第ｌ期２００９年３月
机电元件
Ｖ０１．２９
Ｎｏ．１
ＥＬＥＣＴＲＯＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＣＯＭＰＯＮＥＮ＂ＩＳ
ＭａＬ２００９
汽车连接器接触电阻替代模型的分析
左海青。杜金奎，祁顶春
（河南天海电器有限公司，河南
鹤壁４５８０３０）
摘要：在ＰＲＯ／Ｅ环境下建立连接器接触组件模型，在插脚端面施加“面电流”负载采计算模型中的温度分布。模型零件包括保险片、插座套、导线和接触电阻设计的替代模型，在ＡＢＡＱＵＳ／ＣＡＥ环境下设置材料属性和边界条件。安排了此电热模型的电流实验，使用Ｋ一热电偶取得关键点处的温度值，将模型的分析结果与实验数据进行对比，最终验证了连接器接触电阻替代模型的合理性。
关键词：汽车连接器；ＡＢＡＱＵＳ／Ｓｔａｎｄａｒｄ；接触电阻；电一热耦合中图分类号：ＴＭ５０３＋．５
文献标识码：Ａ
文章编号：１０００—６１３３（２００９）０１—００２７—０５
ＴｈｅＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅＲｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉＶｅ
Ｍｏｄｅｌｓ
ｆｏｒＣｏｎｔａｃｔ
ＩｎｔｅｒｆａｃｅｓｉｎｔｈｅＳｕｂａｓｓｅｍｂｌｙｉｎＶｅｈｉｃｌｅ
ＺＵＯＨａｉ－ｑｉｎｇ，ＤＵ
Ｊｉｎ－ｋｕｉ，ＱＩ
Ｄｉｎｇ－ｃｈｕｎ
（ＨｅｎａｎＴｉａｎｈａｉＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏ．Ｌｔｄ，Ｈｅｂｉ４５８０３０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ
ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｓｕｂａｓｓｅｍｂｌｙｗａｓｍｏｄｅｌｅｄｕｓｉｎｇＰＲ０／Ｅ．Ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆ
ａ
ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｉｎｔｈｅｓｕｂａｓｓｅｍｂｌｙｆｏｒｇｉｖｅｎｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｏａｄｗａｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｉｎｔｈｅｓｕｂａｓｓｅｍｂｌｙｉｎｃｌｕｄｅ
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ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｆｕｓｅ．ｔｗｏｓｏｃｋｅｔａｎｄｃａｂｌｅｓ．Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅｍｏｄｅｌｓｆｏｒｃｏｎｔａｃｔ／ｊｏｉｎｔ
ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓｉｎｔｈｅｓｕｂａｓｓｅｍｂｌｙｗｅｒｅ
ｍｏｄｅｌｓ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｗｅｒｅ
ｃｏｎ—
ｕｓｅｄ．ＭａｔｅｒｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｗｅｒｅｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｉｎｔｈｅＡＢＡＱＵＳ
ｄｕｃｔｅｄｕｓｉｎｇＫ—ｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅｔｏｏｂｔａｉｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｖａｌｕｅｓｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｉｎｔｈｅｓｕｂａｓｓｅｍｂｌｙ．Ｔｈｅｍｏｄｅｌｉｎｇｓｕｉｔｓ
ａｒｅ
ｒｅ－
ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｃｏｎｎｅｃｔｏｒ；ＡＢＡＱＵＳ／Ｓｔａｎｄａｒｄ；ｃｏｎｔａｃｔ
ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ｅｌｅｃｔｒｉｃ—ｔｈｅｒｍａｌｃｏｕｐｌｉｎｇ
引言
在设计阶段必须关注的重要特性。导致连接器温升的因素除了外界工作环境的影响外，主要是连接器本身的接触电阻。本文重点阐述接触件的接触电阻所导致的温升。
在计算焦耳热．，时，对于设定的电流Ｊ『，如果导体的几何形状均匀，利用焦耳公式（Ｑ＝１２Ｒｔ）就很容易算出导体产生的热量。但是对于非均匀或不规则
连接器是车辆线束系统中的重要连接部件，它的作用是不仅为车辆各功能模块提供信号通路，还要保证在车辆行驶过程中连接处不发生电气中断。
当此类连接发生时，必然产生一个附加电阻——接
触电阻，由此引起的连接器工作期间的温升是我们
收稿日期：２００８—１０—２８
万方数据
机电元件
２００９焦
的几何形状，对焦耳热分析计算时就要求针对每个电路分支定义其电流或者电位的大小以及焦耳热的分配，并且为了得到电热平衡后的温度分布，还需要正确定义热传导、热对流和热辐射的边界条件等要素，计算时就变得非常复杂了。以下我们就专门讨论不规则电路中的接触电阻产生的电热现象，构建接触电阻的替代模型，对模型中的材料物理性质做出推断，最后利用ＡＢＡＱＵＳ有限元分析工具，分析车辆配电装置工作时的温度场分布。２
原理
我们知道，电子的定向移动形成电流，通过导体的电流会使得导体产生热量，这是由于维持电子这种移动需要消耗功率，用焦耳热的公式表示如下：
Ｐ＝，尺
（１）
式中，Ｐ为焦耳热功率；，为电流；Ｒ为电阻。
对于不规则的几何体，为了求得此功率数值，需要先计算电流密度。在本例电热分析中，我们应用有限元的方法，通过ＡＢＡＱＵＳ分析工具，对电流密度、电势和热量扩散进行分析求解。
对于纯导体而言，如果保持电流恒定以及热传导稳定，那么在电热之间将遵循如下拉普拉斯方程式：
Ｖ２妒＝Ｏ
（２）
式中ｐ表示的是热势。
根据式（２），组建车辆配电装置的三维模型，应用ＡＢＡＱＵＳ有限元分析工具，分别对电路进行电流传导和热传导分析，求得电势和电流密度的分布状态。根据模型中导体元件的电流密度，就可以对功率进行分配计算了。在此理论的指导下，我们设计了车辆配电装置模型来做电热分析，同时安排了相应的试验来对关键点温度结果进行验证对比，以此证明连接器接触电阻模型的合理性。
３接触电阻的模型替代及试验验证
３．１接触电阻的替代模型设计
接触电阻由收缩电阻Ｒ。和表面膜电阻尺。两部分组成。任何非常光滑的金属表面，实际上都是粗糙不平的。当两金属互相接触时，只有少数凸出的
万
方数据点发生真正的接触，并且仅仅是一部分导电斑点才能导电。虽然名义接触区域看上去很大，其实真正的有效接触非常小，大概只占ｌ％一２％。
当电流通过这些很小的导电斑点时，电流线必然发生收缩。这种电流线的收缩会导致电阻值增大，这个附加电阻就称为收缩电阻，是构成接触电阻的主要部分。由于接触点导体表面存在氧化膜、硫化膜、油膜、水膜和灰尘，所以改变了电流通路中的电势分布，这也会引入一个额外电阻增量，这个电阻增量叫做表面膜电阻，它构成接触电阻的另外一个部分。这二者在电路中属于电阻串联关系，故接触电阻Ｒｊ用下式表示：
Ｒｊ＝Ｒ。＋尺ｂ
（３）
关于收缩电阻尺，的理论计算，做如下的条件假设：
（１）导电斑点为圆形，它的尺寸Ａ。比名义接触面积Ａ。小得多，参阅图Ｉ中导电斑点的简化模型；
（２）接触材料为均质材料，电阻率相等；（３）忽视温度对电阻率的影响，为常数；（４）导电斑点Ａ。面上电位相等，为零电位；（５）导电斑点Ａ。面上没有表面膜存在，膜电阻为零；
（６）忽略热电势和接触电势。
一．Ｌ卜生吵１巫
凹毁纩＝≮，ｆ
＼１
心∥
＼、＝７
图１导电斑点圆柱体简化模型
在上述假设的前提下，接触电阻Ｒ。为：
Ｒ。＝隽
（４）
式中，ｐ为电阻率，ｒ为导电斑点半径。
如果接触表面中有ｎ个导电斑点，则收缩电阻为：
Ｒ。＝＿｝
（５）
∑２ｒｉ
第１期左海青等：汽车连接器接触电阻替代模型的分析
式中，ｔ为第ｉ个导电斑点半径。
如果令∑２ｒ。＝２ｎｒ，，，ｐ为ｎ个导电斑点半径的
平均值，则
Ｒ。＝彘
（６）
上式只有理论意义，事实上ｎ、，。的数值非常难求。本文中我们取了５个接触电阻实验数据，如表
１，计算它们的平均值。
表１接触电阻Ｒ，测量结果
样品编号
电阻值／ｎ
ｌ＃
Ｏ．０００９
２并０．０００７
３＃０．Ｏ００７
４＃Ｏ．０００８
５＃０．０００８
利用下式推导接触处的电导率：
最＝ｐＡｈ。＝｝７ｌ＝彘
（７）
式中，Ａ。为导电斑点面积，ｍｍ２；危为导电斑点高度，
ｍｍｏ
在确定导电斑点处的电导率之后，接下来讨论导电斑点处的热导率，进而获得接触处的传热系数。热传导经验公式如下：
”ｉ１【．百Ａｅ×麓＋百Ａｖ
ｘｋｔ）
（８）
式中，ＩＩｌ。是导电斑点传热系数，Ｗ／（ｍｍ２・Ｋ）；ｈ是导电斑点厚度，ｍｍ；ｋ。是材料ａ的热导率，ｗ／（ｍｍ
・Ｋ）；Ｉ｜｝。是材料ｂ的热导率，Ｗ／（ａｍ・Ｋ）；ｋｆ是空
间流体的热导率，Ｗ／（ｍｍ・Ｋ）；Ａ是名义接触面积，ｍｍ２。
求得传热系数以后，建立材料热阻钆与传热系气５南
（９）系数，Ｗ／（ｎｌｍ２・Ｋ）。
万
方数据利用上面对导电斑点热阻的定义，我们来推导导电斑点热导率的计算公式。前面我们提到导电斑点的简化模型是一个半径为ｒ的圆柱体，在ＦＥ模型
中我们使用长方体来替代它，如图２所示。
图２接触导电斑点的长方体替代模型
因此，式（９）还有下面的表达式，即
Ｌ
钆２意（１０）
导电斑点替代模型特性计算结果见表２。
表２导电斑点特性计算结果
特性计算值
半径，ｒ
Ｏ．１０ｌ
３５
ｍｍ
导电斑点面积，Ａ。
０．０３２
２７ｍｍ２
电阻率，Ｐ０．００ｌ８９Ｑ・ｍｉｌｌ
导电斑点传热系数，ｈ。
０．７２５５４
ｗｔ（咖２・Ｋ）
热阻，钆
０．０６●∥Ｗ
热导率，Ｉ。
０．６５１
Ｗ／（Ⅲ－Ｋ）
为了验证接触电阻替代模型的合理性，我们准为了避免试验时装置与外界空气之间发生热交式中，８。。是导电斑点热阻，ｌ∥ｗ；Ｊｊ｝。是导电斑点处的热导率，Ｗ／（ｍｍ・Ｋ）。
３．２试验
３．２．１试验目的和准备
备了一个电热分析试验。试验中为了保证该试验数据的准确性，选用全新的插座套、保险片和导线组装成一个电路，保险片插脚表面选择镀银，输入输出连接线使用端子压接机进行卷曲压接，并在导线卷曲处进行焊接处理，最大限度地降低压接区域电阻，电
ｍｍ２；Ａ。是导电斑点面积，ｎｌｉｉｌ２；Ａ，是有效接触面积，
数之间的关系，使用以下公式确定：
源连接使用孔式接头，利用Ｍ６螺栓紧固。
换，设置了一个透明ＰＶＣ罩子扣在接触对上。输入
式中，口ｍ是导电斑点热阻，Ｋ／Ｗ；ＩＩｌ。是导电斑点传热
机电元件
２００９侄
输出连接线全部套在塑料管子里面，并把管子压入木槽里固定。调准电源柜电流和电压数值，依照额定电流设定负载工作的时序和电流大小，使用温度计监控室内温度，一切准备妥当后开始实验，用Ｋ型热电偶收集温度数据。３．２．２试验过程
开始时，设置好电源的输出电流和电压，接通电路，给连接器施加３０Ａ的工作电流。持续工作２０ｍｉｎ后，这时输入输出连接线温度数据表现出稳定，表明装置的温度进入工作热平衡状态。
收集预设置关键点处的温度数据，同时也记录下焊接处的温度值，对每个点处的温度进行三次数
据读取。
４试验分析
４．１有限元模型的建立
第一步：在Ｐｒｏ／ＥＣＡＤ环境下创建每个零件的三维数模，并在保险片插脚和插座套之间建立接触电阻的替代模型，最后完成装配体的设计。第二步：进入ＡＢＡＱＵＳ／ＣＡＥ的装配模块，设置好与Ｐｒｏ／Ｅ的连接端口，借助于一个联接Ｐｒｏ／Ｅ与ＡＢＡＱＵＳ／ＣＡＥ之间的插件，完成装配体三维模型导入ＣＡＥ环境这个过程。图３显示了这次电热分析的保险片装配体的数学模型。
图３熔断器ＦＥ模型示意图
４．２材料特性定义
进人ＡＢＡＱＵＳ／ＣＡＥ环境下的材料设置模块，对保险片金属部分设置为锌合金，插座套指定为ＣｕＳｎ６合金，具体电热特性数据见表３。至于接触电阻部分，我们依照上述表２结果，将接触电阻部分模拟成另外一种金属材料，称之为“接触电阻合成材料”。通过ＡＢＡＱＵＳ有限元中的电热耦合分析，来对此合成材料的合理性进行验证。
表３材料电热特性数据
材料名称
ＣｕＳｎ６
面施加面电流，按照面电流载荷５Ａ赋值。模型中对于１ｌ自由度赋予电势数值为零。
边界条件的设计即是对热对流和热辐射等热交换冈素在模型中进行定义。热对流可以分为两类：自然对流和强制对流，此处我们使用自然对流，以下用“牛顿冷却方程”来描述：
ｑ”＝ｈ×（瓦一ＴＢ）
（１１）
式中，ｈ为对流换热系数（或称膜传热系数、给热系数、膜系数等）；瓦为固体表面的温度；Ｔｓ为周围流
热导率
Ｗ・（ａｍ・Ｋ）。１
密度
ｇ。ｃｍ。８．６５７．１４８．９４
电阻率ｒｉｆｔ・ｎｌ
Ｏ，１３ｌ７．７４×１０—２１．９１
ｘ１０—２
体的温度。
在工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的
０．０５４４Ｏ．１１２０
锌合金铜导线４．３
辐射，系统中每个物体同时辐射并吸收热量。它们
３
３６３
之间的净热量传递可以用“斯蒂芬－波尔兹曼方程”来计算，在分析中，我们在保险片中间熔丝部位设置热辐射交换方式：
Ｑ＝盯×占×Ａ１×Ｆ１２（Ｌ４一疋４）
（１２）
电热耦合分析和边界条件
在ＡＢＡＱＵＳ电热耦合分析模块中，模型单元统
统设置成为ＤＣ３Ｄ８Ｅ单元格类型，在输入接头末端
万方数据
图５
ＡＢＡＱＵｓ／ｓ７ｒＡＮＤＡＲＤ分析的温度曲线结果
６结论
耋黧竺懋数与实际情形写磊孑蔷墓兰
等煮竺篡黧存在如下的原因：面丢茹刍要蓑黎篓苎妻妻竺析时所指定的点位ｉ磊磊荔
罂鍪安寻至竺数据曲线基本蒜兰辚
即三：，竺夏竺果与真实的试验数据对比后发现，
圣髫喃射辙据与实际材料赢：蒹三
图４关键点设置和温度升高分布云图
５
热分析结果
还需要进一步加以完善。参考文献：
羹竺萎代警型掀计是合龇但仍蒜誉
…。～。状在’
中国电力出版社，２００８．
’‘…””；
由舳竺烹黎竺要警果可以看出，我们对连接器接触
耋键点处的对比，结果显示，两者毒；荔；莴荔；
Ｉ一
篓三篓竺！处试验温度和盹Ａ。蕊磊二
黧妻竺尊椭麟上面的分菘鼍裂；
到了翌著篓苎妻篓３０Ａ的保险片电路连接，我们得
…耋竺曼竺：电接触理论及其应用技术［Ｍ］．蝙
作者简介：
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万方数据
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