汽车连接器使用标准对比分析

2020年10月16日 评论 511 7373字

摘要:本文通过对汽车连接器使用状况进行分析,提出连接器标准在汽车连接器选型、运用的重要性。同时从QC/T-1067\USCAR-2\GMW-3191 这3种不同的连接器标准,详细分析连接器从使用环境到连接器机械、电气、环境耐久等方面的性能要求。

随着中国汽车工业的飞速发展,汽车从满足最初的运输功能,扩展到现在具有非常多的安全性、舒适性功能。随着功能的增加,作为汽车关键部件的汽车连接器从以前一辆车使用几十个发展到如今一辆车用几百个连接器,一百多个品种;从以前的6.3规格发展到现在的0.64规格。而这一百多种连接器分布在驾驶室、车身、车门、发动机舱、变速器等地方,因为不同地方连接器的使用温度、振动等级的不同,对连接器的防护等级的要求不同,所以不同的使用环境对连接器的性能要求也不相同。

1 汽车连接器使用状况分析

以国外与国内的两款车型为例,分析连接器使用规格和厂商分布情况。

1) 国外某品牌汽车,连接器规格占比如图1所示。

该车型共有连接器205套,其中0.64规格连接器开发90套,占总开发数量的43.9%;1.2规格开发25套,占总开发数量的12.2%;1.5规格的开发30套,占比14.63%;2.8规格开发20套,占比9.76%等。这些规格的连接器分别来自不同的品牌,分别为TE、THB、Molex、JAE、YAZAKI、APTIV、Bosch、SUM等。

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图1 国外某车型连接器规格占比清单

2) 国内某合资品牌汽车,连接器厂商占比如图2所示。

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图2 国内某车型连接器规格占比清单

该车型共有连接器265套,其中0.64规格连接器开发93套,占总开发数量的35.09%;1.2规格开发12套,占总开发数量的4.53%;1.5规格的开发41套占比15.47%;1.8规格开发23套,占比8.68%;2.2规格开发33套,占比12.45%;2.8规格开发16套,占比6.04%等。这些连接器分别来自TE、THB、SWS、Molex、KET、APTIV、YAZAKI等厂家。

3) 从以上数据我们能够判断出,目前国内、国外车型上使用的连接器供应厂家超过10家,使用规格从0.5规格、0.64规格到9.5规格等超过8种规格。从数据分析来看,主机厂在对新车型进行连接器选型、开发过程中,不仅需要考虑挑选的连接器规格、使用位置、防护等级要求,同时还需要从不同厂家的不同产品中挑选一款最适合该车型、该功能的连接器。这就需要一个标准来支持、指导连接器厂家相应工程师去选择性价比最优、最适合的功能连接器。

2 汽车连接器使用标准分析

2.1 目前汽车连接器标准分布

当前连接器标准非常多,从较早的国际标准ISO 8092、SAE标准USCAR-2,到目前中国最新修订的行业标准QC/T-1067-2017 (替代QC/T-417)。同时很多的汽车企业也定义了属于自己企业的连接器标准,如大众公司的VW 75174、通用的GMW-3191、上汽集团的SMTC 3 862 001、吉利汽车的Q/JLY J7110195C等。因为标准非常多,同时不同标准之间有很多相似点,又包含一定的差异,为此本文重点从目前国际、国内通用性最广的3个标准USCAR-2-6、QC/T-1067-2017、GMW 3191-2012来进行分析。

2.2 连接器标准对连接器使用环境的定义

对于一款连接器,在研发之初都会在其规格书中定义出该连接器的使用环境温度、载流能力、防护等级、抗振等级等规格参数,连接器选型工程师需要了解到不同的使用环境对连接器的不同要求,这一点在目前的使用标准中也有很详细的定义。QC/T-1067的标准定义见表1~表3,GMW-3191的标准定义见表4~表6,USCAR-2的标准定义见表7~表9。

表1 QC/ T-1067温度等级

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表2 QC/ T-1067振动等级
汽车连接器使用标准对比分析注:弹性部位指车身上通过悬挂系统支撑的部位。弹性部位不包括轮胎、轮毂、制动盘(鼓)等部位。

表3 QC/ T-1067密封等级

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表4 GMW-3191 Temperature Class

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表5 GMW-3191 Vibration Class

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表6 GMW-3191 Sealing Class

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表7 USCAR-2 Temperature Classification

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表8 USCAR-2 Vibration Classification

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表9 USCAR-2 Sealing Classification

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从以上标准的定义中,清晰了解到目前对连接器防护等级根据不同的使用位置三大标准的定义是一致的,分别定义了S1不密封区域、S2密封区域、S3高压水喷射区域。

在温度等级的定义中我们发现,三大标准根据连接器使用位置的不同,把使用温度划分为了5个等级;同时QC/T-1067与USCAR-2都明确提出不推荐选用温度等级为-40~85℃的温度等级,但是该温度等级在GMW-3191中推荐在驾驶室位置安装的连接器作为实验用环境温度使用。

在振动等级的定义中,通过对比标准的详细振动频率、功率谱密度(PSD),得知在QC/T-1067与USCAR-2,其定义的振动等级V3\V4\V5分别与GMW-3191中的等级2/4/3对应并等同。

同时在GMW-3191中定义了变速器连接器振动等级及适用参数,这在USCAR-2、QC/T-1067中没有定义,但是在USCAR-2、QC/T-1067中定义了安装在与发动机相连但不与剧烈振动部件相连的连接器振动等级及适用参数,这个在GMW3191中没有定义,见表10、表11。

表10 QC/ T-1067、USCAR-2、GMW-3191振动等级相同信息汇总

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关于振动实验,我们主要验证的是连接器系统在模拟实际车载振动条件下的性能是否满足要求,因为在振动或者振动冲击情况下,会引起端子接触面的镀层磨损、正压力衰减、支撑塑料材料的机械性能失效等,所以需要在振动实验中连续监控接触电阻并保证线路中接触电阻超过7Ω(或者1Ω) 的时间不能超过1微秒。

通过以上不同标准对连接器使用环境的定义与分析,我们了解到在对某个功能进行连接器选型时,首先要了解到该功能的使用位置,根据使用位置判断出需要适配的连接器耐受的温度等级、振动等级、防护等级,并进行最佳选型。

2.3 连接器标准对连接器机械性能的定义

目前在USCAR-2定义了连接器机械性能18项、QC/T-1067定义了连接器机械性能20项、GMW-3191定义了连接器机械性能21项,分别如表12、表13、表14所示。

通过3个标准的机械性能对比,我们了解到目前连接器标准中机械性能主要集中在以下几点:端子本身的抗弯强度;端子与端子之间的插拔力;端子与连接器之间的插入力、保持力、止推力、极化实验;连接器与连接器之间的插入力、分离力、解锁力、极化实验;连接器端子二次锁(TPA) 装配力、保持力;连接器二次锁止结构(CPA)装配力、保持力;连接器助力结构机械强度;连接器固定结构机械强度;密封圈的保持力;板端插针保持力。

表11 QC/ T-1067、USCAR-2 、GMW-3191振动等级不同信息汇总

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注:NA 表示在对应标准中无定义。

表12 QC/ T-1067标准20项机械性能实验项目

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除去以上,在GMW-3191中还有要求端子的压接性能,这是一项非常重要的性能测试,直接影响整个端子的接触电阻(压接电阻包含在接触电阻中)。虽然在USCAR-2、QC/T-1067中没有要求,但是这一项测试在USCAR-21中有非常详细的要求,所以有经验的工程师在选择连接器端子时会一并收集相应的压接报告。

表13 USCAR-2标准18项机械性能实验项目

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表14 GMW-3191标准21项机械性能实验项目

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2.4 连接器标准对连接器电性能的定义

在目前的标准中,定义的连接器电性能主要是端子之间的微电流接触电阻、电压降性能;连接器本身的绝缘电阻、绝缘介电强度,这些性能主要在后期的连接器环境性能中配合着组合实验一并验证。同时对于端子本身性能优缺点,标准中还分别定义有最大载流能力与1008h电流循环性能,该性能将作为端子耐久性能的重要参考依据,分别要求如下。

2.4.1 连接器端子接触电阻与电压降在标准中的定义(表15、表16)

通过标准对比,我们发现在三大标准中对电压降的要求,无论哪种规格的连接器端子都要求插头、插座之间通过有效接触后,电压降不超过50mV;但是对于接触电阻,QC/T-1067与USCAR-2基本保持一致,其与GMW-3191除去定义接触电阻数值差异外主要有如下3种区别值得注意。

表15 QC/ T-1067、USCAR-2接触电阻、电压降定义

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表16 GMW-3191对接触电阻、电压降定义

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注:在任何情况下,连接器总电阻不能超过20mΩ。

1) 对于不在标准中定义的端子规格,接触电阻的选取方式不同,QC/T-1067、USCAR-2中明确定义采用差值法选取数值,而按照GMW-3191的要求,需要按照符合等级的最大规格要求选取。例如对于目前常用的2.3规格镀锡端子,按照QC/T-1067标准的要求,接触电阻应该选取最大不超过7mΩ,但是按照GMW-3191的标准要求,就应该最大不超过5mΩ。

2) 对于采用不同镀层的端子,在USCAR-2、QC/T-1067中都有不同的接触电阻定义,但是GMW-3191是无区别统一定义。例如0.64规格的端子,按照镀锡、镀金/银在前2个标准中分别定义的接触电阻最大值为20mΩ与10mΩ,在GMW-3191的标准中统一定义为15mΩ。

3) 特别对于0.50规格端子接触电阻,USCAR-2、QC/T-1067定义接触电阻不能超过25mΩ。在GMW-3191中定义按照产品规格书要求定义(per CTS (Component Technical  Specification)),同时又在标准中指出,任何情况下总的接触电阻都不能超过20mΩ。

关于不同标准对接触电阻的不同要求,一定要根据实际要求,选择合适的验收标准进行前期设计与后期连接器选型。

2.4.2 连接器绝缘电阻与绝缘介电强度在标准中的定义

绝缘电阻是为了保证在连接器里面相邻的2个端子之间有一定的电绝缘性,绝缘介电强度是为了验证连接器本身的电气绝缘性能。在这2个性能上,3个标准的要求一致(USCAR-2无绝缘介电强度要求):①绝缘电阻:在500V电压,相邻端子之间绝缘电阻≥100MΩ;②绝缘介电强度:在交流1000V、直流1600V电压下,持续1min相邻端子之间以及端子与连接器塑料外壳之间不能有介质断裂或击穿现象,电流泄露≤1mA。

2.4.3 连接器最大载流能力与1008h电流循环

最大载流能力测试,是为了验证单对端子在一定温度下,在不超过最大温升与最大接触电阻的前提下,所能承载的最大电流。

1008h电流循环是端子的加速老化试验,通过1008次最大电流加热与零电流冷却循环,验证插头端子与插座端子接触面、端子尾部与导线压接处经过热胀冷缩循环、氧化、应力松弛等环境作用下后整体的温升、接触电阻是否满足性能要求。

对于这2项验证实验,国标QC/T-1067与USCAR-2基本保持一致,GMW-3191的要求与该2个标准有一定的差异。
1

) 国标QC / T-1067与USCAR-2在定义最大载流能力时,明确提出在通电流过程中,当电流使端子对达到接触电阻最大值或者温升达到55℃时,记录此处电流,并乘以90%就是此端子的最大载流,但是在GMW -3191中明确指出需要绘制相关端子对的降额曲线,如图3所示。

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图3 降额曲线

同时,所测最大电流需要乘以80%作为降额曲线中的电流参考值,在降额曲线中的边界条件分别为导线最大对应条件下的最大承载电流(Current load capacity of cable used)与端子使用的极限温度(Temperature Limit of Terminal)。

2) 1008h电流循环实验中,三大标准都提出实验过程中端子接触电阻不能超过规定值,但是QC/T-1067、USCAR-2同时提出循环过程中,端子温升不能超过55℃,GMW-3191中则指出,电流循环过程中测量温度(环境温度+温升)不能超过端子与导线使用极限温度。

对于这2个检测项目,我们还应该了解到该实验得出的最大载流能力曲线,不能作为连接器在汽车上的实际使用数值,只能作为参考数据,同时可以作为同类型端子之间的性能对比数据。因为汽车在正常选择连接器以及定义pin角电流时需要考虑到如下影响因素:①在连接器中的单个端子的温升会受到周围排布的端子电流、温升影响,所以大电流端子尽量排布在连接器外围,对角排布最佳;②端子的载流能力与适配的线径有直接关系,若需要比较大的载流能力,一定要选择合适的最大线径;③环境温度对端子的载流能力有非常大的影响,例如同种端子运用在发动机舱与底盘,承载的最大载流会有很大的区别;④相同条件下,密封连接器中端子的温升要高于同系列端子在非密封连接器中的温升;⑤对于线对用电器端(Line to Device) 形式连接器,端子的温升与用电器端的发热、散热情况相关,例如经常会在鼓风机的调速模快中增加散热片,这会增加端子的载流能力。

2.4.4 连接器重载测试(Heavy Duty Test)

重载测试是为了检测连接器在高温环境下的载流能力,这个检测标准目前在国标QC / T-1067、USCAR-2中都没有定义,但是在GMW-3191中有详细定义。这个实验是需要端子与连接器装配后一起在经过5h高温通电与2h低温断电的循环实验(共5次) 中,验证相应端子的温升与接触电阻,这个实验对于运用在高温环境(发动机、变速器) 等是个不错的验证检测项目。

2.5 连接器标准对连接器环境性能的定义

从目前的标准中,分析发现连接器的环境实验都是结合机械性能实验、电气性能实验来一起验证的组合实验,其中比较重要的环境试验项目包括老化实验、湿度循环实验、温度冲击实验(温度快速变化实验)、盐雾实验,同时针对防水连接器还有耐化学试液、水密性、气密性、高压水喷射等实验检测项目,如下将以防水连接器的经典组合实验就各标准的要求差异进行分析。

2.5.1 连接器热老化组合实验

高温老化测试,是为了验证连接器总成中端子的金属材质、连接器的塑料材质、密封圈的橡胶材质在经过1008h最大工作温度后,相应的变化对连接器密封性能、电气性能、机械性能的影响,特别是密封圈的压缩永久变形与端子的悬臂梁的塑性变形对连接器关键性能的影响。表17是热老化组合实验在不同标准中的实验顺序对比。

表17 热老化(防水连接器) 实验顺序

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从表17中可以看到,3个标准都要求在高温前后验证绝缘电阻,通过绝缘电阻检测来反映连接器塑料材料在经过高温环境试验后的性能是否满足要求,同时QC/T-1067、USCAR-2还要求在经过老化实验后对端子在连接器中的机械性能进行验证,也一并验证了连接器塑料材料在经过老化实验的性能指标是否满足要求。另外,GMW-3191要求在老化实验前后对连接器的接触电阻进行检测,这可以验证在经过高温老化后插座端子上提供正压力的悬臂梁是否出现不可接受的应力松弛现象等。

对于防水连接器,老化实验更能验证其使用的密封圈材质、设计的单边过盈量、壁厚变形尺寸是否能符合防水性能要求,这对防水连接器是否能够满足汽车在使用寿命中不失效非常关键。另外在GMW-3191中还有专门针对变速器连接器的老化实验验证方法与温度设置,这在其他的2个标准中没有定义,这可以作为变速器连接器的一个验证方法。

2.5.2 连接器耐化学组合实验

耐化学测试,是为了试验评估密封连接器总成在浸入车辆内和周围常见的各种液体中时的密封性能和材料兼容性是否满足要求,表18是耐化学性组合实验在不同标准中的实验顺序对比。

表18 耐化学性组合实验在不同标准中的实验顺序

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注:数字代表实验先后顺序。

从表18中我们发现USCAR-2对耐化学实验的前后组合实验主要验证产品外观,但是在QC / T-1067与GMW-3191中都要求在实验前后验证连接器的绝缘电阻与绝缘介电强度,另外QC / T-1067中还要求在实验后验证端子的插拔力,GMW-3191则要求在试验后验证连接器的气密性,这些验证都是为了保证连接器总成在经过化学试剂浸泡后材料不会对整个总成的机械性能、防水性能、电性能造成影响。

2.5.3 连接器耐热冲击(温度快速变化) 组合实验

耐热冲击测试:大家都知道,一般的车载连接器总成由多种材料组织,壳体由塑料材料PBT、PA66及增强材料制造而成;端子等导电部件一般选用黄铜、青铜、铜合金制造而成;密封圈选用硅橡胶制造而成。这些材料在经过温度的高低变化后因为热胀冷缩会有相应膨胀与收缩,在端子的接触表面会形成磨损与微动,通过温度快速变化实验模拟车载条件就是为了验证经过这种温度冲击试验后,产品的变化会不会导致连接器总成功能失效。详细的耐热冲击组合实验在不同标准中的实验顺序对比见表19。

表19 耐热冲击组合实验在不同标准中的实验顺序

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注:数字代表实验先后顺序。

从表19中我们发现QC / T-1067与USACR-2中都要求在实验前后验证连接器的绝缘电阻与电压降,重点关注实验对产品电性能的影响。GMW-3191在要求试验前后验证接触电阻时,一并要求验证连接器的密封、绝缘电阻、绝缘介电强度等性能。这些实验都是为了充分验证连接器总成在经过温度冲击实验后材料的变化不会对整个总成的机械性能、防水性能、电性能造成影响。

3 总结

通过以上分析,我们能够清晰地认识到在汽车上对于不同环境温度、使用功能、安装位置在选择连接器时都不相同。从连接器的使用角度上分析,各使用环节关注连接器性能侧重点也不同,对于线束装配现场,他们更关注连接器的机械性能,例如端子的插拔力、TPA的保持力、装配力等;对于整车装配现场,他们更关注连接器与连接器之间的机械性能,例如连接器的装配力、解锁力、连接器CPA装配力等;对于整车性能要求,更关注连接器的耐久性能。但是连接器厂家、汽车连接器选型工程师更应该对连接器有一个全面的性能掌控,才能更加合理地选择,运用连接器并保证连接器在电气回路中的稳定性、安全性。

(本文来源:《汽车电器》,作者:李强, 舒世燕, 王大然, 张永威, 王永安,河南天海电器有限公司)

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