在实际工作过程中，由于受到温度变化与振动激励等因素的影响，在其接触位置会产生微动摩擦磨损行为，导致接触电阻发生瞬时增大的现象，从而导致连接器断路失效。

4. 振动条件下正压力与接触电阻的关系

在振动条件下，正压力与接触电阻有着密切的关系。

一方面，正压力越大，接触面积就越大，从而可以降低接触电阻。这是因为当两个接触表面之间的正压力增加时，表面的微凸体被压得更紧密，导电区域增大，电流通过的路径更加顺畅，收缩电阻减小。

另一方面，振动会对正压力产生影响，可能导致正压力不稳定。汽车在行驶过程中，会受到各种振动和冲击，这些振动会使连接器的接触件之间的正压力发生变化。如果正压力变化过大，可能会导致接触电阻增大，甚至出现瞬间断开的情况。

此外，微动磨损也会受到振动和正压力的影响。在振动条件下，微动磨损更容易发生，而微动磨损会导致接触表面的粗糙度增加，进一步影响接触电阻。因此，为了提高汽车连接器电接触的可靠性，需要在设计和使用过程中充分考虑振动条件下正压力与接触电阻的关系，采取相应的措施来保证正压力的稳定，减少微动磨损的发生。

图来源：中航光电科技股份有限公司研发工程师郭钢毅

1. 设计因素

在汽车连接器的设计中，优化结构和选用优质原材料是提高接触可靠性的关键。例如，在结构设计方面，要充分考虑连接器在不同工作环境下的稳定性和耐用性。合理的设计可以减少因振动、冲击等因素导致的接触不良问题。同时，选用优质的铜材料作为接触件，满足导电率、抗拉强度、弹性模量等多方面的要求，确保电流传输的高效性和稳定性。对于接触件的设计，要保证正向力稳定，使接触电阻保持在较低水平。此外，还需考虑连接电路的电压和电流稳定，以及温度要求在规定的范围内，以提高连接器的可靠性。

2. 生产过程控制

加强生产过程控制对于确保汽车连接器的质量至关重要。在生产过程中，要规范生产工艺，严格按照标准进行操作。例如，在冲压阶段，要确保大型高速冲压机将薄金属带冲压成接触件的形状时，避免插针的扭曲、碎裂或变形等质量问题。电镀工段要严格控制电镀质量，确保接触件的电子接触表面镀上的金属涂层均匀、牢固，提高其导电性能和耐腐蚀性，同时避免出现各种质量缺陷。注塑阶段要注意避免出现 “漏塑” 等缺陷，确保接插孔保持清洁畅通，以便在最后组装时与插针正确接插。在成品组装阶段，要检测所有的插针是否有缺漏和定位正确，同时还要对连接器配合面上间距进行测量，确保产品质量符合要求。

3. 可靠性测试

强化可靠性测试是保障汽车连接器电接触可靠性的重要环节。加大投入，建立完善的可靠性测试体系，对产品进行全面的检测。可以采用多种测试方法，如接触阻抗检测、绝缘电阻检测、耐压检测、振动检测、物理冲击检测、可焊接性检测、应力腐蚀性检测、盐雾试验、湿度检测、温湿度周期检测、温度周期和热撞击检测、腐蚀性气体测试等。通过这些测试，可以检测连接器在不同环境条件下的性能表现，确保产品出厂前满足质量要求。例如，振动检测可以测定在振动中所受的机械和电气方面的影响，特别是电流的瞬断是否发生；盐雾试验可以评估连接器、端子、镀层耐盐雾腐蚀能力。通过严格的可靠性测试，可以提高汽车连接器的质量和可靠性，为汽车的安全运行提供保障。