摘  要：振动引起的微振腐蚀是汽车应用中一个主要关注的话题，通常会导致接触电阻增加和连接器故障。目前，对连接器系统在微振腐蚀过程中的行为进行建模是一件困难的事情，需要许多参数，而且本质上通常是高度非线性的。目前，对样品连接器进行实验试验是评估连接器性能的唯一实用方法；不过，试验可能是一项耗时且不精确的任务。作者之前的工作研究了连接器系统在单频振动下的微振行为。实验结果与模拟行为的相关性表明，对于观察到的连接器系统接口运动的主要模式（摇摆式运动），连接器系统接口处的相对力矩是观察到的微振速率的良好指标。还表明，通过仿真可以合理地预测给定激励水平和频率产生的力矩。目前的工作将这种方法扩展到随机振动剖面是连接器应用环境的更真实的表示。开发了一个简单的连接器设计模型，将早期微振腐蚀速率与连接器系统的阈值振动水平、连接器/接线配置的动态特性和振动曲线联系起来。证明了该连接器设计模型与实验数据之间的高度一致性。有趣的是，无论应用于整个连接器系统的激励曲线如何，都观察到连接器系统接口处存在特征振动阈值。

关键词：连接器；微振腐蚀；随机振动

1 引言

微振腐蚀是贱金属连接器中最重要的退化机理之一。对于锡（或锡合金）镀层，它可能是评估连接器产品是否适合现场使用的最重要因素。在设计新的连接器接触件时，工程师们试图尽量减少微振运动及其对现场性能的影响。不过，为了安全起见，我们有必要通过检定试验来验证新设计，这些试验旨在确定连接器系统是否容易受到微振腐蚀影响。通常，现场看到的连接器系统主要应力类型是热循环和振动，每种连接器类型都有可能导致微振退化。因此，大多数鉴定试验程序都采用加速热循环和振动试验来鉴定连接器产品。不过，人们经常问，加速实验室试验在模拟现场老化方面有多好？而且，这些连接器设计试验是否有可能产生人为的故障机理？

为了回答这些问题，我们有必要了解和描述现场应用。现场引起的应力水平（由温度和振动等因素引起）可能会导致微振运动和随后出现的连接器接触件退化。因此，描述这些应力因素在现场的强度水平非常重要。有鉴于此，我们可以开发一个试验程序来确定特定的连接器设计是否可以处理这些应力。从逻辑上讲，这是一种合理的方法。不过，我们很难将已知的现场条件纳入加速试验之中，同时又可避免误导试验结果的不确定性。

连接器设计加速试验的一个主要问题是，可能会产生不切实际的条件，从而产生人为的失效机理，这是使用过高应力水平的结果。如果温度、温度波动或振动水平超过现场预期的最高水平，那么就会出现这种情况。此外，如果试验样品没有正确制备（或固定），试验设置也会引发人为应力。因此，连接器设计加速试验设置可能会产生现场不会发生的人为故障机理。

连接器设计加速试验的另一种方法是确定与现场预期水平相比，什么应力水平会导致故障。在这种情况下，对策也很简单。如果我们确定给定连接器设计在什么应力水平下出现失效，并且这些应力水平高于预期的现场水平，那么，我们就会期望连接器产品在现场工作。我们通常不采用这一方法，因为它可能需要过于昂贵的试验来表征发生故障的应力水平。不过，如果不遵循后一种方法，人们可能会为了通过特定的试验方案而对产品进行过度的重新设计。一般来说，我们很难调和连接器设计加速试验和试验失效策略模型，并就相关的权衡得出人们可接受的结论。不过，如果我们将连接器建模方法和故障试验方法结合起来，则可以经济高效地提供有效的现场鉴定数据。这是本文提出的试验对策。此外，这种方法可用于为连接器设计安全加速寿命试验提供指导。

在评估热循环作为诱发微振腐蚀的机理方面，人们已经做了大量的工作^[1]-[4]，而且成果颇丰。不过，本文主要针对业界相对较少研究的机械应力引发的微振机理。

图1 试验样品照片

早期关于这一主题的研究是使用各种单频激励进行的，并在识别阈值行为方面表现乐观^[5]。这与连接器设计试验装置传递到接触区域的机械力矩有关。在这项研究中，我们使用了转移矩阵法，以便于分析。本研究探讨了电连接器在单频和随机振动激励模式下的微振行为。这项研究旨在通过评估g（rms）水平和频谱等变量来扩展之前的工作。这项研究的一个组成部分是使用连接器建模方法来帮助我们解释实验室结果。相信，有实验室数据支持的模型将为验证给定的现场使用的连接器设计提供一种稳健的方法。为此，我们在早期对这一主题的调查基础上进行了一系列研究。我们目前的研究包括以下几点：

1） 测量连接器系统的频率响应（传递函数的相对幅度）和表征机械设计的阈值激励水平；

2） 对正弦和选定随机振动轮廓的电阻变化率作为激励水平函数的实验研究；

3） 将得到的数据与预测连接器模型进行分析，找出其相关性。

2 实验装置

为了研究振动对微振速率的影响，我们使用了一个22针的线对板连接器（带有12英寸长的引线）作为基本试验连接器样品，其照片如图1所示。每个连接器样品的头部都连接到一个小的印刷电路背板上。然后，整个连接器系统以串联方式连接，连接器两端的引线用于监测整个连接器系统的电阻变化。在振动试验过程中，背板连接到振动筛头上，引线系于一个固定点上。

图2 试验设置示意图

本研究采用8英寸的系紧距离。该连接器试验装置的示意图如图2所示，贴附的供试品的照片如图3所示。需要注意的是，该连接器试验装置允许因为线缆组件的固定系带而可能出现的动态效应。

图3 试验设置照片

连接器样品由一台MB动态MODAL50振动筛激发，该振动筛由功率放大器驱动，功率放大器则由Dactron激光振动筛控制连接器系统进行控制。对振动器施加激励，并使用加速计测量振动器头部的运动。在振动试验过程中，我们用Keithley万用表采用四点测量法进行测量。使用安装在个人计算机中的NI 4552 DSA板卡以1秒的间隔采样率收集数据。

3 实验结果

在本研究中，我们考虑了两种基本的振动形态。第一种是单频恒幅正弦曲线，第二种是具有恒定功率谱密度的随机振动曲线，如图4所示。

图4 随机振动试验的频谱图

图5 单频激励的阈值G级

从该领域的早期研究可以看出，通常存在一个阈值强制水平（或G水平），低于该水平将不会发生微振^[4]，[5]。为了确定在振动头处测量的诱导微振（G_F阈值）所需的阈值G水平，将16个样品置于50至100Hz之间的离散正弦频率下（每个试验频率准备两个样品），持续100s，然后在每个频率测量的G水平值中取其平均值，并绘制如图5中所示的数据点。

图6 连接器界面的相对运动与激励频率的关系

此外，测量连接器系统两端之间的相对运动幅度作为上述G电平输入频率的一个函数，我们就可以通过实验生成频率响应曲线，见图6所示。如果我们将该频率响应图的振幅颠倒过来并进行缩放，并将其绘制在与阈值相同的图上（如图5中的曲线所示），那么我们就很容易将连接器系统的频率响应与振动头处测量的微振阈值水平联系起来。缩放因子确定为1.0左右。这表明连接器系统接口处的阈值G水平（G_F，阈值）约为1.0g_rms，与激励频率无关。

如果我们将这一概念推广到随机振动，那么，激振器头部的输入功率谱密度（S_F）与连接器接口处的输出功率谱密度（S_X）之间的关系由下式得出：

（1）

式中，T（f）为输入位置的激励与连接器界面处的响应之间的传递函数，f为振动频率。值得注意的是，图6中所示的频率响应表示的是T（f）的振幅。因此，在连接器系统接口处实际看到的激励的g_rms值，G_X为：

（2）

为了确定连接器系统在承受随机振动时的阈值激励水平，我们对两种恒定加速度连接器功率谱密度分别进行了五次试验（见图4）。我们选取了30-70Hz和40-60Hz两个频率范围进行研究。由于在本研究中SF为常数，可将比例因子Z_F定义如下：

（3）

由此，我们引出下列公式：

（4）

式中，G_F为激振头处输入的激励的g_rms值。利用公式（4），我们就可以从输入阈值G_F，阈值计算出结果值G_X，阈值，并表示连接器系统接口处产生微振所需的激励水平。G_X，阈值结果在最低0.91g到最高1.2g范围内波动，其平均值为1.03g，这与前面提到的单频正弦输入的平均值非常吻合。

图7是采用较长时间内施加的单一频率输入值绘制的几个典型微振曲线。当以高于该输入阈值的水平G_F，阈值激励时，电阻变化率随着激励幅度的增加而增加。从图中可以看出，这种行为肯定不是一直呈线性变化。在较长时间振动之后，我们发现劣化率大幅增加，接触电阻大幅波动。

图7 长时间振动的微振曲线示例（f=30Hz的单频激励，接线连接长度=2.0英寸）。

在本研究中，“早期微振”是指连接器接触电阻随时间保持线性变化的状态。这种早期微振应被视为连接器系统整体微振特性一个潜在的有用特性，并可作为各种连接器设计微振性能对比的一种手段。

我们用50Hz单正弦激励研究了振幅增加对早期微振行为的影响，其结果见图8。随着时间的推移和激励水平的变化，平均微振速率非常一致。值得注意的是，电阻值倾向于围绕一个逐渐增加的平均值上下振荡，并且假设这种“拍频”（频率差）反映了连接器设计数据采样率和微振磨损点中连接器接触界面位置的周期略有不同。在其他研究^[3]、[4]中，我们已经了解了微振接触电阻的这种位置相关灵敏度。在阈值输入值G_F，阈值上方，电阻变化率随着激励水平的增加而不断增加。

图8 早期微振样品的微振曲线（f=50Hz时的单频激励）

图9  50Hz单频激励下的早期微振速率变化情况

图10 70Hz单频激励的早期微振速率变化情况

图9-12中的RMS值是激振头处的激励水平G_F。图9和图10概括了仅用单频激励表征的早期微振速率变化情况。图9是频率50Hz时的变化情况，图10是频率70Hz时的变化情况。可以看出，电阻变化率与g之间呈线性关系。图11和12是随机振动的结果数据。图11中的数据适用于30-70Hz频率范围，图12的数据适用于40-60Hz频率范围。从数据可以看出，后者似乎也呈线性变化。

图11 不同g级随机激励（频率范围为30-70Hz）下的早期微振速率函数关系曲线

图12 不同频率范围为40-60Hz的g级随机激励下的早期微振速率函数关系曲线

4 模型

为了分析上述连接器设计试验数据，并形成某些预测能力，我们开发了一种简单的模型。图13的图表概述了所要考虑的基本连接器建模原理。激振头处的总激励产生接线和连接器组件的运动，进而引发连接器系统接口处的相对运动，导致与微振腐蚀相关的连接器接触电阻增加。

（文字依次为：总激励、导线及连接器动态、连接器接口相对运动及微振速率、微振速率）

图13 预测振动诱发微振腐蚀概念图

为此，我们假设因微振引起的接触电阻变化△R取决于循环试验次数（C）和高于阈值水平的振动幅度。从函数关系上，我们假设这种关系可以下式表示：

（5）

式中，M和P是任意常数。同样，由于在这些研究中使用了均匀的功谱密度，我们可以用（4）将（5）转化为下列公式（6）：

（6）

基于这些微振早期阶段接触电阻变化的线性特征，我们假设P为1。因此，将C=ft代入（其中，f为激励频率，t为时间）可得：

（7）

将（7）的公式与图8和图9的数据进行比较，我们选择M=1（表示与g_rms振幅呈线性关系）。由此可以得出以下公式：

（8）

将系数D拟合到图9-12中所示的数据中，可得出各个图中所示的“最佳拟合”线性曲线。这对单频振动和随机激励都非常有效。在每种情况下，我们发现这一直线与水平轴相交处的值与独立测量的值相当。

表1是研究结果的总结。每种情况下所获得的连接器设计模型参数之间都有相当好的一致性。在各种情况下可以直接比较的两个主要参数是系数D和连接器系统接口处的阈值振动水平G_X，阈值。这两个参数之间总体上表现出良好的一致性。不过，D值也存在相当明显的变化。这表明，它有可能取决于频率，也可能取决于其他因素，我们今后在对这一连接器设计模型改进时应该考虑这些因素。

表1 测量和计算的结果

对于随机振动而言，公式（8）中所用的平均频率是根据与连接器系统接口界面处发生的激励相关的平均频率来确定的。

（9）

5 结论

本文研究了振动水平和频率对插针和插座连接器微振腐蚀的影响。这是笔者在先前研究的基础上，通过引入随机振动曲线来构建的，这些曲线是连接器设计应用环境的更真实的表示。现得出如下结论。

• 我们开发了一种简单的连接器设计模型，将早期微振腐蚀速率与连接器的阈值振动水平、连接器/接线配置的动态特性和振动曲线联系起来。

• 证明了该连接器设计模型与实验数据之间的高度一致性。

• 无论应用于整个连接器系统的激励曲线如何，我们都观察到连接器系统接口处存在特征振动阈值。

需要注意的是，这些结果代表了某一特定的试验设置，其中连接器系统在电缆连接到固定夹具的同时受到了各种振动模式的影响。因此，这种连接器设置可能会因电缆绑扎而产生动态效应，建议对绑扎位置和绑扎条件的影响作进一步研究，以便更完整地描述潜在的微振退化机理，因为它取决于这些变量。最后需要指出的是，尽管本次研究使用了某一特定的连接器设计和试验设置，但相关连接器频率响应、阈值特性和模型的试验结果已被人们视为评估各种连接器设计和现场配置提供了一些普遍适用的指导原则。

参考文献：

[1] J. H. Whitley and E. M. Bock, “Fretting corrosion in electric contacts,” in Proc. 20th IEEE Holm Conf. Electrical Contacts, 1974, pp.128–138.

[2] A. Lee and M. S. Mamrick, “Fretting corrosion of tin at elevated temperatures,” in Proc. 34th IEEE Holm Conf. Electrical Contacts, 1988,pp. 87–91.

[3] M. Antler, “Survey of contact fretting in electrical contacts,” in Proc.29th IEEE Holm Conf. Electrical Contacts, 1984, p. 3.

[4] R. D. Malucci, “Impact of fretting parameters on contact degradation,” in Proc. 42nd IEEE Holm Conf. Electrical Contacts, 1996, pp.395–403.

[5] G. T. Flowers, F. Xie, M. Bozack, and R. D. Malucci, “Vibration thresholds for fretting corrosion in electrical connectors,” in Proc. 48th IEEE Holm Conf. Electrical Connectors, Oct. 21–23, 2002, pp. 133–139.