文摘

在高密度和小型化的趋势下,电流连接器传输单位体积变得越来越高,这使得连接器的可靠性设计更具挑战性。的压力下高性能和低成本的要求,设计更准确、更有效率。因此,在设计过程中,需要一个系统的可靠性评估方法。然而,没有足够有效集成的方法,组织和量化。在本文中,系统的提出了连接器的可靠性评价方法,并通过一个典型的对象命名一个片簧连接器,验证了这种方法的有效性。这种方法的框架已经建立后,提供了所需的方法和模型,包括方法建立选材标准和评估模型的应力松弛,热扩散,分别和滑动磨损。然后,新开发的铜合金的可行性连接器,连接器的可靠性行为通过这种方法测定。指出了可靠性的令人不满意的方面,提供一些可能的设计选择。结果和讨论表明,该方法设计电气连接器是一个很有用的工具,尤其是在可靠性设计。

1。介绍

电连接器是一种机电组件广泛应用于航空航天、车辆,电网和消费电子产品,等。连接器的功能很简单,就是提供一个接口,用于当前的两个系统之间的传输,但是连接器的可靠性对系统至关重要。连接器故障是系统故障的主要原因1,2),有时是毁灭性的影响3]。因此,可靠性应该内置连接器通过适当的设计和充分评估以确保性能可靠实现。的压力下更低的成本和更高的性能,更有效和更精确的设计和评价要求,这意味着潜在的材料和结构必须完全达成。

为了实现这个目标,我们必须克服两个主要困难。一方面,许多因素,比如设计因素和退化机制,是相互作用和影响连接器的可靠性。例如,灵活的连接器是由焦虑引起的过热,应力松弛,热膨胀,金属间化合物4]。螺栓的连接器的失败是腐蚀的综合结果,担忧,滑动磨损(5]。一个设计选择,使可靠性满足要求在一些因素的影响,可能导致可靠性变得不满意当其他因素考虑在内。这可以增加重新设计或保险设计如果多个因素的数量和他们的相互作用不充分认可,由设计师,导致设计效率低下。另一方面,因为有广泛应用的连接器,连接器可能采用的材料和结构是多方面的,影响连接器的可靠性和因素与特定应用程序也不尽相同。近年来,电连接系统变得越来越复杂;连接器的设计和评估可靠性基于传统的试验和错误的方式逐渐成为不可接受的。使这个过程更加高效的有足够的精度,减少上市时间,新的概念、模型、方法和标准从工程实践来提高设计和评估所需的能力。

在过去的二十年里,已经有一些研究有关上述主题,促进设计方法的发展和评估连接器的性能。霍英东等人提出了一种基于案例设计系统原型的概念设计连接器(6]。设计师从过去的情况下可以获得设计方案进一步评估的起点或设计修改。这个系统不包含物理因素与连接器的性能,如材料,结构,或退化机制。因此,它不能帮助设计师分析性能,尽管这是一个非常友好的工具来提高效率。车等人建立了一个以知识为基础的材料数据库连接器(7),使设计者快速选择材料。它使设计从客观准确的确定函数代替过去的设计,使材料的利用率和潜力,因此,设计效率。本研究的最有价值的观点强调材料的重要性在连接器的性能。材料几乎影响机制影响连接器的可靠性。就像霍英东et al。6),车等人并没有分析连接器性能相关的物理因素。只有建立数据库的哲学,但详细的方法和程序来构建它没有提供,使它具有挑战性的设计师将这种方法扩展到其他应用程序。

一般而言,上述方法都是经验,不能提供足够的知识之间的物理关系的影响因素和连接器的性能。Blauth et al.proposed接触弹簧的数量分析方法优化设计的连接器(8]。由于夹杂物的主要结构参数,设计者可以使用这种方法来评估参数变化对连接器的性能的影响和扩展到各种应用程序。然而,没有考虑连接器的性能下降,这意味着该方法只能采用连接器的可靠性分析在初始阶段的操作。

在整个设计过程中,分析的可靠性是非常重要和必要的。早期,Mroczkowski已经意识到9和声明,设计师应该与连接器的性能参数退化机制协助设计和评价的可靠性。根据详细讨论使用一个全面的退化模型,Mroczkowski表现出的优势和潜在的失败的物理学(POF)方法与传统的统计数据快速、准确的可靠性设计和评价的方法。然而,这个模型是定性和不提供其他一些重要因素之间的关系,如材料和结构,和连接器的可靠性,从而留下的一个大房间提高组织化和可用性的方法。

除了POF,计算机仿真是分析连接器的性能的另一个强大的工具来加速设计和评估,提高准确性。jorgen等人研究了绝缘位移连接器的机械行为基于有限元法(FEM) (10]。连接器性能的准确预测是实现。作者强调了可用性和方便的性能分析的有限元连接器。不仅有限元计算流体动力学被麦高文(11)实现更准确的评价结果的连接器的热力性能。仿真结果进一步用于提高测试方法。这项研究是早期的一个集成多个方法来形成一个连接器的可靠性评估方法,这表明趋势连接器性能分析方法的集成和系统化。

无论是方法(10),也在11),被用来评估连接器性能可靠性设计的阶段。因此,作者没有充分达到仿真的潜力在连接器的可靠性分析方法。相反,廖等人建立了一个连接器耐久性评价模型基于损伤模型(12),这是由有限元的参数值。本研究POF和有限元相结合形成一个快速和准确的连接器的可靠性评估方法,进一步提高集成的水平。然而,这种方法只适用于疲劳的情况是主要的连接器的失效机理和不包括材料的影响,结构,和其他潜在的退化机制连接器的可靠性。此外,风等人提出了一个基于POF的技术框架和有限元法13),根据该连接器的生命周期之间的定量关系和参数的材料,结构,和环境评估可以构建最终的振动载荷连接器可以忍受,提高可靠性设计。作者老练地利用POF的优越性和可靠性分析的有限元连接器,因此,一个更系统化的方法建立了。遗憾的是,这种方法不考虑多个退化机制的可靠性的影响,使其只适用于连接器的担忧的情况发生,因为振动。

最近,一个系统的方法提出的连接器的可靠性设计是朱et al。14]。这种方法是基于系统分析的连接器的性能的影响下多个设计因素和退化机制。它有一个良好的水平集成和它有助于设计人员进行一个相对完整的设计。美中不足的是,作者没有考虑材料的影响,这是一个连接器的功能和可靠性的关键因素。此外,不同的设计因素和退化机制之间的相互作用是不包括在内。这使得无序的方法,这可能会导致不必要的重新设计。

的趋势很明显,连接器性能的分析方法是系统的集成,和定量,这也是我们研究的问题。为进一步提高效率,这种方法会更好的组织。在这里,一个系统的方法提出了电连接器可靠性评估的帮助设计师分析连接器性能和优化连接器可靠性。我们的方法的优点是概述如下:(1)它适用于连接器的整个设计过程,包括功能设计阶段,设计阶段和可靠性有更高层次的组织化和集成比前面的方法。(2)多个设计因素和退化机制和它们的相互作用已经被考虑。框架是组织提供顺序步骤评估连接器性能,而没有考虑前面的方法。(3)基于POF和有限元法,定量方法和模型提供的所有步骤。特别是,一个新颖的方法来建立连接器的选材标准和小说定量热扩散提出了评价模型,可以快速分析的性能连接器在设计过程中。

一个案例给显示这种方法的有效性和优越性。这种方法可以帮助设计师找到引用的起点设计过程结束,以阻止他们需要消耗大量的时间搜索方法在不同的设计阶段。因为影响因素之间的相互作用和可能的不同步骤的设计选择之间的冲突已经充分考虑可靠性评估结果的基础上,组织良好的步骤可以为设计提供指导修改,尽可能避免不必要的重新设计。此外,POF和有限元法灵活采用,支持这种方法的框架被轻松地修改与其他应用程序没有精度损失。

本文的其余部分组织如下。节2方法框架。节3,介绍了分析对象和所需的方法和模型。节4,提出了评价结果。节5结果进行了讨论。节6这工作总结。

2。框架

连接器的设计过程包括两个阶段。第一个阶段是功能设计,在此期间,选择了结构准尺寸和材料,基于对连接器的功能实现的可行性。然后,第二阶段是可靠性设计阶段。连接器的能力来执行一个特定的函数在一个特定的时间和特定的环境必须保证。如果这种能力不符合要求,应设计改善,如结构的重新设计15),更换材料(16),或者某些过程技术的采用17]。没有评价的可靠性设计阶段,连接器的失败可能会提前发生。运行期间,连接器的性能将降低各种机制的影响下,这就意味着性能的指标,例如,接触电阻、接触力,或温度上升,可能会达到极值,该系统可以忍受之前预期的寿命。

此外,两个阶段可以分为很多步骤。无论在什么步骤,目前连接器的性能应该定量评估,以确保当前的设计选择是足够的。评估秩序的因素影响设计选择应该组织避免犯一个步骤的设计选择冲突与其他步骤。例如,接触性能已被重新设计,例如,更换后表面材料的步骤。然后,假设指出下一步的衬底材料连接器必须更换。这种替换可能会改变接触性能,然后让前面的设计无效。

在这里,一个集成和组织良好的框架在设计过程中用于评估连接器的可靠性,提出了如图1。

这个框架分为三个模块。第一模块,初步连接器的结构尺寸的基于空间,钢板材料,和终止模式。然后,确定材料函数实现这个结构。在这一步中,材料的选择标准,在于电热,接触,和结构分析,是必需的。在某些情况下,材料的能力并没有得到充分的发挥。因此,结构优化应该提高连接器的性能使材料和结构的潜力完全达到。

第二模块,评估连接器的退化。从材料的角度来看,有两组连接器的降解机制的影响。一组影响衬底材料,另一个影响表面材料。因为底物降解通常使表面降解更糟(5,18),几乎相反的情况发生,基质降解的评估应放在第一位。衬底的表面通常是镀或涂上薄金属电影、黄金等(19,银20.),或锡21),可以防止接触的退化的如此之快。然而,有时候,这部电影是不兼容的衬底和一些负面影响会发生,如热膨胀(22],扩散[23),和金属间化合物24]。因此,表面预防的有效性应评估确保电影提供的好处超过了副作用。表面预防被确定为有效后,表面材料的耐久性应评估。如果预防有效性或耐力效度不符合要求,应进行设计改进。

第三模块、连接器的anti-overcurrent能力评估。这是因为,在结构的设计,材料的选择,退化评估,并完成相应的设计改进,连接器是在一个相对完美的状态。连接器的测试、过电流测试通常被认为是黄金标准的连接器的性能,并在实践中,过电流发生(25]。这种能力的评估结果可以参考测试或进一步改进设计。

3所示。方法

3.1。分析对象

一个新开发的铜合金名叫铜- 20 -锌- 1.5 - ni - 0.34 - si (26)要求替换的基材spring-blade连接器。这个连接器包括叶片和四个弹簧,如图2。两部分被插入交配后,电流从一个终止在接触可以传播到另一个终端。所有接触的表面镀有黄金厚度为1μm。镍底座厚度为2μm和衬底之间的黄金完成通过每年春天接触表面。指定函数的这个连接器的额定电流传输70没有连接器的最大体积温度超过125°C的环境温度下20°C。指定的连接器的生命周期是5年。

这是否可以采用新合金首先取决于它是否能实现的功能。因此,标准物质的可行性分析是必要的。功能实现后,连接器应该评估的可靠性。对于这种结构,每一对春天和叶片之间的接触力将不断减少,因为应力松弛的27]。接触力的减少使接触电阻变得更高和焦耳热的一代变得更多。对于gold-copper系统,应考虑热扩散的影响,因为它会增加接触电阻(28]。对于这个连接器,叶片的表面是一个gold-copper系统。连接器是要求每季度对母亲的定期检查系统分开。因此,滑动定期发生,导致穿在接触表面。虽然滑动的时候,黄金的穿耐力完成应该评估因为这个连接器的接触力是相对较高的。

3.2。材料的选择标准

概括地,材料选择标准可以概括为一个材料有一定的导电性,这种材料的机械强度必须足够高,以提供所需的接触力得到足够低的接触电阻,使连接器的最大体积温度满足规范。

不同的材料和不同的电导率值下的温度导致不同的值相同的额定电流和散热环境,认为不存在接触电阻。接触电阻的热量生成后,温度变得更高。有一个指定的上层温度限制,因此,存在一个值,接触电阻应低于它。这个值随基质的材料,它可以通过电热有限元分析。此外,两个接触表面之间的接触电压降最好低于20 mV (29日)避免接触supertemperature高软化得多接触。因为电流流经每一对联系人是17.5,每一个接触的接触电阻必须低于1.142 mΩ。

当两个接触部分的衬底材料是相同的,接触电阻R_c可以通过以下公式计算30.]: 在哪里 , , ,和衬底材料的电阻率,是一个经验系数,表面硬度,和接触力。

接触表面材料是黄金,因此,和是常数。对于一个给定的衬底材料,最大限度的接触电阻决定最低接触力弹簧来提供。连接器如图2,春天是一个不规则的梁,等于接触力的恢复力。没有现有的模型来描述之间的关系的恢复力梁及其最大应力。这种关系可以通过静态结构有限元分析。在此基础上,弹簧的材料的屈服强度应该可以确定。

总之,连接器,其结构尺寸已经知道,导电率之间的关系和力量的基材连接器可以建立基于序列分析如图3。这种关系被确定后,在功能实现可以替代材料的可行性进行分析。

3.3。应力松弛评价模型

优化后的结构已经完成,可以确定每年春天最初的恢复力。根据最大允许接触电阻,可以确定最低容许接触力。然后,最大允许放松百分比D_向上可以确定。根据阿伦尼乌斯方程,金属放松对接触力的影响可以通过下列公式表达(31日]: 在哪里是放松的数量比例,是时间, , ,和有关系数,是绝对温度。

对于一个给定的材料,的值 , ,和建立材料数据库中可以找到或由实验测量32]。连接器已经投入使用后,它有一个初始的最高温度表示T_我。最大允许温度而著称T_米,这是高于T_我。它是不合适的T_我或T_米在方程(2),因为采用T_我将低估和采用T_米高估的价值吗D。一个更精确的方法是计算的平均值T_我和T_米把这个值带入方程(2)。指定的连接器是指出的生活t_d。的值 , , ,t_d和的平均值T_我和T_米带入方程(2)来确定D。如果D≤D_向上应力松弛下,连接器的可靠性满足要求。

3.4。热扩散评价模型

氧化膜的生长动力学对铜在清洁空气的关系如下公式所示(33]: 在哪里膜厚度,是温度的函数,分别是材料和温度的函数。因为氧化是一个明显的热激活过程,K阿仑尼乌斯方程可以表示的(34]。因此,方程(3)可以改写如下: 在哪里氧化反应的活化能和吗气体常数(8.314 J·摩尔⁻¹K⁻¹)。

当铜表面镀或涂以金、铜氧化不能直接发生。通过金铜原子扩散到表面,然后与环境的反应。在这种情况下,铜原子的浓度,指出 ,影响反应速率。diffusion-oxidation的机制下,氧化膜的生长动力学可以改写如下: 在哪里是一个函数的和diffusion-oxidation的活化能。

的温度范围50°C - 150°C,氧化膜的生长遵循抛物线动力学(35),即n= 2。之间的关系d和C_铜在150°C下不同时期和这一事实约为1.54 eV (148587 J /摩尔)低于150°C已经由(35]。根据结论,方程(5)可以安装如下: 在哪里= 2.2×10¹⁹一个/小时^0.5,K = 0.038⁻¹,分别= 14。

之间的关系d和t在125°C和150°C下不同C_铜(。%)的计算是通过方程(6),以及相应的值计算的基础上,提取实验(35]。结果绘制在图4,这表明,模型建造了可以有效地描述氧化膜的生长。

在方程(6),C_铜是一个常数。然而,在实践中,C_铜gold-copper系统随时间变化的连接器。因此,方程(6)已被修改。没有铜金最初和随着时间的推移,C_铜逐渐增加。铜和黄金之间的相互扩散模式是高斯,还有(36]: 在哪里一个点的距离在铜和黄金的金膜的界面, 是铜的浓度(。%)在这一点上的时候 , 是互补的误差函数,分别是扩散系数。

扩散系数D_T可以通过下面的计算(36]: 在哪里频率因子和吗扩散的活化能。

金膜的厚度 ,铜的平均集中的时候t指出的是 。根据定积分中值定理,可以计算如下:

此外,方程(6)可以转化为以下形式: 在哪里可以被看作是一个通用的距离,可以视为广义速度,分别可以看作是广义的时间。

在方程(表达的情况6)的增长d可以被视为与均匀的速度运动。在方程(表达的情况10)的增长d可以被视为一种运动加速。因此,d可以通过定积分计算一次之间的关系和已经知道。这种关系可以安装基于计算的值在不同时期。

一对接触并不完全绝缘如果接触表面上的氧化膜不太厚。目前可以通过隧道效应进行整个电影。隧道电阻率ρ_t可以通过以下公式计算37]: 在哪里和可以通过下面的计算(37]: 在哪里是功能和工作吗相对介电常数。

对于一个给定的材料,和是已知的常数。后d已经确定,可以获得。然后,这种接触副的总接触电阻可以通过以下计算(37]:

在一定的温度条件下,在任何时候都可以通过考虑所有已知的参数方程(7)方程(13)。然后,连接器的可靠性是否热扩散的机制下满足要求可以判断。

3.5。滑动磨损评价模型

黄金接触磨损主要由一个胶过程,叫做船首的详细机制形成(38]。在这个过程中,金属表面有一部分转移,即。叶片表面,表面越小,即。,弹簧表面。重复滑动增加刀片的硬度表面加工硬化。一旦叶片表面的硬度达到的船首,春天开始表面磨损,磨损机制转移到骑手戴(39]。安全的考虑,磨损机制不应该从船首形成转移到指定的骑手戴在滑动周期。这是因为一旦弹簧表面已经开始穿,物质损失沿法线方向很快由于极小的区域磨损过程的参与。

存在一个方程可以描述所需滑动时间过渡磨损机制从船首形成骑手戴在以下表格39]: 在哪里这种转变是滑动时间,是一个material-correlated参数,分别是一个滑动的轨道长度。

弹簧表面不穿在船首的形成过程中,但叶片表面磨损。因此,黄金的厚度逐渐减少。之前的黄金已经磨损,接触电阻不会增加,因此,穿不会增加连接器的温度。一旦金价已经疲惫不堪,铜会暴露于环境。这是危险的,因为铜很容易氧化或腐蚀。因此,叶片的金膜在指定的一生不应该穿破。一个叶片表面的磨损可以Archard所描述的模式: 在哪里是穿的总额,是穿的系数,分别是总滑动距离。穿的宽度可以通过下面的计算(30.]: 在哪里是一个接触点的半径。

根据方程15和16,磨损深度每个滑动周期(一个插入和一个撤军,这意味着滑动的两倍)可以表示如下:

为了确保接触表面的耐力,两个条件必须满足。首先,N_年代不应低于指定的滑动一生,这意味着N_年代≥40(每年5年,4周期,每周期的2倍)。其次,h不应低于总穿深度,这意味着h≥20 。

4所示。评价结果

4.1。材料和结构的评价

首先,连接器的材料选择标准是基于开发分析序列如图3。有限元分析的平台上进行了Ansys Workbench 18.2。根据对称性,1/4模型有限元分析,如图5。电缆的长度是897毫米,没有显示。这个长度足够长以热传导的影响考虑连接器。铜线半径是2.25毫米和隔热层厚度为0.75毫米。叶片和弹簧的厚度是0.5毫米。电缆的材料参数表中列出1。

铜合金衬底的调查电导率范围是15% - -40% IACS。最初,值为15%,20%,25%,30%,35%,和40% IACS选择进行分析,分别。在每一个分析轮下,电阻温度系数σ和热导率衬底的不知道,被电热有限元分析所需的参数。在分析之前,之间的关系和之间,和已经安装根据提供的数据库(表24.9和24.10)(40]。的关系可以表示如下: 的单位是10⁻³K⁻¹和λW∙米⁻¹K⁻¹。的拟合曲线vs。和vs。如图6粗略的估计,这是足够的和 。

自然对流被认为是。自然对流系数h_c等于: 在哪里空气的导热系数,是努塞尔特数,分别是特征长度。电缆是一种卧式气缸和它等于以下(43]: 在哪里瑞利数和吗普朗特数。在运行过程中,连接器是一个垂直面和它等于以下(44]:

此外,可以写成的产物吗(格拉晓夫数)和(45]。的价值等于以下(45]: 在哪里重力加速度,的热膨胀系数是空气,空气的密度,表面温度,环境温度,分别是空气的动力粘度。的价值等于以下(45]: 在哪里空气的比热。

电缆的对流系数和spring-blade指出h_一个和h_b,分别。之间的区别和是指出ΔT。基于方程(20.)方程(24)之间的关系h_一个和ΔT之间,h_b和ΔT计算。结果如图7。空气的参数是随温度而变的。在每一个Δ的价值T,温度空气的平均价值T_年代和T_∞(45),然后可以确定空气的参数。

基于上面建立的有限元模型,连接器的平衡温度R_c在每一个值σ计算了。在每一个条件下,最高温度在春天,和春天之间的距离的增加,温度降低的价值。最低温度是电缆一端,等于电缆的自热温度。最大的值总体温度在春天和最低温度电缆一端是绘制在图8,显示的值最大体积随温度的值σ一种反比例,最低温度保持不变的价值。

的情况σ是15% IACS例如,展示结果,其总体温度轮廓如图9。最大的价值大部分温度为124°C,这是一个小低于最大容许值,即:,125°C。因为在这种情况下,价值的ρ_年代是最高的价值λ是最低的,存在的优势R_c每一个条件。

然后,电热有限元分析R_c为每个条件进行。分步,热功率加载在春天和刀片之间的接触面模拟接触电阻产生的热量。基础上,接触电阻的值手动为每个条件发现,这使得最大总体温度达到125°C。这种阻力之间的关系价值和价值σ是策划,加上一个常数值1.142 mΩ决定的最大允许supertemperature联系人。结果如图所示10,黑色实线代表最大允许接触电阻之间的关系R_厘米和σ。结果表明,约24% IACS之前,的价值R_厘米是由最大允许批量温度,当的价值σ超过约24% IACS的价值R_厘米确定的最大允许supertemperature联系人。

进一步的分步计算最低容许接触力F_米通过方程(接触分析1在所有条件下)。已知的常数参数,包括ξ= 0.2 (46),H= 450 N /毫米²(40),和相应的值ρ_年代和R_厘米在每一个σ被带入方程(1)。的离散结果F_米表中列出2。

从表可以看出2时的价值σ大船从15%增加到20%,价值F_米显示一个戏剧性的减少。

方程(1)转换为以下形式: 在哪里的生产是常数。

时的值σ大船公司15%至20%,R_厘米是由最大允许批量的温度。在这一节中,可以看到从图8最大体积温度降低明显的增加σ。因此,接触电阻增加的幅度明显的增加σ。因此,增加的σ导致显著增加的价值F_米因为两个二次部分分母。在本节中,最大体积温度的降低率变得明显变小。对接触电阻的边缘,它增加较慢,然后成为常数。因此,增加的F_米变得明显放缓。

为了获得一个更精确的关系F_米和σ,更多的值σ15%至25% IACS补充下,相应的值R_厘米和F_米计算。结果绘制在图11自然对数的形式。

最后分步建立连接器的材料选择标准是找出最小容许材料强度的值在每个条件下的结构应力分析建立conductivity-strength关系。因为春天不能被简化为一个理想的光束,采用静态结构有限元分析确定恢复力之间的关系和弹簧的最大·冯·米塞斯应力。

对有限元模型,几何模型如图5,除了电缆是压制,因为它没有对连接器的机械应力的影响。杨氏模量的铜衬底的价值是120 GPa。春天和刀片之间的接触类型被设置为摩擦。无摩擦的支持是所有对称面法线方向以防止变形。最后的法线方向上的两个终端固定以避免刚性运动。叶片和弹簧之间的干扰是设置为0.1毫米。的接触力F和最大·冯·米塞斯应力σ_米弹簧计算的有限元模型。应力分布的结果如图12。最大的压力是春天的根源,这是符合理想的悬臂梁。

的价值196 MPa,与此同时,的价值1.24 N。这个最大应力的值不应高于基体材料的屈服强度,因为这个连接器需要交配和未配对的几个周期没有导致接触力损失。春天的结构是一个线性系统,只要没有超过屈服强度。因此,在弹性范围之间的关系F和σ_米确定如下: 在哪里在N和MPa。

在每一个值σ,相应的最低容许接触力F_米代入方程(26)来确定相应的最低允许的材料强度σ_我的。之间的关系σ_我的和σ获得,如图13自然对数的形式。

对于一个特定的材料,如果其(lnσ_我的,σ)位于阴影区域如图13连接器,这种材料是可行的。铜的材料参数- 20 -锌- 1.5 - ni - 0.34 - si (CZNS)表中列出3,电阻温度系数、导热系数、杨氏模量和密度都引用Cu-20Zn [40]。因为(lnσ_我的,σ)CZNS位于阴影区域,CZNS可以采用这个连接器的功能实现。

第二,潜在的CZNS使用这个连接器是评估。从图13可以看出,(ln的位置σ_我的,σ)CZNS仍距离之间的关系σ_我的和σ。这意味着CZNS可以使连接器的最大体积温度低于125°C。CZNS的力量可以完全达到改善接触力降低温度,这是实现通过增加叶片和弹簧之间的干扰。

安全系数设置为1.2,因此,CZNS的最大许用应力是718/1.2 = 598 MPa。基于方程(26),最大接触力CZNS可以提供被确定为3.72 N。基于方程(1),相应的价值R_c被确定为0.354 mΩ。通过电热有限元分析,这个连接器的最大体积温度低于0.354 mΩ决心为98.8°C,即初始温度T_我。

4.2。降解行为的评价

首先,连接器的退化机制下的应力松弛是评估。基于电热有限元分析,确定最大体积温度时达到125°CR_c= 1.284 mΩ。因为1.284 mΩmΩ> 1.142,R_厘米被确定为1.142 mΩ。在这个值,最大体积电阻率的温度为121°C的CZNS约8.49 e-8Ωm。基于方程(1),F_米被确定为0.39 N。因此,的价值D_向上是89.5。然后,的值k= 0.146,一个= 6.1,B= 1238铜(31日)的值t_d= 43800 h和T= 383 K(均值为371.95 K和394.15 K)带入方程(2),D= 83.8。因为83.8 < 89.5,应力松弛下连接器的可靠性满足要求。

其次,热扩散机制下的行为评估。当CZNS的电阻率是8.49 e-8Ωm,R_cmΩ= 0.370。允许的增量R_c= 1.142 mΩ和0.370 mΩ之间的区别,即。0.772 mΩ。Φ和的值ε_r在方程(12)5 eV和3 (37),分别。上述参数带入方程(11)方程(13最大允许的)来决定d是关于5.8Å。

基于方程(7)方程(9)之间的关系C_一个(t),t计算了。表列出所需的参数4。基于方程(10)(n= 2)的值在一系列的值计算,之间的关系和是安装如图14。这种关系可以表示如下:

方程(27)被带进下面的公式: 以确定,= 840 h。根据方程(10),它是确定= 3.5Å,Å低于5.8。因此,热扩散下连接器的可靠性满足要求。

第三,对滑动磨损、已知的参数值k_年代= 17000克/厘米(39),F= 372克l= 0.4厘米带入方程(14)来确定,N_年代是18,这远远低于40。必须进行设计改进。详细设计方法不在本文的讨论范围,但将简要讨论。假设这个设计改善已经完成N_年代高于指定值。的已知值= 2.43(的军医47),ξ= 0.2,F= 3.72 N,H= 450 N /毫米²被带入方程(17),= 0.0175μm。因为h(1μ比20米)高(0.35μ米),黄金是足够的厚度。

4.3。Anti-Overcurrent能力评估

首先,稳态电热有限元模型,基于电压降的值,指出V_d1- - - - - -V_d5在连接器的五个部分计算。这五个部分如图15。

额定电流是恒定的,因此,热一代权力,指出P₁- - - - - -P₅可以计算出,这五个部分。建立了稳态温度有限元模型,P₁- - - - - -P₅分别加载在这五个部分。连接器总体温度的稳态分布。接下来,瞬态热有限元模型建立的初始状态是批量稳态热有限元模型的温度分布。在瞬态热FE模型中,的值P₁- - - - - -P₅在不同级别的过电流加载计算总体温度的瞬态响应,分别。

三组的工作条件进行了分析。在每一个条件下,最大的散货的时候温度达到指定的上限,即。140°C,读和说 。在这三个组,R_c是一,二,三次的初始值0.354 mΩ,代表了不同的降解程度的连接器。在每个工作条件,四个值的电流我,1.4,1.6,1.8,和2.0倍的额定电流,被认为是。他们代表不同级别的过电流。

的结果在所有工作条件下表列出5,表明越高我或R_c,短 ,这R_c有显著影响anti-overcurrent连接器的能力。

ln之间的关系和ln ( - - - - - -我_l)三个工作条件下安装和绘制在图16在哪里是过电流,我_l是当前的最大稳态连接器的总体温度达到140°C。无论多少的价值R_c是,之间的关系和可以表示如下: 在哪里和是常数与材料和有关吗R_c。的值 , ,和我_l下表中列出的三个工作条件6。

5。讨论

连接器的可靠性评估,采用CZNS作为基质材料,已完成,基于框架如图1。评价结果是有用的设计改进的连接器。虽然详细设计超出了本文的范围,给出了一些有意义的讨论如下。

已经指出,对于这个连接器,设计改进的滑动磨损机制下的可靠性应因为N_年代还不够高。为增加N_年代,可能的选择越来越多l,增加k_年代润滑,减少F。是否可以采用这些方法不仅取决于它们的有效性也影响他们对其他方面的可靠性。增加l减少连接器的体积电阻,从而降低温度。通过这种方法,应力松弛和热扩散也可以缓解。增加k_年代只是改变了表面的接触和没有负面影响下的可靠性应力松弛和热扩散。减少F增加N_年代,但它不利于应力松弛和热扩散下的可靠性。该方法时必须小心被认为是采纳。如果必须保证是什么F降低,可靠性的有效性在应力松弛和热扩散应予以保留。然而,这些方法不会影响现有的设计选择,这意味着在本文中提出的评价框架有助于设计过程是平稳的。

的评估已经完成的基础上,假设所需的设计改进已经完成。设计改进将会改变参数的值方程(17)。然而,在这篇文章中使用的值没有更新。有人可能会怀疑是否评估的结果是有效的。实际上,所有这些方法都可以低,这意味着评价结果会更好如果采用更新后的值。因此,本文的评价结果可以保持有效性,因为一直被认为最糟糕的工作条件。

基于上述分析,可以得出结论,该框架对连接器的设计非常友好。这是因为这个框架的步骤都精心设计了两个重要的因素。一个是连接器的退化机制之间的相互作用,缓和措施,另一个是可能的针对每一个机制。在一定的设计步骤,即使在一定机制下的可靠性不满足要求,设计改进方法针对该机制既不会有负面影响在其他方面的可靠性证明令人满意和可靠性方面的,随后进行评估。

例如,假设还有一个材料只能下的可靠性评估和热扩散机制并不令人满意。两个缓和措施增加黄金的厚度,采用镍作为基础(28]。这两种方法不影响可靠性的机制下应力松弛,因为他们不改变温度。采用镍不影响N_年代,与此同时,它可以减少通过降低 。增加了黄金厚度不影响N_年代它可以加强接触表面的耐力。可以得出这样的结论:采用镍或增加黄金的厚度没有负面影响下的可靠性的滑动磨损机制。进一步,无论采用什么方法,连接器的anti-overcurrent能力不会改变,因为热量生成和转移的连接器行为不改变。

必须指出,尽管只有CZNS已评估其可行性的连接器,这并不意味着选材标准建立在本文中只适用于这种材料。任何材料可以通过策划评估(ln的协调σ_我的,σ)图如图13在连接器的可行性。在某些情况下,可能会有一些材料来评估。他们可以同时绘制在图。因此,材料的选择标准提供了一个方便、快捷的方法来排除不可行的材料。

除了集成的优势,组织良好的秩序,并量化,该方法具有良好的可伸缩性。虽然没有提供在这篇文章中,许多新的方法和模型可以被添加到该方法的框架来增强其可用性。这种方法是模块化的,每个模块是由一系列步骤。一个模块的输出可以作为下一个模块的输入,或一个步骤的输出可以通过下一步作为输入,无论多么的输出。任何一个模块,或一步一个模块,可以单独使用。例如,就该方法的第一个模块是需要采用要是连接器的功能实现是评价。任何方法或模型可以插入这个模块,只要这种变化不会改变相应的输出,即。初始设计的连接器的结构和材料进行评估,这个模块。

6。结论

电连接器的可靠性评估的系统方法,提出了由三个模块的框架。每个模块评估连接器的可靠性的一个方面,包括功能实现后的初始状态,降解行为,anti-overload性能。后评价所需的方法和模型已经建立,该方法已成功应用于现有的片簧连接器,衬底材料是需要替换为一个新开发的铜合金叫铜- 20 -锌- 1.5 - ni - 0.34 - si。

结果表明,铜- 20 -锌- 1.5 - ni - 0.34 - si适用于连接器实现指定的函数。然而,滑动磨损机制下的可靠性应该改进通过增加叶片的插入深度和润滑或适当减少接触力。

选材标准提出可以迅速判断是否一定材料应用于衬底的连接器。这一标准的电导率性能相关的机械强度性能的材料,这是最重要的两个参数,连接器需要的功能实现。这部小说的方法建立标准可以在这里不仅通过连接器研究也被其他同类连接器。无论在设计新的设计案例或改善的情况下,这种方法可以帮助减少材料的消耗时间选择从大型数据库。

降解行为的评价,一种新的评估模型可靠性热扩散的机制下建立和验证了已有的实验数据。这个模型可以定量计算的表面氧化膜的厚度对接触gold-copper系统。基础上,联系人可以确定的接触电阻,可以进一步用来评估表面预防的有效性。然后,当前设计的选择是否过度设计或不足可以指导设计的改进来判断,这可能是必需的。

基于有限元分析,anti-overcurrent连接器进行评估的能力。结果表明,过电流水平和接触电阻是这种能力的两个主要因素。过电流的持续时间,连接器可以忍受总是可以表达的电源电流的函数,可以用来分析极端恶化水平和过电流连接器可以接受的水平。

一些限制的工作必须提出避免混淆,这种方法的用户可能满足。总的来说,电连接器可分为两类,即。、信号和电源连接器。前者可以进一步分为低收入和高频连接器。这个建议的方法并不适用于高频连接器。后当前频率已经达到的水平之间的差异大小的连接器和波长的信号不能被忽视,连接器应该被视为一个电磁输电线路的一部分(48),但不是一个集总参数元件了。在这种情况下,担忧的问题是信号反射、插入损耗和串扰48),但不是温度上升,接触电阻和接触力,这种方法连接器性能的主要指标。

温度是最重要的指标,在一个可靠的连接器是否状态,特别是电力连接器。因此,在这种方法中,温度作为主要参数用于评估连接器的功能和可靠性。在实践中,设计师可能会遇到一些情况下连接器包含绝缘住房。在这些情况下,不仅金属终端的影响,这被认为是在我们的工作也是房地产连接器的温度应该考虑。如果采用本文提出的方法在连接器提供住房、结果的准确性将减少,除非框架已被修改,例如,添加的影响存在住房的最大允许温度或结构限制弹簧和叶片的住房。

在这部作品中,提供评估方法和模型的退化行为连接器使退化评价模块的框架直接适用于连接器的接触表面光洁度是金。在实践中,接触的表面材料可能有所不同。例如,锡及其合金也经常被用作终点的联系人。在这种情况下,接触表面的典型的退化机制是金属间化合物49]和[微动磨损50),但不是热扩散和滑动磨损了。因此,更多的方法和模型分析的退化机制应该补充到框架使这种方法适用于更多类型的连接器。在这项工作中,具体的分析是为了确定退化机制研究连接器将会发生,根据材料,结构,和环境。在实践中,广泛应用使连接器的工作条件非常不同。如果一个通用的方法,作为一个模块在退化行为评价模块,可以添加到该框架分析过程更容易、更快捷,这种方法将更系统和更广泛的可以用于实际应用。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是在经济上支持国家重点研究和开发项目的科学技术部(2018号yff01011604)和中国国家自然科学基金(61674017)。