一种电连接器线束连接方法及电连接器结构与流程

本发明属于线束连接和电连接器及时领域,尤其是涉及新能源汽车中大电流、高压线速的连接技术。

背景技术：

随着智能化、电动化和网联化成为汽车的发展趋势，新能源汽车行业取得了快速发展。作为电流和信号传递的基础元件，电连接器在新能源汽车中有着广泛使用。连接器的结构是否合理对于汽车电气、电子设备连接的可靠性和安全性有着重要影响。

连接器结构主要是通过插头端子和插座内端子之间保持足够多的接触面积和足够大小的接触力来实现电流的正常畅通。端子间接触力较小时，接触电阻上下限的差别高达10倍之多，当接触力达到一定值后，端子接触点微点从弹性变形过渡到塑性变形，接触电阻就基本保持不变。现有的大电流连接器结构主要是通过插头和插座内的端子之间保持弹性接触来保持电流的正常畅通，通过端子结构的变形实现接触力的变化。通常情况下，插座端子具有较好的弹性，插头端子为刚性元件。当插头插入插座时，插头端子与插座端子之间的过盈配合使得插座端子发生弹性变形，从而使得连接器接通。因此，插座端子弹性性能和端子之间接触力的大小决定了连接器的可靠性。

对于大电流、高压线束的连接，这类连接器的结构要求材料同时具备较好的导电性和弹性。然而，现行连接器端子材料中，弹性好的材料如铍青铜，其导电性相对较差，导电性好的材料如：铜、黄铜等的弹性较差，连接器可靠性的提升受到材料性能的限制。同时，弹性好的端子材料价格可能高数倍，导致这类弹性端子连接器材料成本也较高。

随着连接器使用时间的增加，特别是处于在电动汽车运行中长期振动、冲击环境下，现有这类连接器中弹性端子间的接触力将逐渐变小，疲劳和应力松弛还造成弹性端子出现塑性变形或接触电阻增大，造成温度升高，连接器将出现失效。另外，振动和冲击载荷导致的端子变形，由于接触区域较小，这类连接器在还有可能发生瞬断。这些连接器故障给新能源汽车的运行造成了安全风险。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种电连接器结构,可以在保证电流承载能力的情况下,降低对连接器材料力学性能的要求,连接器寿命周期内可以保持接触力不变,增强线束连接的可靠性,具有良好的应用前景。

本发明的另一目的是提供一种电连接器线束连接方法，可以使线束连接更为可靠,连接性能保持不变,可以提升连接器的安全性。

本发明的技术解决方案是：一种电连接器结构，包括插头部、插座部和恒力装置，其中插头部内设有固定连接的插头端线束接头和插头导电元件，插座部内设有固定连接的插座导电元件和插座端线束接头，当插头部与插座部连接时，插头导电元件位于插座导电元件内，且恒力装置用于将插座导电元件约束固定在插头导电元件外。

插头端线束接头与插头导电元件建立稳定的连接，插座导电元件与插座端线束接头建立稳定的连接，当插头部与插座部连接时，插头导电元件位于插座导电元件内，通过恒力装置拉紧插座导电元件并固定在插头导电元件外，插头导电元件和插座导电元件之间的接触力通过恒力装置提供的主动力进行约束，不受导电元件本身的弹性变形限制，且接触力可以保持较大，在工作过程中，由于恒力装置提供的作用力保持不变，进而导电元件之间接触力也能稳定保持，不受工作状态的外力影响，在振动和冲击环境下，可以有效避免发生瞬断，保持充分连接。恒力装置提供的恒力或恒定扭矩使插头导电元件和插座导电元件之间产生设定数值大小的接触力。并且，恒力装置内部恒力作用机构产生的弹性变形，远大于连接器工作过程中振动和冲击载荷使导电元件产生的变形。

所述插头导电元件呈圆柱状体，所述插座导电元件为螺旋形片状体。螺旋形片状体的结构简单，对材料要求不高，接触面积大，连接的稳定性高。

所述插头导电元件呈圆柱状体，所述插座导电元件为并联设置的若干个螺旋形片状体。多个螺旋形片状体可以增加与插头导电元件的接触面积，同时减少对插座导电元件的材料限制。

所述插头部内的插头端线束接头与插头端线束固定连接；所述插座部内的插座段线束接头与插座端线束固定连接。线束与接头分别固定连接，整体结构强度高，抗冲击能力高，使用工作稳定。

所述恒力装置包括一端连接在所述插座导电元件上的拉伸弹簧，拉伸弹簧的另一端固定在所述插座部内。拉伸弹簧结构简单，拉力值设定可控。

所述恒力装置还包括滑槽、可沿滑槽运动的滑块，所述拉伸弹簧的另一端固定在滑块上。通过滑块运动可以是拉伸弹簧位于不同的位置上，从而提供不同大小的拉力值，实现拉力大小的调整，方便根据不同的工作状况设置连接器内导电元件接触力大小。

在所述拉伸弹簧外设有套筒。避免拉伸弹簧收到径向外力导致弯曲，影响拉力恒定。

所述恒力装置包括套设在所述插座导电元件外的弹性拉绳。拉绳可以直接套设在导电元件外，不用直接与导电元件连接，进一步减少对导电元件使用材料的限制。

所述插头导电元件包括呈圆台体的楔形块、设置在楔形块底部的滑块，所述插座导电元件包括垂直截面呈倒梯形且与楔形块相配合的嵌合部、设置在嵌合部内底部的导电圆板、设置在导电圆板和所述插座端线束接头之间的导电弹簧，在嵌合部顶部边缘设有带缺口的旋转槽，缺口与滑块形状相配合，滑块可容置在旋转槽内，所述恒力装置包括设置在导电圆板和所述插座线束接头之间的若干个螺旋弹簧。楔形块与嵌合部可以实现面接触，增加接触面积，在导电弹簧和螺旋弹簧弹力作用下，使导电元件之间产生足够大的接触力，连接稳定可靠。

所述插头导电元件为表面设有若干轴向花键的柱状体，所述插座导电元件表面与所述插头导电元件的端部表面相配合，所述恒力装置包括中空的花键套筒、设置在所述插座部内呈圆周阵列分布的若干个弹簧轴、若干个一端固定在弹簧轴上的发条弹簧，发条弹簧的另一端固定在花键套筒外表面上，花键套筒可转动设置在所述插座导电元件上。插头导电元件插入花键套筒内，其表面轴向花键可分别与花键套筒、插座导电元件相配合，从而实现与插座导电元件相连接，发条弹簧可在花键套筒外表面形成转动力矩，提供恒力维持在插座导电元件和插头导电元件上，恒力装置提供的恒定扭矩使插头导电元件和插座导电元件之间产生设定数值大小的接触力，并且恒力装置内部恒力作用机构产生的弹性变形，远大于连接器工作过程中振动和冲击载荷使导电元件产生的变形。

所述插头部和插座部上分别设有相配合的锁扣装置。通过锁扣装置将插头部和插座部物理连接，进一步提高电连接器的稳定性。

本发明的另一技术解决方案是：一种电连接器线束连接方法，包括以下步骤：①、根据导电元件接触电阻和接触力之间的关系模型，计算获得插座导电元件和插头导电元件之间接触力的最小设计值；②、根据接触力的最小设计值，计算获得恒力装置需提供的最小恒力数值；③、根据所需最小恒力数值，设计可提供大于等于最小恒力数值拉力的恒力装置；④、组装插头部，将插头端线束、插头端线束接头和插头导电元件顺次固定连接；组装插座部，将插座导电元件、插座端线束接头和插座端线束顺次固定连接；⑤、设置恒力装置，当插头部与插座部连接时，插头导电元件位于插座导电元件内，使恒力装置将插座导电元件约束固定在插头导电元件外。恒力装置提供的恒力或恒定扭矩使插头和插座导电元件之间产生设定数值大小的接触力。并且，恒力装置内部恒力作用机构产生的弹性变形，远大于连接器工作过程中振动和冲击载荷使导电元件产生的变形。

在步骤③中，还包括设计可调节恒力装置作用力大小的调节装置的步骤。

本发明的优点是：导电元件的弹性性能不再是影响连接器性能的关键因素，连接器可以采用导电性能好且成本低的材料；插头导电元件与插座导电元件之间的接触力由恒力装置提供的主动力进行约束，不受导电元件弹性变形限制，接触力较大且可以长期保持，导电元件之间的接触面积大，并且能有效避免结构应力松弛、磨损带来的连接器失效，连接后即便是在振动和冲击环境下也能有效避免瞬断发生。

附图说明

附图1为本发明实施例1的结构示意图；

附图2为本发明实施例1中插座部的结构示意图；

附图3为本发明实施例1中插头部的结构示意图；

附图4为本发明实施例1中恒力装置的结构示意图；

附图5为本发明实施例1中导电元件之间的受力分析简图：

附图6为本发明实施例2中恒力装置的结构示意图；

附图7为本发明实施例2中恒力装置的原理示意图；

附图8为本发明实施例3的结构示意图；

附图9为本发明实施例4的结构示意图；

附图10为图9中a-a向剖视示意图；

附图11为本发明实施例5中插座部的结构示意图；

附图12为本发明实施例5中插座部的内部结构示意图；

附图13为本发明实施例5中插头部的结构示意图；

附图14为本发明实施例5中插头部的内部结构示意图；

附图15为本发明实施例5中恒力装置的原理示意图；

附图16为本发明实施例6中插座部的结构示意图；

附图17为本发明实施例6中插头部的结构示意图；

附图18为本发明实施例6中恒力装置的结构示意图；

附图19为本发明实施例6中恒力装置的剖视结构示意图；

1、插头部，2、插座部，3、插头端线束，4、插头端线束接头，5、插头导电元件，6、插座导电元件，7、插座端线束接头，8、插座端线束，9、恒力装置，10、插头锁扣，11、插座锁座，12、拉伸弹簧，13、滑槽，14、滑块，15、定位块，16、套筒，17、转轴，18、连接块，19、支撑座，20、转动框架，21、侧壁安装螺钉，22、调整螺母，23、固定销轴，24、拉杆，25、转动连接，26、拉杆螺栓，27、弹簧，28、安装螺钉，29、载荷螺杆，30、固定框架，31、主轴，32、载荷螺栓，33、松紧螺母，34、第二插座导电元件，35、第三插座导电元件，36、拉绳，37、旋转槽，38、楔形块，39、滑块，40、嵌合部，41、导电圆板，42、导电弹簧，43、缺口，44、螺旋弹簧，45、螺旋弹簧，46、弹簧轴，47、发条弹簧，48、第一定位标识，49、第二定位标识，50、第三定位标识，51、花键套筒。

具体实施方式

实施例1：

参阅图1-4，为一种电连接器结构，包括插头部1、插座部2和恒力装置9，其中插头部1内设有顺次固定连接的插头端线束3、插头端线束接头4和插头导电元件5，插座部2内设有顺次固定连接的插座导电元件6、插座端线束接头7和插座端线束8，当插头部1与插座部2连接时，插头导电元件5位于插座导电元件6内，且恒力装置9用于将插座导电元件6拉紧固定在插头导电元件5外。在插头部1上设有插头锁扣10，在插座部2上设有插座锁座11。

恒力装置9包括滑槽13、可沿滑槽13运动的滑块14、设置在滑槽14侧边的定位块15、转轴17、拉伸弹簧12，拉伸弹簧12的一端通过连接块18连接在插座导电元件6上，另一端固定在滑块14上。通过滑块14运动可以使拉伸弹簧12位于不同的位置上，并通过定位块15定位，从而提供不同大小的拉力值，实现拉力大小的调整，方便根据不同的工作状况设置连接器内导电元件接触力大小。拉伸弹簧12长度最小时，插座导电元件6处于初始位置，与插头导电元件5保持间隙配合。拉伸弹簧12外设有套筒16，可以防止拉绳弹簧12承受径向方向载荷而产生弯曲。连接块20可以使用与插座导电元件6不同的材质，可绕转轴17转动，以保持插座导电元件6保持水平运动。为进一步防止插座导电元件6左右摆动，在恒力装置9上设有支撑座19。

一种电连接器线束连接方法，包括以下步骤：

1、根据接触电阻与接触力的关系模型等信息，计算连接器导电元件之间接触力的目标设计参数；下式为一个计算接触力的常用经验公式：

f＝(k/rj)^1/m/0.102(1)

式中，f为接触力；k是与接触材料和表面状况有关的系数，由实验给出，辟如铜-铜接触，k值范围取80-140之间；rj是接触电阻；m是接触形式有关的系数，辟如对于点接触，m＝0.5，对于面接触，m＝1。由式(1)可求得连接器需提供的最小接触力数值。

2、基于连接器导电元件接触力的目标设计参数要求，计算恒力装置需提供的最小恒力数值；

在忽略摩擦力和插座导电元件弯矩的条件下，导电元件受力分析如图5所示：其中f为导电元件之间接触力；t为恒力装置所需提供的拉力，可得t＝f/cosα。

3、基于步骤2中计算出的最小恒力数值，确定恒力目标数值，设计和制造恒力装置；本实施例中，恒力装置的结构如图4中所示，在工作过程中，拉伸弹簧12的伸长量远大于(10倍以上)插座导电元件6的伸长量，也远大于振动和冲击作用造成插座导电元件6产生的位移。拉伸弹簧12的伸长量在工作过程中基本不变，即恒力装置向插座导电元件施加的拉力基本不变。

该结构中，存在以下关系：

t1＝t2·cosβ(4)

式中，t1为插座导电元件6承受的作用力(恒力目标数值，大于或等于最小恒力数值t)，e为插座导电元件6的材料弹性模量，a为插座导电元件6横截面的面积，dl为插座导电元件6的伸长量，l为插座导电元件6的初始长度，t2为拉伸弹簧12的拉力，g为拉伸弹簧12的切变模量，d为拉伸弹簧12的线径，x为拉伸弹簧12的伸长量，d为拉伸弹簧12的中径，n为拉伸弹簧12的有效圈数，β为拉伸弹簧与插座导电元件延长线的夹角。

由式(2)-(4)可以算出：

若设置t1为200牛顿，导电元件和拉伸弹簧均为黄铜(弹性模量约为106gpa，切变模量约为40gpa)，a为4平方毫米，d为15毫米，n为8圈，d为2毫米，l为1米，β为45度。则可计算出拉伸弹簧12的伸长量x是导电元件伸长量dl的200倍以上。工作过程中振动和冲击作用带来的扰动，相对于拉伸弹簧12的伸长量x也是一个非常小的数值，弹簧拉力能够保持基本不变，即插座导电元件6承受的拉力保持基本不变。

4、组装插头部1，将插头端线束3、插头端线束接头4和插头导电元件5顺次固定连接；组装插座部2，将插座导电元件6、插座端线束接头7和插座端线束8顺次固定连接；

5、设置恒力装置9，当插头部1与插座部2连接时，插头导电元件5位于插座导电元件6内，使恒力装置9将插座导电元件6拉紧固定在插头导电元件5外。

本实施例中的拉伸弹簧12也可以使用恒力发条弹簧替代。

实施例2：

参阅图6-7，为另一种电连接器结构，其与实施例1的区别在于恒力装置9结构不同。转动框架20可以在固定框架30中绕主轴31转动。恒力装置9外壳通过侧壁安装螺钉21和安装螺钉28与插座部2相连。转动框架20一端与插座导电元件6连接，且插座导电元件6可以绕转动框架20上的轴转动。弹簧27固定在恒力装置9上，弹簧力由拉杆螺栓26、转动连接25和拉杆24作用到载荷螺杆29上。根据插座导电元件6与插头导电元件5之间接触力的要求，恒力装置9设定好弹簧27的初始位置，并用固定销轴23限定位置。当插头插入插座至设定位置后，拨出固定销轴23，恒力装置9的作用力将施加至插座导电元件6上。通过调节松紧螺母33在载荷螺栓32上的位置，可以调节拉力大小。

连接器的工作过程中承受振动和冲击作用，但是恒力装置作用在插座导电元件6上的拉力大小能保持基本不变，其工作原理参阅图7。图7中o点为主轴31中心位置，a点为导电元件绕转动框架20转动的轴心，b点为拉杆24与载荷螺杆29的交点,c点为弹簧27原始长度时末端中心位置。f1为导电元件对恒力装置9的拉力，f2为弹簧29对载荷螺杆29的拉力，f1和f2绕o点转动的力矩大小相等，方向相反。即有：

f1·oa·sinα1＝f2·ob(6)

上式中oa为o点到a点的长度，ob为o点到b点的长度。可以证明，当图中结构满足条件α1角与β1角相等时(一般设定为60度)，存在以下关系：

f1＝(k·ob·oc)/oa(7)

上式中，k为弹簧刚度，oc为o点到c点的长度，均为常数，可知f1在恒力装置设计完成后保持不变。

实施例3

参阅图8，为又一种电连接器结构，其与实施例1的区别在于插座导电元件6，插座部2内设有并联设置且分别呈螺旋形片状体的插座导电元件6、第二插座导电元件36、第三插座导电元件37，插座导电元件6、第二插座导电元件36、第三插座导电元件37分别与恒力装置9连接，在恒力装置9拉力作用下，可以紧贴在插头导电元件5外。

实施例4

参阅图9-10，为本发明的一种电连接器结构，其与实施例1的区别在于：所述恒力装置9包括套设在插座导电元件6外的弹性拉绳36。拉绳36可以直接套设在插座导电元件6外，插座导电元件6为套设在插头导电元件5外的筒状体，筒体表面间隔设有轴向的间隙，在拉绳36的作用下，可以向内缩进变形，从而紧贴在插头导电元件5外，实现紧密接触。由于拉绳36不用直接与导电元件连接，进一步减少对导电元件使用材料的限制。

实施例5

参阅图11-15，为本发明的一种电连接器结构，包括插头部1、插座部2和恒力装置9，其中插头部1内设有插头导电元件，插座部2内设有插座导电元件6。本实施例与实施例1的区别在于：所述插头导电元件包括呈圆台体的楔形块38、设置在楔形块38底部的滑块39，所述插座导电元件包括垂直截面呈倒梯形且与楔形块38相配合的嵌合部40、设置在嵌合部40内底部的导电圆板41、设置在导电圆板41和所述插座端线束接头7之间的导电弹簧42，在嵌合部40顶部边缘设有带缺口43的旋转槽37，缺口43与滑块39形状相配合，滑块39可容置在旋转槽37内，恒力装置包括设置在导电圆板41和插座线束接头7之间的螺旋弹簧44和螺旋弹簧45。楔形块与嵌合部可以实现面接触，增加接触面积，在导电弹簧和螺旋弹簧弹力作用下，使导电元件之间产生足够大的接触力，连接稳定可靠。

将插头中滑块39与缺口43对齐后，将插头的楔形块38与插座的嵌合部40接触，同时使螺旋弹簧44、导电弹簧42、螺旋弹簧45产生压缩变形。当压缩量达到设定值时，滑块39与旋转槽37在轴向接触。此时转动楔形块38，使旋转槽37包裹滑块39。松开插头后，在螺旋弹簧44和螺旋弹簧45压力的作用下，导电圆板41和插头导电元件楔形块38之间产生足够大的接触力，进而达到连接器的设计要求。

在接触力达到设计要求指标时，导电弹簧42达到初始长度。螺旋弹簧44和螺旋弹簧45产生的压缩变形量，远大于(10倍以上)振动和冲击作用造成导电圆板41产生的位移，也远大于(10倍以上)嵌合部40和插头的楔形块38的变形量。另外，螺旋弹簧44和螺旋弹簧45的刚度也远大于(10倍以上)导电弹簧42的刚度。

一种电连接器的线束连接方法，包括以下步骤：

1、根据接触电阻与接触力的关系模型等信息，计算连接器导电元件之间接触力的目标设计参数；下式为一个计算接触力的常用经验公式：

f＝(k/rj)^1/m/0.102(1)

式中，f为接触力；k是与接触材料和表面状况有关的系数，由实验给出，辟如铜-铜接触，k值范围取80-140之间；rj是接触电阻；m是接触形式有关的系数，辟如对于点接触，m＝0.5，对于面接触，m＝1。由式(1)可求得连接器需提供的最小接触力数值。

2、基于连接器导电元件接触力的目标设计参数要求，计算恒力装置需提供的最小恒力数值；插座导电元件受力分析如图15所示，f为导电元件之间接触力；f3和f4为恒力装置所需提供的压力，简单计算即可得到最小恒力t(本实例中f3和f4可认为相等)的数值。

3、基于步骤2计算出的最小恒力数值，确定恒力目标数值，设计和制造恒力装置；参考实施例1中式(3)，可知恒力装置中弹簧几何尺寸、物理参数与恒力数值的关系，完成恒力装置的设计和制造。

4、组装插头部1，将插头端线束3、插头端线束接头4和插头导电元件5顺次固定连接；组装插座部2，将插座导电元件、插座端线束接头7和插座端线束顺次固定连接；

5、设置恒力装置9，当插头部1与插座部2连接时，楔形块38挤压导电圆板41后，压缩导电弹簧和螺旋弹簧44、螺旋弹簧45，螺旋弹簧产生的压缩了远大于振动和冲击造成的压缩量变化，在工作过程中螺旋弹簧的压力基本保持不变，导电元件之间的接触力在工作过程中可维持稳定不变。

实施例6

参阅图16-19，为另一种电连接器结构，其与实施例1的区别在于：所述插头导电元件5为表面设有若干轴向花键的柱状体，所述插座导电元件6表面与所述插头导电元件5的端部表面相配合，所述恒力装置包括中空的花键套筒51、设置在所述插座部2内呈圆周阵列分布的若干个弹簧轴46、若干个一端固定在弹簧轴46上的发条弹簧47，发条弹簧47的另一端固定在花键套筒51外表面上，花键套筒51可转动设置在所述插座导电元件6上。插座部2的外壳上设有第一定位标识48，在插头部1的外壳上设有较短的第二定位标识49和较长的第三定位标识50。

将第二定位标识49与插座部壳体上的第一定位标识48对齐，此时表明插头导电元件5外部轮廓与花键套筒51的内部轮廓对齐，然后将插头导电元件5插入花键套筒51内，并且顺时针转动，至到插头部1外壳上较长的第三定位标识50与插座部2壳体上的第一定位标识48再次对齐，将插头导电元件5端部插入插座导电元件6的表面实现固定，此时花键套筒51旋转角度为θ角，恒力发条弹簧47进入的恒力工作区间，弹簧拉力基本保持不变。松开插头后，在恒力发条弹簧47等三个弹簧提供的逆时针力矩作用下，插头导电元件5和插座导电元件6之间产生足够大且基本保持不变的接触力，进而达到连接器的设计要求。插头导电元件5外部轮廓具有弧形形状特征，以增加与插座导电元件6之间接触面积。

一种电连接器的线束连接方法，包括以下步骤：

1、根据接触电阻与接触力的关系模型等信息，计算连接器导电元件之间接触力的目标设计参数；接触力的计算可以参考实施例1中的式(1)，可求得连接器需提供的最小接触力数值f。

2、基于连接器导电元件接触力的目标设计参数要求，计算恒力装置需提供的最小恒力数值；本实施例中，接触力的合力矩与恒力发条弹簧的合力矩平衡，即可根据接触力目标数值f和几何参数，求得恒力发条弹簧变形力的目标数值p。

3、基于步骤2计算出的最小恒力数值，确定恒力目标数值，设计和制造恒力装置；

恒力发条弹簧变形力的一个理论计算公式如下：θ

上式中，p为恒力发条弹簧49变形力，e为该弹簧的材料弹性模量，b为弹簧宽度，h为弹簧厚度，rn为弹簧圈自由状态下的曲率半径，r0为恒力发条弹簧轴48的半径。可知恒力装置中弹簧几何尺寸、物理参数与恒力数值的关系，进而完成恒力装置的设计和制造。

4、组装插头部1，将插头端线束3、插头端线束接头4和插头导电元件5顺次固定连接；组装插座部2，将插座导电元件、插座端线束接头7和插座端线束顺次固定连接；

5、设置恒力装置9，插头导电元件9旋转角度为θ角，此时恒力发条弹簧49进入的恒力工作区间，弹簧拉力基本保持不变。松开插头后，在恒力发条弹簧49等三个弹簧提供的逆时针力矩作用下，插头导电元件5和插座导电元件6之间产生足够大且基本保持不变的接触力，进而达到连接器的设计要求。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。