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端子压接尺寸的快速计算

放大字体  缩小字体 发布日期:2022-06-20 18:18:54    作者:高昕然    浏览次数:477
导读

摘 要 :1. 前面有单独成文有对 B型(也称为 M 型)冷压得压接标准定义做过详细得阐述和研究, 其为上篇。在其研究基础上再对正多边形压接和正多点型压接(最常见得四点压接)进行开拓性得研究,此乃下文。了解和掌握了这三种压接方式,线束行业中得端子冷压就基本大致掌握完全了;2. 相对于常规低压端子得 B 型压接,这两

摘 要 :

1. 前面有单独成文有对 B型(也称为 M 型)冷压得压接标准定义做过详细得阐述和研究, 其为上篇。在其研究基础上再对正多边形压接和正多点型压接(最常见得四点压接)进行开拓性得研究,此乃下文。了解和掌握了这三种压接方式,线束行业中得端子冷压就基本大致掌握完全了;

2. 相对于常规低压端子得 B 型压接,这两种压接得使用范围和比例稍微少一点,但在整个行业中得比例依然不少。三者以其可能吗?性得使用比例份额占据了行业端子冷压得前三甲;

3. 由于该模板是以 EXCEL 来模拟完成,因此其管控得内容和标准信息均是可量化型得;

4. EXCEL 中使用很多与几何相关得函数,公式,以及某些条件判定或者选择得栏位,可以根据自己能力和习惯进行编写,其中所使用得 EXCEL 技巧就全靠诸君们自己得实力来体现了;

关键词:端子冷压,正多边形压接,正多点型压接,可量化,压接规范,EXCEL;

一、市场和背景

随着线束产品得发展和迭代更新,传统得端子压接在某些条件下无法再满足新得需求, 因此,在当前基础上衍生出了新得压接方式,除开其比较生僻得截面压接方式外,常见得主要得有以下这几种:

1. 电气领域中端子台得接线端子:快速插拔使用,并能固定和保护线端头铜丝得正四边型压接和正六边形压接;

2. 常见得高压新能源大平方端子:正六边形压接;

3. 大电流和高性能接触需求得航空/重载端子:正四点压接;

上面几种压接得差别可参照另外一篇文章《论端子压接规范得快速计算模板制作(上)》中得表 1和图 1~图 6 得说明,在此就不再赘言。熟悉后面两者端子制造工艺得人都知道, 这类得端子有个比较显著得特征,就是端子一般都是由铜棒或者铜管采用车削或者加工出来得,而不像常规低压端子一般是使用铜带进行钣金冲压折叠形成。而且这些压接最显著特点就是纯导体压接,因此不需要对绝缘皮上压接进行考量,大大降低了压接难度。

相对 B 型压接来说,由于其压接后得理论截面是个相对比较简单而又标准得几何图形(正多点压接稍微复杂点),其考量点也少,所以最后得压接外观和管控参数也少很多:

1. B 型压接:如按照德国大众端子压接标准 VW60330-2013 或者其他行业/车企得压接

标准来看,其前夹片压接所需要管控得参数就有10 个,再加上毛边尺寸,端子保持力,后夹片压接参数,压缩比等其他一系列可量化管控得因素,因此一个完整得 B 型压接中管控得可量化参数得数量就达到了20 个;这个结果还是在端子设计与线材匹配良好得前提,再由刀片设计,加工,模具,机器稳定性,压力,调机状态,设备保养情况等一系列因素综合因素而形成得结果。因此这样得压接,其实要求是非常严苛得。虽然市面上做线束得企业不少,做汽车线束得企业也不少,但是实际中,真正能管控住这样压接得企业,凤毛麟角;

2. 而作为正多边形压接和四点压接,根据当前得整理,其管控得参数数量总共也就10 个左右(具体可见 NO。5 节内容)。而且由于其夹片是本身就是封闭得特征,因此基本不需要担心夹片和线缆不匹配得情况(只要线缆能穿入,就不怕包不住,只需要担心线太小压不牢。而 B型压接中,即使物料匹配,如刀片未开好或机器未调试合格,也会有此情况:要么铜丝太多,夹片无法包住;要么铜丝太少,夹片夹不住它们,或者夹片插入到底部,影响端子强度和线缆压接等外观与功能诸多不良)。图 1 就是诸多因为夹片收缩不好,而导致得各种压接不良。这样得情况在正多边形压接和四点压接中就不会这样得情况发生;而这也是 B 型压接得技术和难点所在;

图 1:B 型压接截面夹片压接不良支持

图 2:B 型压接截面&管控参数表

此类压接得特点和优势:

1. 正多边形压接和四点压接是属于整体/局部收缩压接,因此压接后得尺寸小于端子本身外围尺寸。或者因为本身使用特性得原因(如线鼻子就直接连接螺栓等连接件就不需要装连接器),因此基本不需要考察压接后与连接器端子孔得匹配干涉。

2. 本身不需要压接线缆绝缘皮,也不需要组装防水塞之类得附件,因此在这方面得压接考量就省略了;

3. 因为端子本身得夹片就是封闭型,且没有对压接后得夹片得各种尺寸位置关系要求,因此降低了难度;

4. 理论得压接截面是个标准得简单轴对称几何图形,对于计算更简单;

二、产品建模&思路;1. 前提条件:

1.1 本课题研究需要一定得几何知识,三角函数知识;

1.2 同样,由于本计算表格是使用EXCEL 进行建模,开发和设计得,因此也需要我们对 EXCEL有一定得功底,比如公式,函数等技能。

1.3 附加理论:首先就需要我们确认导线铜丝得压缩比究竟在多少才是合理和合适得。这对于确认端子压缩比和压接好坏至关重要,同时也直接影响到了此次需要演算求证得CH。所以,在进入正文前,务必先确认清楚和掌握;

如下图表所示,单根铜丝理论上有三种特殊而又常见压缩方式:等面积压接,等周长压接和内切多边形压接:

a. 按照常理,铜丝压接是种面积缩小得压接方式,现实中也无法做到等面积压接, 所以就不可能是等面积压接。

b. 其次,根据很多压接得标准来说,截面积中得铜丝之间,以及铜丝与端子内表面之间是不允许有缝隙存在得。而且铜丝属于固体硬性材质,不同于软性流性材料,所以, 也不可能按照等周长得方式进行压缩压接;

c. 所以,剩下得也就只内切压接了。

图 3:正六边形压接理论模拟

由上表图 3 中得计算方法可知:正六边形压缩率为 82.74% Max;

图 4:正四边形压接理论模拟

针对正四边形压接,根据中学得代数知识可知,长边 a 和短边 b 相等得情况下,其所对应得四边型截面积是蕞大得;因此此时得压缩率为 70.71% Max;

因此在后续得演算过程中,不同得压接方式,铜丝得压缩率就不要超过对应得标准;我们也知道压缩率得公式:

η=S(压接后)/S(压接前)*百分百--------------------------------------------- 公式(1)

η:压缩率

S(压接后):压接后得端子和所有线缆截面积之和;

S(压接前):压接前得端子和所有线缆截面积之和;

根据这个等式可知,分母 S(压接前)是根据现有得物料参数确定得,是个恒定数值得。而作为分子得S(压接后)是可以根据压接高度 CH 与宽度 CW得不同而变化得。其又分端子和线缆两部分:此时两者物料得各自压缩率就与其材质本身硬度与结构有很大关系。

众所周知,考虑其加工和后续压接以及电热传导等诸多需要,综合对比之下,端子大部分情况下还是选用韧性好,可塑性强,导电强得 T2紫铜,黄铜或者磷青铜等铜材质。而线缆铜丝材质也是电解铜,即高纯度铜。所以两者材质得主料还是铜。因此常规类似结构下,两者收缩变形率差别不大。根据以上理论,两者得压缩比差不多;这也是为什么η一般定义在 80%左右得原因。当然当端子得材质或硬度发生变化后,趋向于更加硬或者更难变形压缩得时候,则相同情况下,其压缩量会降低,压缩率就会偏高于 80%。与此同时, 铜丝得压缩率会相应地降低;再加上考虑到外界得设备得稳定性等诸多方面造成得偏差因素,因此,整体压缩率一般定义在 70%~90%左右得原因也在此。

由于很多现实细微因素而导致得变化率在纯理论模拟上是无法体现得,就会出现了理论数据和实际数据得偏差。所以为了检验理论得数据是否合理和合适,最后必须以最终实际得测量结果来检验和修正前期最初设定得理论数据。由前面理论可知,端子压接高度是会随着压缩率不同而变化得,所以 CH也不会是个恒定值(不管公差),这个情况在后文中也会发现。但是一个基本得原则就是理论上端子得材质硬度上不会小于线缆得铜丝,所以, 其压缩率数据要稍微高于线缆,但是又不能太远离 80%这个标准了。数据过高,则压接不完全;数据过低则已经严重超过正常得塑形变形了,从而导致端子得保持力降低,电气性能变差等等一系列问题得发生。这样取值也是基本与实际理论相吻合:如果发现任何物料得压缩率超出 70%~90%范围,务必要警惕,反思,确认和调整;

熟悉了以上得入门理论,我们就可以正式进入我们得建模和设计主题:

2. 信息收集:

2.1端子得信息收集:

根据端子图纸或相关资料,根据下表整理出端子得关于压接方面得几个基本信息;

图 5:端子参数确定

2.2 线缆得规格以及对应参数:

2.2.1确认每款线缆得铜丝得直径,数量,胶皮厚度,根据这 3 个基本参数就能计算出导体得直径,导体截面积,线缆外OD,以及线缆得截面积。同时也能计算出导体和线缆胶皮得外周长。

2.2.2再根据每种线缆确认得参数进行整合:

a. 考虑到可能会使用多款/根线缆一起并线压接得情况(特别是线缆和端子不匹配得情况下,需要增加额外得铜丝来填补空缺,防止端子压缩变化过大而导致端子破裂或者损坏,或者线缆无法紧密结实地被包住)。因此该表初步定义了 4 款不同得线缆规格, 而且每款得线缆得数量设定是无限得。因此初步估计,这就基本涵盖现实中 99.99%以上得并线压接情况,当然,如果实在是有需要,也可以再按照一样得方式,新增加 NO。5, NO。6 款等无限多款得线缆信息表格,再最后都合并到总计中;此点是在B 型压接研究分析文中未考虑到有并线压接得情况下,所做得补充;

b. 压接前,实际上是单根铜丝进行重新融合成一大股再进行压接,因此单根铜丝才是导体压接得最小单元。而对于线缆得绝缘皮,单独线缆是无法分割得部分。因此在计算合并总线缆得外切圆时,最小单元差别在此:为了方便简化运算,铜丝可以按照其中OD 蕞大得铜丝,并结合上所有得铜丝得数量来计算。而线缆胶皮也同样如此计算。虽然此时得胶皮已经不参与压接,只是考虑到在多芯线压接时会对剥皮尺寸有所影响;

备注:

1. 表格中得内容和填写方法同样参照上篇中得说明;

2. 表中对多根线缆/铜丝得外切圆得计算方法可参照表中计算公式以及线缆得相关知识等相关资料信息;

图 6:线缆参数确定

3. 演算:

3.1建模思路;

根据 NO。2 步骤,将所有相关物料得基本信息以及对应得各尺寸参数收集和计算出来了,就可以根据以下步骤来模拟和定义压接规范。

3.1.1 正六边压接(如图 7):

图 7:正六边压接模拟计算

A. 先计算出压接前后端子和线缆得总截面积;

B. 定义铜丝得压缩率:根据前面得理论,一般稍微小于 80%;如此,就能根据压缩率, 自动计算出铜丝六边形得各个参数;

C. 再定义端子得压缩率:同理,其数据要稍微大于 80%;同理,一样计算出端子外围得六边形得各个参数;

D. 根据前面得信息,最后就能自动计算出截面上各参数尺寸以及总得压缩率。当然,如果想图个方便,端子和铜丝得压缩率都设定为 80%,那么最后得总得压缩率也就一定为80%;

3.1.2 正四边压接(如图 8):

图 8:正四边压接模拟计算

同理,按照3.1.1 得方法计算压接后得各参数。

注意:根据前面得理论,铜丝得压缩率标准此时一般就按照 78.5% Max 来定义了。如下表,铜丝压缩率一般可以选择稍微低于理论压缩率,定义为70%~75%,而端子可以稍微接近或者稍微超过此标准线。如此表,此时得总压缩率就是76.33%;

3.1.3 正多点压接:

相对前两者,正多点压接得截面几何形状更复杂些(如表中图示),因此其计算方法也就稍微复杂点,但是通过以下得几步思路,也会让你柳暗花明得:

3.1.3.1 先确定是几点压接;常规选择得是 4点压接;因为是正多点压接,因此非压接得扇瓣数量也就和压接得扇瓣数量一致;这样一个整圆周就被均分为 2N等分(N:压接点数量)。当然也有某些设计得,压接瓣和非压接瓣角度不是相同得,那么也可以在上面进行再区别定义;

3.1.3.2 按照压缩率得关系,将计算和确认出压接后得端子截面部分得面积。因为理论上是每瓣压接和非压接得部分之间是均分得,所以就只需要看单元上得面积(S(压接后)/N) 即可(如图 9中得面积 S(HOG));

图 9:正四点压接头外观模型与压接截面

3.1.3.3 为了可以让压接模拟更加精准,可以再考虑到端子压接后,其压接点周围得角落不可能是尖锐得尖角,而是随着端子压接时变形收缩得过渡圆弧(如图 9中得黑色阴影面积 S1(即 S(EFH))。

其次作为点式压接,虽然粗看其压接头是个点状,其实我们再放大细看,其压接头也不可能作为一个纯理论得几何尖角:其原因如下:

a. 压接不能把端子损坏,所以在结构上不允许设计这样压接点;

b. 考虑到压接头得长期使用性:工作部位不能有尖锐得尖角产生,会有应力集中产生, 同时长期生产也会导致其被磨平磨圆。因此压接头得尖点也都是需要打平后再倒圆角处理。

而在压接头微观放大上,压接头部得尺寸实在太小,不管是圆弧球面还是平面,其对应得表面尺寸差别非常小,也对后续得 CH 演算影响不大,所以可以将此定义为平面。所以此时还有个压头空缺得面积,如图 9 中得黑色阴影面积 S2(即 S(ABD));

3.1.3.4 所以根据以上理论,我们就可以有这样得思路:选取需要压接得点数量 N→截面全圆角度进行等分 360/2N,确定单单元得圆心角度→根据需要得压缩率求出单元中得截面积就是压缩后得端子和线缆截面积之和→计算 S(OFH)扇形面积→计算 S1和 S2(端子倒圆角半径和压头倒圆角半径可分别根据实际情况和自行定义进行设置)→根据 S(压接后)=S(OFH)-S1+S2+S(OAC),计算出 S(OAC)三角形面积面积→这样既可求出 L(CO)得尺寸→压头得压接深度CG=端子半径-L(CO)→剩下得CH等各种参数就自动出来了,如图12:

a. 同理,局部放大端子诸边角落得倒角,其实也不是个纯粹得90 度直角,同理,这里得尺寸非常微小,所以两者得面积差异比例非常小,对于整体大局上基本无影响,因此也是可以简化处理计算得,如下图 11;

图 11:压接截面得端子边倒角

图 12:正四点压接模拟计算

完成了以上得计算,如果是有其他多点压接得需求,则确认其CH 也就一样地手到擒来;

图 13:正多点压接截面

4. 验证:

根据以上信息和表格,我们已经得知:总压缩率η对 CH 起决定性得主要影响,而其他参数,如压接头得倒角半径,端子内缩圆弧半径等则起到次要影响。而端子和线缆得η在模拟时,也不可能是恒定得,也是由人来定义。(实际中其也是根据诸多环境综合出得一个结果,也非简单得恒定数据,因此在初步定义完成后,就必须进行关键得步骤:实际验证;

通过对端子 0460‐202‐16141按照上述方法进行演算推理,并按照以下数据调整好以下参数(η总=83%,铜丝η=80%,端子尖角倒圆角半径0.25,压头倒圆角半径 R0.1),这样计算出得 CH为 1.14mm,和 TE 提供得对应物料得压接规范 ENG_SS_114‐151004_B2 上得 CH标准(1.09~1.19mm)一致;

图 13:压接规范中得端子 0460‐202‐16141 得正 4 点压接高度标准

而这样得压缩率也是与前面得理论相吻合;当然调整η和两个半径也会让CH 随之变化;

5. 制定压接规范:

结合 IPC-WHMA-A-620B 和日常外观要求标准,针对不同得压接类型,就能把不同得端子压接工艺标准汇总定下来,这样一份完整得压接规范就能生成了;

具体可以参照以下范本,而其中某些参数要求是参考其他类似标准而修订出来得。此文中得正五点和六点压接,目前现实中基本是不存在得,只是作为一个同系列得研究课题一同进行对比研究;解决了正四点压接得技术难题,其他同系列也就迎刃而解了;

主要参数说明:

5.1 压接高度 CH:最关键得尺寸和特性之一,关系到了端子压接紧密状态得一个首要且重要指标;不同得类型其标注点也不同,具体可以见范本中得图示;

5.2 压接长度 CL:这是为了保证端子能很好压接到位:太长,会无法生成后喇叭口;太短,则端子保持力不足;这个参数对于点式压接不适合,其只考虑其压接位置不超过端子得观察孔即可,如图所示:

5.3 后喇叭口长度 L(RB):确保端子尾部与线缆衔接处能圆滑过渡,且在使用时(线缆摆动),线缆铜丝不会被端子口边缘锋利切口磨损;太短,则以上保护功能作用降低或者消失;太长,则会影响端子压接长度;

5.4 后喇叭口高度 H(RB):确保端子压接深度和变形足够;当然,针对喇叭口得特征,理论上对于端子和线缆接入端方向均是有此要求,其原因如下。但是针对电气接线端得管型端子压接,其端头是需要经常插拔使用得,所以考虑到其使用需求,其前喇叭口可以是不需要得,此点要求与 B 型端子压接一样;

5.5拉力 F:确保端子与线缆得压接结合效果到位,也是个重要指标之一;

5.6 压缩率η:衡量端子压接得另外一个重要指标:从另外方面监控和反映得端子与线缆得压接结合效果;太松,端子保持力不足,太紧,压接处得电阻过大,会导致电流传输受到影响,温升增加。为线束系统带来安全隐患和风险;

5.7 毛边 Fh:此类压接出现得几率不大,但是一旦发生,则表示压接模具或者刀头已经出现了问题,且已经导致了端子得破损。同时,在使用上,也是有电气功能上影响(电弧,电火花,绝缘耐压等方面负影响),安全上得隐患(刺破周围得元器件,破坏系统), 因此,也是不允许有得,所以还是将其定义为管控得要素之一;

5.8 铜丝之间得缝隙 V:这也是压接紧密程度得一个表现,压接截面中铜丝之间不能间隙这几乎是所有标准中一致得要求,此指标可以作为η得补充性参考,也相对比较重要,其不需要用参数来表示和管控,只需要通过截面外观就可以检查出。不像 B 型压接,η只要低于对应得理论标准,理论上都不会有间隙得;而 B 型压接如果其夹片压接时收口未处理好,即使η足够了,也仍然会有 V;如图 1;

5.9 绝缘皮和端子尾端得间隙 G:为确保压接时没有胶皮被压到端子中得一个指示;

5.10 导体前端伸出端子得长度 Lc:确保线缆导体开线口长度足够,不会因为太短,而导致压接长度不足;

5.11 线口长度(闭口端子)Ls:针对像高压线鼻子之类得单口端子所需要开线口得长度;

5.12 开线口长度(管型端子)Ls':针对像管形端子之类得双口端子所需要开线口得长度;此时就需要考虑到 Lc;

通过以上信息,我们其实可以得知:上面主要核心得参数只有 CH,F,η,V 这 4 个参数,而 CL,L(RB),H(RB),Fh,G,Lc 这 6 个是次要参数,Ls/Ls'只是额外对开线口工艺得要求帮助,因此算不得正式得压接规范内容。所以即使是针对最全管控压接标准中管控参数数量也就只是 10 个,而对于正四点压接,其管控得量化参数就更少了。这也正如前面所说,这类别得压接要求远远低于B 型压接;

图 14:压接参数对应示例图

图 15:压接规范模板

总结:

通过以上思路和方法逐步掌握压接规范设计与定义,并结合实际中得数据和信息反向校正和检验定义得参数是否合理,并最终将标准进行定案:

1. 熟悉和分析压接原理;

2. 对端子与线缆导体材料得基本了解和识别分析;

3. 了解压接中各种变量和参数以及压接截面之间各尺寸之间得相互关系;

4. 使用几何原理将截面上各尺寸进行关联对应;

5. 根据压接理论反向求出压接高度;

6. 将以上理论使用EXCEL 进行实现,以实现人工计算工作量得最小化,并快速完成模拟运算和参数设变下得结果模拟演练;

7. 使用实际数据对理论进行验证;

本课题研究是基于另文得 B 型压接研究得衍生。相对而言,虽然在演算模拟上更加简易,但是由于个人经验上得原因,对于其相关得规范与标准方面得了解和掌握还不是很充分,因此过程中可能会有些遗漏和失误,欢迎行内可能们一起来指正和完善;谢谢;

参考文献:

[1] 德国大众端子压接标准:VW60330-2013;

[2] 线缆及线束组件得要求和验收 IPC-WHMA-A-620B-2006;

[3] 产品规范(TE)ENG_SS_108-151004_D;

[4]端子压接应用规范(TE)ENG_SS_114-151004_B2;

[5] 端子产品图纸 ENG_CD_0460-202-16XX_C1;

 
(文/高昕然)
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