通过数值和实验分析车辆传感连接器接触力和电阻降低的潜在原因

摘要

车辆传感器连接器的故障对车辆的安全至关重要。一旦连接器因接触力的减小而松开，其电接触电阻可能会增加，造成传感器系统的意外误差。然而，这样的错误机制有很多不同的原因，尚未确定。

本研究采用数值和实验相结合的方法分析了影响连接器接触力和阻力的原因。对接触力变化的原因进行了数值分析，并实验研究了接触力变化对电接触电阻的影响。基于3D层析成像技术，开发了某商用车传感器连接器的精确三维模型，在考虑塑性变形的情况下，采用三维有限元模拟方法估算了连接器的接触力。将潜在原因分为三类后，选择了连接器制造过程中发生的制造公差和车辆维修过程中发生的塑性变形两个主要因素。这些因素可以显著降低接触力(约为14.6或19%)。通过序列实验验证了减小接触力的影响，发现接触力与相应的接触阻力呈非线性关系。此外，实验还考虑了模拟制造和维护因素，并证明了在较小的测量误差(<7.5%)下，通过减小接触力的作用增加了接触电阻。

关键词

电气接触电阻，接触力，车辆传感器连接器，电信号，信号故障。

一、简介

汽车传感器对汽车的性能和可靠性越来越重要。车辆传感器测量、校准、监测和传输车辆系统所需的反馈信息。各种各样的传感器已经安装在车辆上，新的传感器的应用也在不断发展。随着车辆传感器的数量和多样性的增加，它们的可靠性已经被彻底审查和程式化，以防止可能的故障或故障已经研究。因此，容错控制和故障诊断越来越受到人们的关注。

传感器信号的可靠性不仅取决于传感器本身，还取决于组成传感器系统的元件。图1描述了一个车辆传感器系统的例子，包括测量和信号处理部分。这种传感器系统配置在许多汽车系统中是典型的，特别是发动机管理系统。此外，这种配置在车载诊断(OBD)、废气控制、HVAC(供暖、通风和空调)系统中也很常见。传感器连接器连接测量和信号处理部分，并发送原始或处理数据的传感器输出信号。显然，如果任何干扰发生在传感器连接器，传感器信号将被扭曲，导致在控制系统出现致命的问题。在这方面，传感器连接器的可靠性必须仔细检查。因此必须明确识别车辆传感器连接器中诱发故障或故障的机制。

图1.车辆传感系统的一个配置示例。

业界进行了许多研究以确定连接器故障/故障的原因或检查原因的影响，但大多数研究处理的是通用电气连接器，并没有具体说明其应用。通常报告的原因是物理故障，表现为腐蚀和磨损，因为大多数连接器触点是金属。在高温或剧烈振动的环境中，腐蚀会加速。当连接器重复断开和重新连接时，接触部分的金属出现磨损。这种重复的过程也可能使接触面变平或变粗。这些物理故障是很难预测的损害。

电气性能是车辆传感器连接器的决定性特征，它基本上通过组装和拆卸来提供电气连接和断开的装置。电气性能的一种常见度量是连接器的电接触电阻。接触电阻很大程度上取决于接触面积。如图2所示，接触界面处接触面积的减小导致通过连接器的电流路径变窄，并增加了电接触电阻。电阻增量的大小受各种因素影响并且难以验证。

在影响电接触电阻的结构因素中，一旦排除了诸如腐蚀或磨损之类的物理故障，减小的接触力是最常见的原因。接触力和电接触电阻之间的关系主要在半导体制造工厂中进行研究(例如，机械探引脚台中的受压探引脚尖端，接触式原子力显微镜的悬臂尖端)。然而，很少有报道关注车辆传感器连接器中可能的故障机制，并没有认真尝试定义它们的接触力-电气接触电阻关系，即使车辆连接器的形状/性能不同于一般的电连接器，也需要极高的可靠性。因此，本研究着重于接触力的变化，对目标车辆传感器连接器进行了数值分析，并确定它们之间的关系，表征电接触电阻。此外，在我们的仿真和实验中，对车辆操作中可能出现的故障的原因进行了分类和测试。

图2.由于接触面积减小，电流路径变窄。

二、传感器连接器

A.车辆传感器连接器的典型结构

典型的车辆传感器连接器由公零件和母零件组成。一种示例连接器如图3所示。

凹形部分包含多个凹形引脚，而凸形部分包含相应的凸形引脚。一些引脚用于为车辆传感器供电，而另一些引脚则将传感器信号传递至信号处理部分。通过将公引脚插入母引脚来建立电气连接。这种插入通过加宽两个相对区域之间的间隙使母销变形，并产生反作用力来保持接触。反作用力有助于决定连接器的电接触电阻的连接器的接触力。通常，较大的接触力会降低接触电阻。为此，公引脚被设计成比母引脚的面对间隙更厚。

图3.(a)在拆开外壳塑料模具后，连接器的凹入部分及其凹入销;(b)连接器的公头部分及其正视图，显示了四个公头引脚。

增大的接触力可能在结合公引脚和母引脚接触区域引起弹塑性变形，这可以改变表面的粗糙度，例如粗糙度和坚固性。各种各样的研究通过接触表面的凹凸几何结构提出了弹塑性接触模型， 另外正在考虑其他因素，例如动态条件。触点的这种弹塑性变形将影响其电气特性。但是，本研究着重于通过分析连接器结构来降低接触力的潜在原因。因此，假定接触表面是弹性的，因为我们认为接触表面粗糙的变化是物理接触失败。

B.接触力与电接触电阻之间关系的理论背景

假设接触表面没有变化，许多以前的研究都使用电阻率和接触面积来计算电接触电阻。单点接触的接触面积和电阻通常通过Sharvin或扩散散射机制进行建模，具体取决于接触点的半径和电子平均自由程的长度。等式(1)是同时考虑两种机制的插值方程。

其中Rc是电接触电阻，ρ是电阻率，le是电子平均自由程的长度。r是接触点的半径，υ是泊松比。右边的第一项表示沙文机制，而第二项表示扩散散射机制。

对于多个接触点，方程式(2)中的格林伍德公式可能是最公认的统计模型之一。

其中ai是该点的半径，dij是点i和j的中心之间的距离。右边的第一项是所有平行点的电阻，而第二项代表所有点之间相互作用的阻力。当然，需要大量的工作来结合各种形状的接触点。

但是，最近的研究已经开始考虑接触结构在计算接触电阻时的影响，认识到接触结构可能会变形，并且变形量会因接触情况和材料而有很大不同。

等式(3)中提供了代表性的结果，其中，接触结构由接触力表示，并描述了其对接触电阻的影响。

在此，接触力和材料硬度用F和H表示。如果施加的力减小，则接触面积也减小，并且流经接触的电流受到干扰，从而增大了电接触电阻。这种关系表明，接触力和接触电阻之间的关系是非线性的，并且在低于一定阈值的接触力下，接触电阻会急剧增加。

由于上述结构原因，车辆传感器连接器可能遭受电接触电阻的突然变化。突然增加的电阻使车辆传感器信号漂移，并在车辆传感器系统中造成间歇性故障。考虑到车辆电子设备所要求的高度可靠性，这些传感器故障情况危及车辆安全，甚至更糟的是，即使传感器连接器没有故障，也可能发生这种情况。因此，有必要研究可能影响车辆传感器连接器接触力的因素，并根据电接触电阻的变化量来阐明其危险性。

三、影响接触力的因素

传感器连接器的接触力可能会因各种因素而降低。根据车辆连接器的使用过程，主要因素可分为三类，如图4所示。分别是制造、维护和操作过程。本研究不包括操作过程中引起的因素，以排除车辆操作环境的过度多样性。

图4.降低接触力的主要因素，分为三个处理步骤。

A.制造过程

在工程中，公差通常是指对象变化的允许极限，并且主要在制造传感器连接器时出现。在公引脚和母引脚上都可能出现制造公差。例如，一个公引脚的厚度要小于其公称厚度(在所用的连接器中约为0.8mm)。注意，典型的公引脚设计成比母引脚的面对间隙厚，以确保足够的接触力。细的公引脚插入母引脚，与标准产品相比产生较小的接触力。当将母销的面对间隙意外地制造为大于标准母间隙时，可能会发生类似现象。这些制造公差也存在于连接器的壳体或电线中。但是，它们对接触力变化的贡献不大，因为如图3所示，它们仅保持公引脚/母引脚并且不对触点施加压力。

B.保养程序

汽车维修是必不可少的，必须定期进行。在维护过程中，通常会拆卸传感器连接器以进行检查或维修，然后重新组装。重复的拆装过程可能会在母销中引起塑性变形并降低接触力。在第IV部分的有限元(FE)模拟中实际上观察到了塑性变形。因此，维护过程也影响连接器的接触力。

据报道，维护过程还会对连接器触点造成其他损坏，包括微动磨损、腐蚀或镀层材料剥落。但是，如第一部分所述，在此研究中未考虑这些物理损坏，因为我们正在分析的传感器连接器假定处于可接受的条件下，没有任何损坏。

四、模拟

进行有限元模拟以了解降低接触力的因素的影响，这将在第三部分中进行说明。为了进行可靠的仿真，需要构建精确的3D模型并应用适当的仿真条件。

A.建模

图3所示的车辆传感器连接器转换为3D模型。图5说明了开发的连接器模型，该模型由一个母引脚和一个公引脚组成。

图5.建模前后的车辆传感器连接器模型。

为了关注两个插引脚之间的接触力，仅对一对阴-阳插引脚建模，不包括塑料外壳。可以在仿真中组装公引脚和母引脚，如图5所示。对于建模，我们利用连接器制造商提供的设计图。但是，该图未提供所有必要的尺寸，因此值得研究实际产品。因此，图6所示的传感器连接器的高精度3D层析成像用于建立连接器模型。

图6.车辆传感器连接器的(a)母引脚和(b)公引脚的3D断层扫描图像和测量尺寸。