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浅谈汽车连接器设计标准及其应用案例

2013-07-20 21:56:40      点击:

本文章从汽车连接器的四大基本结构入手,介绍了汽车连接器的设计标准,针对汽车连接器的稳定性评估问题,对汽车连接器的三种故障模式进行了解析,并解读了汽车连接器的发展变化情况,最后针对这种发展变化带来的市场需求,给出了相应的汽车连接器应用实例。

汽车连接器形式和结构是千变万化的,其主要是由四大基本结构组件组成,分别是:接触件,外壳(视品种而定),绝缘体,附件。这四大基本结构组件使汽车连接器能够充当桥梁作用,稳定运行。

接触件是汽车连接器完成电连接功能的核心零件。一般由阳性接触件和阴性接触件组成接触对,通过阴、阳接触件的插合完成电连接。阳性接触件为刚性零件,其形状为圆柱形(圆插针)、方柱形(方插针)或扁平形(插片)。阳性接触件一般由黄铜、磷青铜制成。阴性接触件即插孔,是接触对的关键零件,它依靠弹性结构在与插针插合时发生弹性变形而产生弹性力与阳性接触件形成紧密接触,完成连接。插孔的结构种类很多,有圆筒型(劈槽、缩口)、音叉型、悬臂梁型(纵向开槽)、折迭型(纵向开槽,9字形)、盒形(方插孔)以及双曲面线簧插孔等。

壳体,也称外壳(shell),是汽车连接器的外罩,它为内装的绝缘安装板和插针提供机械保护,并提供插头和插座插合时的对准,进而将连接器固定到设备上。

绝缘体也常称之为汽车连接器基座或安装板,它的作用是使接触件按所需要的位置和间距排列,并保证接触件之间和接触件与外壳之间的绝缘性能。良好的绝缘电阻、耐电压性能以及易加工性是选择绝缘材料加工成绝缘体的基本要求。

附件分结构附件和安装附件。结构附件如卡圈、定位键、定位销、导向销、联接环、电缆夹、密封圈、密封垫等。安装附件如螺钉、螺母、螺杆、弹簧圈等。附件大都有标准件和通用件。

随着汽车工业的快速发展,汽车上的各种功能件及各种零部件都在不断地向智能化、精细化及可靠性方向发展,对汽车连接器结构设计、外观设计及材料也提出了更高的要求,有了一定的设计标准。

汽车连接器的设计标准

汽车连接器必需符合USCAR—20的标准,这是汽车电气连接器系统的性能标准,规定汽车连接器在整个使用周期内电气连接器接触面要始终可靠,包括以下九个因素:

1)连接器触头的材料稳定、可靠;

2)正向力稳定;

3)电路的电压和电流稳定;

4)温度要求在规定的范围之内,包括周围的温度和自身的温升;

5)较好的鲁棒性;

6)必需与高速长距离通信计算机用的连接器相同,汽车连接器必需能在恶劣的条件下可靠地工作;

7)连接器插入力:20.5kg以下;

8)连接器保持力:2.5kg以上;

9)耐热性:—40~120℃

一辆典型轻型汽车大约有1500个连接点,其中50%到60%用于关键的配电功能。汽车连接器被用于日益恶劣的环境,包括温度(低至零下40°C,高达零上155°C)、振动、氧化作用以及摩擦腐蚀,这就显示出设计攻关的重要性。

实际上这件事情做起来并不简单,大多数商业电子元器件出现故障时最多让人感到烦恼失意,可是如果关键汽车零配件连接出现问题,则会引起火灾报警器、制动器或安全气囊失灵,导致严重后果。

连接器制造商必须识别并分析环境中那些可能对连接器性能造成影响的物理和机械现象。按照汽车制造商规定的应用条件,为了评估连接器的稳定性,连接器制造商实施了精细的测试程序。如果出现连接器故障,大多可确定为下述三种故障模式之一:摩擦腐蚀、电气故障以及连接器接插问题。以下是这三种故障模式介绍。

汽车连接器的三种故障模式

腐蚀性气体、高湿度和强烈振荡是引起氧化作用和摩擦腐蚀,并导致连接器故障的三大条件。这些环境因素会对锡和铅锡接触表面造成极大的影响,有90%的连接器表面属于这种情况。

线缆与端子的连接问题是引发保修和连接器系统故障主要原因之一。对于汽车配线系统,压接是一种非常普遍的方法,用于将端子连接到线缆上。这种工艺已被证明可靠。与焊接法相比,在提高压接可靠性方面它更加经济实惠、简单易操作。

在装配厂向汽车内安装配线时,连接器的不当接插可能会导致连接器故障。为克服这个问题,设计工程师研发了各种各样的连接器锁止装置。另一个办法就是使用一个接插辅助装置来简化较大的连接器的接插工艺。

详细的汽车连接器故障模式了解,请参考连接器耐久性之三种故障模式解析

由于消费者对汽车内部电子功能的要求越来越多,同时汽车内部可以提供的电子功能也越来越丰富,使车用连接器成为汽车零部件中发展最快的一个细分市场。下面是对汽车连接器发展状况的一个小结。

汽车连接器的发展变化

目前全球汽车连接器约占连结器产业15%左右,未来可望在汽车电子产品的带动下,占有较大的比例。以产品成本结构而言,中国现在每辆汽车平均用到的连接器成本只有几百元,与国外每辆车的连接器成本大约在125美元~150美元来看,中国汽车连接器市场还有很大的发展潜力。未来每辆汽车将使用到600-1,000个电子连接器,远远大于现今所使用的数量。

市场的巨大潜力吸引了国外厂商的极大关注,主要的汽车电子企业如泰科、德尔福、FCI等纷纷加强对中国连接器市场的投入和布局。德尔福甚至将其汽车连接器业务的中心也搬到了上海。中国将可望成为未来全球汽车连接器重要的生产基地。除了现有一线知名国际大厂外,其他尚未前往中国设厂的厂商将因为当地需求不断提高,本土化采购,成本优势等因素影响下,逐渐在中国建立起生产据点供应当地汽车零组件厂商所需。

另外,电动汽车和混合动力汽车使用大容量锂电池,其工作电压的范围从传统汽车的14V蹿升至400V~600V,因而需要汽车电子电气架构的全面改进,连接器首当其冲。新能源汽车连接器市场已成为一大利基市场。

新能源汽车连接器发展的三大趋势为:一是绿色,二是安全,三是连通性。

由于新能源汽车是“绿色”的汽车,因而连接器也要求绿色环保。在安全性方面,由于新能源汽车连接器最高要承受250A电流、600V电压的能力,高标准的防触电保护需求是显而易见的。同时在如此高的功率下,电磁干扰是另一个重要问题。此外,连接器的插拔操作会产生电弧,这会严重危害到电气连接和电子设备,并且可能引起汽车燃烧,这些都需要连接器的特殊设计与开发。

新能源汽车连接器要达到其高性能要求主要靠严格的设计规范,比如在暴露的情况下要防止高压把空气击穿,这需要保留一定的空气间隙;在高电压大电流的情况下,其温度升高不能超过额定值;在选择外壳材料时要考虑重量、强度和是否易于加工,而且在不同温度下连接器端子的材料性能如何保持稳定性、如何保证必要的导电率等都需要考量。

在连通性方面,由于汽车娱乐系统的不断扩充,高速数据传输功能的重要性日益突出。比如在有些车型上,倒车反光镜上安装了摄影头,可使驾驶员拥有更广阔的视野,这就需要连接器传输更多的数据。有时还需要一个连接器同时解决传输GPS信号和广播信号的问题,这就需要提升其数据传输能力。同时,连接器还需要承受高温,因为汽车引擎通常放置在汽车前方,尽管有防火墙进行防护,但还会有一些热量会传导过来,因此连接器要能够承受高温。

而随着汽车连接器的应用越来越多,汽车的合成化趋势使连接器的集成度越来越高,由于汽车对空间的设计的要求,连接器也被要求有更小的体积,不占用较大的空间,单个连接器的要接收的信号越来越多。总的来说,汽车连接系统将会向电子控制模块的方向发展,在安全和连通的基础上,小型化、智能化和集成化是连接器未来发展的趋势。下面列举一些符合市场需求的汽车连接器的应用案例。

汽车连接器应用举例

在此次慕尼黑上海电子展上,铭瀚电子带来了最新的研发成果—用于汽车的050系列端子和连接器系统。铭瀚电子新型050系列端子连接系统在小型化和减轻重量方面取得了重大的技术改进,比之前的064系列缩小包装体积达70%,重量减轻50%,高度缩减50%。相信这样的小型化连接器对于汽车的节能减排有非常重要的实用价值。

而对于汽车连接器安全性和小型化的需求,FCI研制出创新的塑壳解决方案-APEX-280和RCS-800连接器。其中的一项创新是获得专利的互锁装置:确保一拔出连接器就立即断电——而且独特的“两步式”释放过程为互锁装置的工作提供足够的时间,这样,通电时就不会出现断开现象。用户确实须进行两个独立的动作,切断电源和拔出连接器之间会有五秒钟的延迟。这些新颖的安全装置还拥有许多其他特点。端子被固定在塑料防护孔格后,防止手指的碰触。FCI的ErgoMate齿轮轴向连接系统在帮助实现更小尺寸的解决方案的同时显著减小匹配力。一旦对配到位,连接器二次锁止会被关闭,以此保证100%稳固的连接。此外,采用高等级的屏蔽和密封保护的同时,实现了小型化紧凑设计。

另外,FCI的RCS-800端子也适应汽车连接器安全性和高连通性的需要。其全新的8毫米圆形端子的设计比同等载流能力的扁平端子更加有效地利用空间。这些圆形RCS 端子有很多接触点,根据用户的需求规范,工作电流可达250A,甚至更高。此外,采用特殊表面镀层能够防止电弧放电造成的损坏,另一方面,塑料盖帽提供等级为IP2-x的保护,以防发生电击操作工的危险。