连接器耐久性:汽车内部连接系统的核心

2009年08月13日 10:08    李宽
关键词: 核心 , 连接器 , 耐久性 , 汽车 , 系统
汽车制造商对其供应基地的要求越来越高,这对于汽车零配件供应商来说已经是一件众所周知的事情。就连接器供应商而言,这意味着对产品的性能、稳定性和成本的要求更加严格。供应商只有不断革新产品及工艺,满足客户的这些需求,才能处于优势地位。
 
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,我们开始认识到设计攻关的重要性。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。
 
摩擦腐蚀与电镀问题

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。
 
通常,人们采用电镀贵重金属的方式,如镀金或镀银,因为这些金属不会发生氧化作用。这些镀层的厚度从0.5µm至1.27µm不等。然而,令人遗憾的是,由于含有这些贵重金属以及对其加工使得这类电镀工艺价格不菲,所以人们尽可能少用这类电镀材料。在汽车电气线束应用中,大约只有10%的连接点使用了这类金属。其结果是,一些主要的连接器供应商,例如FCI给出了其他可供选择的电镀解决方案(例如纯锡电镀、锡-特氟隆Tin Teflon、NXT和压合技术),不仅满足了OEM的成本要求,而且产品具有同样的性能。
 
因为必须符合高标准的汽车规格要求,源于电信市场的压合端子技术(连接器到电路板)备受瞩目。由于汽车PCB比应用于电信行业PCB要薄,操作温度(125oC)也要高很多而且使用环境有振动,想要将这种技术引入到汽车系统不是一件容易的事情。这种技术带来了显著的工艺成本效益,它将一个无焊锡引脚压入到金属 PCB板孔中。为适用于严格的汽车应用条件,FCI压合端子经过专门的设计,在插入PCB时提供完全可控的力度,将阻力和变形降到最低,确保与PCB的接口稳固。由于比波峰焊更具成本效益,加之工艺完全自动化,降低了PCB成本,FCI蝶形解决方案(和相关的应用工具)越来越受到汽车制造商的青睐。除性能优越(兼容SMT工艺以及卓越地保持元件的完整性)以外,由于不存在对PCB的热冲击和锡桥的风险,它还提高了附加工艺质量。
 
此外,FCI发现:在压合应用中使用正确的电镀工艺和引脚的条件下,当触点受各种外部条件制约(例如:急剧的温度变化、相对湿度变化、长期处于干燥环境和气体腐蚀)的时候,触点抗阻性一直保持较小变化。然而,随着引脚数量的增加,压力会变得很大,所以在将连接器插入到基座时应非常小心。
 
FCI研制了一种名为“NXT”的新型电镀工艺。基于一种非晶态镍的化学性质,它可以提供非常平滑均匀的电镀表面,能够大幅度减少金镀层的厚度(大约减少80%)。在安全关键应用中,这种技术能支持极低的信号电流
 
多引脚连接器向连接电镀系统提出了另一个考验。出于人体工程学的考虑,连接器插入力应尽可能小,但随着电路计数的增加,插入连接器所需的力将会成比例增加。然而,电性能通常表明每个触点都获得高触点压力(通常引起高插入力),这与获取低连接器插入力的目标是相抵触的。为解决这个问题,人们研制了一种新型接触表面。特氟隆(Teflon)微颗粒在普通锡槽内经过相同处理并有选择性地电镀到接触表面。微颗粒可将一个典型的镀锡的端子插入力降低40% 以上。这种解决方案可使连接器拥有更多的引脚,且无需插入辅助装置——增强人机工程学并提高连接器稳定性。此外,经测量显示,当端子易受振动影响时,锡 - 特氟隆(Tin -Teflon)表面比其他任何镀锡触点具有更好的防摩擦腐蚀效果。
 
电气故障:加强式新型压接技术

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。为改善端子夹头几何形状,连接器制造商投入了大量精力。通过一项广泛的分析实验研究,FCI不仅研制出一种新型的用于压接优化的解析工具,还提出一种具有创新意义的新型压接几何形状。FCI的“两步法”压接解决方案提出一种可以在传统压接冲床上以典型高速压接率生产的压接方法。“两步法”压接完成时模具内部会发生两次冲击。第一步,在端子夹头区域任意一侧进行普通压接操作。和其他任何压接一样,在压缩冲程结束后冲压机和铁砧分离,压接会稍微松弛。绞线不再像此前那样紧凑地结合在一起,电阻拥有更高阻值。在压接工艺的第二步骤中这个问题得到解决。压接模具第二次冲击夹头区域。在之前经压接处理的位置之间有一个夹头部分,这一次冲击的是这个夹头部分的中间位置。广泛的测试已表明:通过“两步法”工艺可以获得最佳的、长期的绞线压缩效果。由于消除了压缩回跳,压接地带产生的冷焊得到了加强和稳固,压接具备了较高的可靠性。两步压接适用于需要极低电流和过渡电阻的所有应用。安全气囊传感器和控制器就是这类应用的例子。
 
连接器接插问题

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,其中一个例子就是FCI研制的弹簧锁(Spring-Lock)。当连接器的两个半部接插在一起的时候,弹簧装置会被压缩。如果正确接插,连接器弹簧锁将发挥作用,使两个连接器结合在一起。如果连接器没有完全接插到位,弹簧则会弹开两个半部(当安装人员松手放开连接器时),这表明连接失败。
 
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。FCI的新型ErgoMate™技术采用一个齿轮式凸轮和滑块装置。这个滑块装置可使连接器接插时从装配器处获得一个流体动力,这样就无需典型连接器驱动次级操纵杆或滑块。与其他方法相比,因为有了凸轮,连接器插入力能够减少 40%。FCI最新推出的APEX 24-way Hybrid连接器就运用了这项技术。当工效设计获得改善的时候,装配变得简单易行,连接稳定性也随之增加。
 
FCI解决了另一个与安全气囊点火模块线缆连接有关的问题。在过去的20年中,大量生产了烟火信号装置(安全气囊和安全带预张紧器),但其中的一些装置在汽车装配过程中很难触及到,这就需要安全爆管连接器接接插口。FCI的解决方案提出一种新型防斜插连接器接口——MCC AK-2。(爆管连接器是一种专为车内烟火信号装置而设计的电连接器。这些连接器非常小巧,通常会带有信号滤波装置如铁氧体或线圈以供信号加工。当连接器插入或拔出安全气囊时,使用特殊的短接触点可以防止由于寄生信号输入而引起的安全气囊疏忽触发。)由于采用先进的安全应用程序(例如行人保护装置),使得这种连接更加复杂,因此需要密封爆管连接器解决方案。
 
在应用于汽车外部和引擎罩下方时,将连接器的电触点密封是非常重要的。对于连接器制造商来说,提供价格低、稳定性高、装配容易的潜式连接器解决方案是一件极具挑战性的事情。在高密度或多引脚系统中,采用垫片密封件或多孔密封环是一种标准做法。设计时,这类密封件有两个主要问题必须解决。第一,需要通过封孔来插入端子,这意味着一个方形或矩形端子要穿过一个圆形封孔。这就必须对端子的合成插入力进行控制以防止线缆弯曲。第二,不同线径对密封的要求。通常,这迫使采用封孔较小、弹性较大的密封件以适用于不同线径,而这样增加了密封件损坏或撕裂的可能性。FCI借鉴潜艇的方法,提供的专为发动机管理系统而设计的CMC系列连接器就是一种具有创新意义的密封法。通过密封件线缆(带有端子的)装配到连接器内,然后布线盖对密封件进行进一步压缩。这样,在装配过程中只产生较小密封压力或作用力,实际应用时可获得较大密封压力或作用力。
 
所有这些创新发展都表明了连接器设计者和制造商不断为要求越来越高的市场提供新产品的决心。作为全球机动车连接器行业的领先者,FCI拥有悠久的创新历史,它还将一如既往地努力提高汽车的可靠性,最终让客户满意。
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