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，通過改變端子的正向力，來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，通過測(cè)試導(dǎo)線壓接和端子接觸區(qū)域的電壓降，來獲得所需要的接觸電阻l。

 

如圖3所示，通過測(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

 

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。

 

來源：線束專家