不合適的接觸電阻是汽車用插接器工作時(shí)產(chǎn)生溫升的主要原因。降低接觸電阻可有效控制溫升，從而提高插接器的使用壽命和可靠性。因此，分析插接器端子接觸電阻的影響因素和測(cè)試方法對(duì)提高插接器的可靠性和使用壽命具有重要意義。

 

1接觸電阻的作用原理

 

 

插接器的接觸電阻是指一對(duì)公插接器和母插接器插接后公端子和母端子接觸面間所產(chǎn)生的附加電阻。通過(guò)對(duì)端子接觸面的微觀分析可知，公端子和母端子插接后，端子的接觸并不是整個(gè)接觸面的接觸，而是散布在接觸面上的一些點(diǎn)的接觸（如圖1所示），各接觸點(diǎn)的面積之和是實(shí)際接觸面積。

 

接觸表面的表面粗糙度決定了接觸點(diǎn)的數(shù)量，而端子接觸界面的正向力和接觸件的材料硬度共同決定了各接觸點(diǎn)的接觸面積，因此，接觸界面的表面粗糙度、表面硬度和端子正向力決定實(shí)際接觸面積的大小。

 

實(shí)際上，在大氣中不存在真正潔凈的金屬表面，即使很潔凈的金屬表面，一旦暴露在大氣中，便會(huì)很快生成幾微米的初期氧化膜層。

 

由于接觸表面氧化膜的存在，實(shí)際接觸面積可分為兩部分，一是公端子和母端子基體金屬的接觸面積，它是由公端子和母端子接觸面間的正向力和導(dǎo)通時(shí)的熱作用破壞接觸表面間的氧化膜后形成的，這部分接觸約占實(shí)際接觸面積的5%~10%；二是通過(guò)接觸界面氧化膜后的接觸面積，它是由于公端子和母端子暴露在大氣中形成的表面氧化膜對(duì)接觸界面的隔離形成的。

 

插接器端子接觸界面的附加電阻由以下兩部分組成：

 

（1）集中電阻或收縮電阻接觸界面的形狀造成的電流線收縮顯示出來(lái)的電阻。

 

（2）膜層電阻或界面電阻接觸界面較堅(jiān)實(shí)的氧化膜及較松散的雜質(zhì)污染物構(gòu)成的電阻。

 

2接觸電阻的影響因素

 

2.1端子材料的影響

 

不同的端子材料具有不同的硬度和不同的電導(dǎo)率。根據(jù)接觸電阻的作用原理分析可知，不同的硬度造成端子的接觸界面各接觸點(diǎn)的實(shí)際接觸面積不同，從而造成端子接觸界面的實(shí)際總接觸面積不同。

 

實(shí)際接觸面積對(duì)接觸界面附加電阻的影響，相當(dāng)于導(dǎo)體截面積對(duì)導(dǎo)體電阻的影響。因此，端子材料硬度不同會(huì)影響端子接觸界面的附加電阻。不同的電導(dǎo)率則直接影響端子接觸區(qū)域的電阻。

 

選擇端子材料時(shí)應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)要求選擇合適電導(dǎo)率和硬度的材料，同時(shí)應(yīng)考慮選擇電導(dǎo)率和機(jī)械性能穩(wěn)定的材料，才能保證接觸電阻的穩(wěn)定。

 

2.2端子接觸界面

 

幾何形狀的影響端子接觸界面幾何形狀對(duì)接觸電阻的影響主要是由于不同的幾何形狀會(huì)形成不同的宏觀接觸面積。

 

宏觀接觸面積的不同產(chǎn)生不同的接觸點(diǎn)數(shù)量，從而使實(shí)際接觸面積產(chǎn)生差異。圖2所示為常見的接觸界面形狀。其中（a）為點(diǎn)接觸界面，所產(chǎn)生的宏觀接觸面積最小，因此，實(shí)際接觸面積也最小；（e）為面接觸界面，所產(chǎn)生的宏觀接觸面積最大，因此，實(shí)際接觸面積也最大；（b）為線接觸界面，所產(chǎn)生的宏觀接觸界面處于中間狀態(tài)，因此，實(shí)際接觸面積處于中間狀態(tài)。

 

 

在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)不同的要求選擇不同的接觸界面幾何形狀。其中線接觸和面接觸又會(huì)受端子規(guī)格和外形的影響，形成不同的宏觀接觸面積。

 

2.3端子正向力的影響

 

端子正向力是指產(chǎn)生于公端子和母端子接觸表面并垂直于接觸表面的力。根據(jù)接觸電阻的作用原理分析，隨著端子正向力的增加，端子接觸界面的實(shí)際接觸點(diǎn)數(shù)量和面積也逐漸增加，因此，實(shí)際接觸面積隨正向力的增加而增加。

 

端子接觸界面的附加電阻計(jì)算公式如下：

 

 

式中：R為公端子和母端子接觸界面的附加電阻；

 

k為計(jì)算系數(shù)；

 

p為端子材料的電阻率；

 

H為端子材料的硬度；

 

F為端子的正向力。

 

由式（l）可知，公端子和母端子接觸界面的附加電阻R與端子正向力的開方成反比。因此，插接器設(shè)計(jì)時(shí)可在保證機(jī)械性能的前提下，通過(guò)改變端子的正向力，來(lái)降低端子接觸界面的附加電阻，以確保電力傳遞及信號(hào)傳遞的穩(wěn)定性。

 

2.4端子接觸界面表面狀態(tài)的影響

 

端子接觸界面表面狀態(tài)對(duì)接觸電阻的影響主要表現(xiàn)在接觸界面的表面粗糙度和表面氧化膜狀況對(duì)接觸電阻的影響。接觸界面粗糙度對(duì)接觸電阻有一定的影響，這主要是因?yàn)榇植诙炔煌瑫?huì)造成接觸界面微觀接觸點(diǎn)數(shù)量的不同，并最終影響接觸電阻的大小。

 

接觸界面的表面氧化膜由接觸界面與大氣的接觸產(chǎn)生，使用中的化學(xué)腐蝕和電腐蝕會(huì)使情況變得更嚴(yán)重。表面氧化膜的厚度和狀態(tài)決定膜層電阻的大小，因此，接觸界面的表面氧化膜對(duì)接觸電阻有一定的影響。

 

2.5使用電壓的影響

 

端子接觸界面的電壓降達(dá)到一定值時(shí)，會(huì)將端子接觸界面的氧化膜擊穿，使端子接觸界面的膜層電阻降低，從而降低端子的接觸電阻。

 

但由于電壓作用下的熱效應(yīng)加速了膜層附近區(qū)域的化學(xué)反應(yīng)，對(duì)膜層有一定的修復(fù)作用，因此，膜層電阻呈現(xiàn)非線性變化。

 

電壓降在擊穿電壓附近的微小波動(dòng)，即可引起電流在幾十倍范圍的變動(dòng)，使接觸電阻發(fā)生很大變化。了解這種非線性變化，有助于正確分析接觸電阻的非線性變化，避免在測(cè)試和使用時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)誤。

 

2.6使用電流的影響

 

端子接觸界面的電流達(dá)到一定值時(shí)，接觸界面接觸點(diǎn)處由于通電而產(chǎn)生的焦耳熱使金屬軟化或熔化，從而改變接觸點(diǎn)的數(shù)量和面積，使端子接觸界面實(shí)際接觸面積大幅增加，接觸電阻則大幅降低。

 

而焦耳熱引起的化學(xué)反應(yīng)通過(guò)修復(fù)膜層又使膜層電阻非線性增加，從而使接觸電阻升高。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，電流所產(chǎn)生的焦耳熱一般會(huì)降低接觸電阻。

 

3接觸電阻的測(cè)試

 

3.1測(cè)試模型的建立

 

 

R，為150mm所使用導(dǎo)線的電阻。

 

由式（2）和圖3可知：該模型所測(cè)試的接觸電阻包括端子接觸界面的附加電阻、端子的導(dǎo)體電阻、端子與電線的導(dǎo)體壓接電阻。

 

3.2電壓降換算接觸電阻

 

本試驗(yàn)是在標(biāo)稱電流狀態(tài)下，通過(guò)測(cè)試導(dǎo)線壓接和端子接觸區(qū)域的電壓降，來(lái)獲得所需要的接觸電阻l。

 

如圖3所示，通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)焊接感應(yīng)點(diǎn)T，和T；間的電壓降，并根據(jù)可調(diào)電源保證的標(biāo)稱電流，可計(jì)算出所需要的電阻值。

 

根據(jù)文中對(duì)接觸電阻的影響因素分析可知，端子接觸界面的附加電阻在電壓和電流作用下呈現(xiàn)非線性變化，而插接器在汽車中的使用，很多是處于電壓和電流的作用下，因此，本試驗(yàn)所測(cè)得的接觸電阻接近強(qiáng)電流電路中插接器的實(shí)際使用狀態(tài)。

 

尤其是熱老化、溫濕循環(huán)、電流循環(huán)等試驗(yàn)后進(jìn)行的電壓降測(cè)試，更能反映實(shí)際使用狀態(tài)。

 

3.3低電平接觸電阻

 

插接器在汽車中用于信號(hào)傳輸時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)端子接觸界面區(qū)域的電壓降和電流非常低，不足以影響接觸界面的附加電阻，因此，使用電壓降換算接觸電阻法測(cè)得的結(jié)果不能有效反映該使用情況的實(shí)際接觸電阻。

 

低電平接觸電阻測(cè)量法是使用微型歐姆表測(cè)試導(dǎo)線壓接和端子接觸區(qū)域的電阻。如圖3所示，使用微型歐姆表測(cè)量?jī)蓚€(gè)焊接感應(yīng)點(diǎn)T、T間的電阻和l50mm長(zhǎng)度的所使用導(dǎo)線的電阻，據(jù)此可計(jì)算出所需要的接觸電阻。

 

根據(jù)歐姆表的工作原理，使用微型歐姆表測(cè)量電阻時(shí)，電路中的電流和所測(cè)區(qū)域的電壓降遠(yuǎn)低于能影響接觸界面附加電阻所需要的電流和電壓降，因此，本試驗(yàn)所測(cè)得的接觸電阻更能反映微電流電路中插接器的實(shí)際使用情況。

 

尤其是熱老化、溫濕循環(huán)、電流循環(huán)等試驗(yàn)后進(jìn)行的低電平接觸電阻測(cè)試，能保證接觸界面膜層不被電壓降和電流破壞的情況下測(cè)得，更能反映實(shí)際使用狀態(tài)。

 

4結(jié)束語(yǔ)

 

接觸電阻是汽車用插接器的主要電氣性能，接觸電阻的影響因素有端子材料、接觸界面幾何形狀、端子正向力、端子接觸界面的表面狀態(tài)、使用電壓和電流等。電壓降換算接觸電阻和低電平接觸電阻兩種測(cè)試方法所測(cè)結(jié)果分別反映了插接器在強(qiáng)電流電路和微電流電路下的實(shí)際使用狀況。

 

來(lái)源：線束專家