某型车用线控换挡执行器连接器接触性能研究

袁建波 罗水根 陈志勇 黄锐景 李用

摘  要：线控换挡执行器是实现汽车正确换挡的重要部件，可匹配车辆智能驾驶及自动泊车等功能。本文以设计开发阶段的某型线控换挡执行器为研究对象，详细分析执行器在恒定湿热试验过程中出现的故障问题，确定了执行器连接器接触失效是导致执行器故障产生的真实原因。同时结合失效端子样件微观分析及端子恒定湿热试验对比验证，明确了试验过程中的连续多次插拔连接器导致电连接器接触部件表面磨损氧化是造成电路故障的主要原因。

关键词：线控换挡执行器;连接器;接触失效;插拔;磨损氧化

中图分类号：U463.62      文献标识码：A     文章编号：1005-2550（2022）01-0048-06

Research on Connector Contact Performance of Shift-by-wire Actuator for A Certain Vehicle

YUAN Jian-bo， LUO Shui-gen， CHEN Zhi-yong， HUANG Rui-jing， LI Yong

（ GAC Component Co.， LTD. Technology center， Guangzhou 511447 ， China ）

Abstract： The shift-by-wire actuator is an important part to realize correct shift of automobile， which now can match with intelligent driving and automatic parking of vehicles. In this paper， a certain shift-by-wire actuator was taken as the research object at the design and development stage. Then， the failure problem of the actuator in the constant humidity and heat experiment was analyzed in detail， and it was confirmed that the true reason of the actuator failure was the actuator connector contact failure. At the same time， according to the microanalysis of the failure terminal sample and the comparison validation of constant humidity and heat experiment about terminals， it was confirmed that the main reason of circuit failure was the wear and oxidation of the connector contact parts by continuous several times insertions and extractions during the experiment.

Key Words： Shift-by-wire Actuator;Connector;Contact Failure;Insertion and Extraction;Wear and Oxidation

1    引言

1.1   概述

線控换挡执行器是线控换挡操纵系统（换挡器、执行器及执行器控制器）的重要组成部分，可匹配车辆智能驾驶及自动泊车等智能化功能，安装于发动机舱内的变速箱上，通过接收线控换挡器GSM模块或变速箱TCU模块发送的挡位信号执行相关做动进而带动变速箱执行相应的挡位切换，以确保车辆能够按照驾驶员的驾驶意图实现车辆驻车、行驶及倒车等相关驾驶操作[1-2]。

线控换挡执行器连接器是实现与换挡器GSM模块或变速箱TCU模块通讯的重要组成部分，连接器内部端子又是确保电路导通的关键部件，连接器端子接触状态的好坏直接影响到控制电路中电流及信号的传输状况。当连接器端子接触状态出现故障时将会导致电路失效进而使车辆无法进行正常的换挡操作，更严重情况下会危及驾驶员及乘员的人身安全。

按照SAE/USCAR-2 Revision 6[3]连接器温度等级分类，线控换挡执行器用连接器工作温度 -40℃～+125℃，考虑到变速箱处于发动机舱内且靠近发动机位置，当车辆长时间连续运转时，线控换挡执行器用连接器将会经受严苛的高温环境考验，其使用过程的可靠性与稳定性对车辆稳定运行至关重要。

恒定湿热耐久试验是线控换挡执行器DV试验中一项重要的验证性试验，由于该试验具有严苛的试验条件，连接器能否在该试验条件下正常运行是执行器能否正常工作的关键因素。试验方法参照IEC 60068-2-78[4]相关条款执行，试验温度85±3℃，试验湿度85±3%（试验湿度按照广汽集团相关标准执行），执行器需模拟整车装配状态连接模拟负载（替代变速箱进行模拟换挡操作），在通电状态下连续进行换挡循环操作，按照换挡逻辑P→R→N→D→P换挡周期在通电条件下进行换挡循环操作，持续运行1000h，换挡操作运行期间需对执行器进行持续监控，试验过程中执行器应无功能失效。

本文以设计开发阶段的线控换挡执行器为研究对象，详细分析了实验过程中导致执行器电机堵转的原因，对连接器失效公端子及全新公端子进行微观对比分析，并分别结合端子及执行器的恒定湿热试验验证，确定了连接器接触失效的演化机理，为汽车零部件设计开发阶段实验过程中正确使用连接器提供参考。

1.2   试验台架

线控换挡执行器及其所用连接器分别如下图1、图2所示：执行器底部支架通过螺栓固定于模拟负载，执行器推拉连杆通过球碗与模拟负载变速杆相连;执行器用连接器是利用嵌件注塑将公端子与塑料底壳注塑为一体而形成的。

恒定湿热试验台架搭建如下图3所示：本试验台架主要由高低温-湿热试验箱、上位机、功率电源、整车连接线束、模拟负载、线控换挡器、执行器控制盒、线控换挡执行器搭建而成。

2    故障描述及原因分析

2.1   故障描述

恒定湿热耐久试验进行约35天时间，2号执行器上位机监控显示电路霍尔传感器信号丢失，执行器内部电机出现堵转故障，经试验现场多次对2号执行器进行上电下电操作，电路霍尔传感器信号丢失情况一直存在，執行器依旧无法正常工作。上位机故障显示详情如下图4所示：霍尔传感器A、B两路独立检测通道传感器数值均为0，同时监控显示霍尔传感器A、B两路传感器电路故障，执行器在R挡位运行时间超过软件预设最大值2500ms，因此判定执行器电机处于堵转故障状态。

2.2   故障原因排查

在执行器通电状态下，晃动执行器连接器不同PIN脚所连接的试验线束并监控上位机运行状况，当晃动霍尔传感器GND回路所对应的电线时，上位机监控到霍尔传感器信号瞬间正常而后又丢失的现象，经初步分析认为信号丢失是由于霍尔传感器GND回路中公端子与母端子接触不良引起的。

接触电阻是评价连接器公端子与母端子接触性能的重要参数指标[5]，连接器端子接触电阻按照SAE/USCAR-2 Revision 6[3]第5.3.1条推荐的端子接触电阻测量方法实施。接触电阻的测量方式如下图5所示，采用的设备为直流电阻测试仪：型号同惠TH2516B、选择自动量程。霍尔传感器GND回路公端子与母端子接触电阻约为7.727kΩ，测量结果如下图6;霍尔传感器电源回路公端子与母端子接触电阻约为17.801mΩ，测量结果如下图7。

根据线性霍尔传感器（MLX90365）应用数据手册信息计算可得：在保证霍尔传感器芯片能够正常工作的前提下，电路中最大电阻可允许达到50Ω。霍尔传感器GND回路公端子与母端子接触电阻测量结果约为7.727kΩ，远大于霍尔传感器芯片正常工作可允许的电路电阻值，因此可判定霍尔传感器GND回路公端子与母端子接触性能失效导致执行器霍尔传感器信号丢失。

霍尔传感器GND回路公端子、母端子实物外观如下图8所示，公端子与母端子非接触区域保持较好的镀锡状态，公端子与母端子接触区域表面覆盖了大量的黑色物质，该黑色物质是导致霍尔传感器GND回路接触电阻变大的主要原因。

3    接触失效微观分析

按照SAE/USCAR-2 Revision 6[3]第5.3.1.3条所述公端子与母端子配合深度要求，结合线控换挡执行器连接器公端子与母端子配合深度，现按照下图9所示的相关区域，分别对失效公端子样件和全新公端子样件（未做过任何试验）真实接触区域表面进行扫描电镜（SEM）及能谱（EDS）分析，从微观层面解析失效公端子样件表面黑色物质的组成成分，从而更好地探究导致连接器接触性能失效的演化机理。

失效公端子样件真实接触区域扫描电镜（SEM）及能谱（EDS）分析结果如下图10所示：

全新公端子样件真实接触区域扫描电镜（SEM）及能谱（EDS）分析结果如下图11所示：

对比图10和图11中扫描电镜（SEM）分析结果可知：与全新公端子真实接触区域表面形貌相比，失效公端子真实接触区域表面磨损腐蚀严重、腐蚀物呈颗粒状碎屑，结合本文第2章节接触电阻分析可知，失效公端子真实接触区域表面磨损腐蚀物是导致霍尔传感器GND电路失效的根本原因。

对比图10和图11中能谱分析（EDS）结果可知：与全新公端子真实接触区域表面元素组成为单一Sn元素相比，失效公端子真实接触区域表面元素除Sn元素外又增加了C、O、Si、Ni、Cu五种元素成分。失效公端子真实接触区域表面元素组成比重如下表1所示，通过对不同元素组成比重分析可知各组成元素来源如下：C元素主要是由执行器内部所用润滑脂及模拟负载所用润滑脂蒸发后吸附于失效公端子表面的物质;O元素来自于吸附于失效公端子表面的润滑脂及失效公端子表面形成的各种氧化物;Si元素只有单一来源，来自于吸附于失效公端子表面的模拟负载所用的润滑脂;Ni、Cu、Sn三种元素分别有两种来源，一种来自是镍镀层、基材铜及锡镀层，另一种是来自与空气中氧气所形成的氧化物。

通过以上对不同元素来源的分析，结合下表1所示的各元素比重可知：失效公端子表面黑色物质是由是锡的氧化物、镍的氧化物及铜的氧化物混合而成，并吸附有一定量的润滑油脂。从Ni元素、Cu元素的存在可知，失效公端子表面的锡镀层、镍镀层遭到破坏，基材铜已经裸露出来，在高温潮湿的试验环境作用下，锡、镍、铜三种金属之间相互形成电化学腐蚀模式，从而使失效公端子真实接触区域表面的氧化物膜层不断增多，使公母端子之间接触电阻不断增大，最终导致电路的失效。

4    接触失效机理分析与试验验证

4.1    接触失效机理分析

经向相关试验操作人员确认：2号执行器在试验过程中由于模拟负载的问题共与试验线束进行过不少于6次的插拔操作。由于公端子与母端子在装配时存在一定的正向压力，且连接器插入与拔出力均大于35N，连接器在试验过程中的每一次插拔操作都会导致公端子、母端子接触区域表面产生一定程度的摩擦磨损，特别是当连接器插入与拔出过程不能沿着端子中心线方向进行时，将会导致连接器内部极个别的端子产生更加严重的摩擦磨损。由于端子表面粗糙不平并非绝对平面[6]，磨损下来的碎屑会堆积在端子表面的低凹处，当多次插拔操作后，磨损碎屑会加速端子表面的摩擦磨损，进而损坏端子表面的镀锡层及镀镍层甚至会使铜基材裸露出来，且在高温高湿的试验环境下，镀层金属与基材铜之间形成电化学腐蚀，进一步加速端子表面氧化物的生成。当磨损碎屑及氧化物膜层积累到一定厚度后，将会导致电路接触失效进而使电路失效。

4.2   试验验证分析

4.2.1 端子恒定湿热试验

经查阅标准SAE/USCAR-2 Revision 6[3]，该标准仅规定了连接器在试验前的插拔特性，未对连接器在试验过程中的插拔特性做相关规定。为验证本文4.1节所述接触失效机理分析的可靠性，现分别对连接器所用公、母端子分别在不插拔状态、试验前插拔5次（根据执行器生产组装时连接器插拔次数预估）及试验过程中连续插拔10次（按照前述执行器试验期间发生故障时连接器插拔次数预估）三种工作状态下进行端子恒定湿热试验，通过对其试验后接触电阻的测量及表面形貌的观察来确定其使用性能，试验周期2020.12.31至2021.2.8共41天，试验分组详情如下表2所示。

试验结束后公端子表面外观如下图12所示。从编号A1、A2、A3三组公端子样件真实接触区域外观状态可知：公端子真实接触区域表面镀锡质量良好，没有发生氧化现象。从编号B1、B2、B3三组公端子样件真实接触区域外观状态可知：公端子真实接触区域表面出现轻微的摩擦磨损痕迹且存在少量的黑色氧化物。从编号C1、C2、C3三组公端子样件真实接触区域外观状态可知：公端子真实接触区域表面出现明显的摩擦磨损痕迹且接触区域已基本完全被黑色氧化物所覆盖。

分别测量试验后公、母端子的接触电阻，直流电阻测试仪参数设置如下：量程2Ω、电流100mA、分辨率100μΩ、开路电压≤40mV，每个样件接触电阻分别测量三次并取其平均值，试验结束后各组样件接触电阻测量结果如下表3所示：

结合本章节试验后公、母端子表面外观及接触电阻测试结果分析可知：C1、C2、C3三组样件接触电阻虽未达到能使电路失效的电阻阻值，但通过A、B、C三组样件的加速老化试验对比结果，明确了试验过程中的多次插拔会加速公端子表面的摩擦磨损及氧化腐蚀，在连接器的极端插拔使用条件下会加速公端子表面氧化物的生成进而导致电路失效。

4.2.2 执行器恒定湿热试验

为进一步验证本文4.2.1章节结论的正确性，又采用三个全新执行器样件在通电状态下进行恒定濕热试验验证，执行器试验过程中连接器无插拔，在试验验证周期内执行器通电运行正常且无问题发生，该试验也同步验证了试验过程中的连接器插拔是导致连接器端子表面氧化的主要原因。

5    研究结论

（1）导致执行器电机堵转的主要原因是由于霍尔传感器GND电路中接触部件接触电阻超出许用范围。

（2）试验过程中的连续多次插拔连接器进而导致电连接器接触部件表面磨损氧化，最终演化为接触电阻超出许用范围是造成电路故障的主要原因。

（3）相关环境类试验过程中尽量不要进行连接器的插拔操作，可降低连接器在使用过程中的故障率。

参考文献：

[1]陈家瑞.汽车构造：上册[M].北京：人民交通出版社，1993.

[2]康展权.汽车工程手册设计篇[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]SAE/USCAR-2 Revision 6，Performance Specification for Automotive Electrical Connector Systems[S].

[4]IEC 60068-2-78，Environmental Testing-Part 2-78：Tests-Test Cab：Damp heat， steady state[S].

[5]余俊. 插拔对电连接器接触性能退化规律影响的研究[D].杭州：浙江理工大学，2016.

[6]刘新龙.电接触条件下的微动磨损性能影响因素研究[D]. 成都：西南交通大学，2018.

专家推荐语

郭军朝

东风汽车集团有限公司技术中心

汽车电子  高级工程师

本论文以线控执行器的连接器接触失效问题为研究对象，从主观角度观察公端子表面的状态，到微观角度分析端子表面结构与氧化物的成分及比例，再到开展三组的样件试验，充分论证了连续多次插拔导致电连接器接触部件表面磨损氧化是造成电路故障的主要原因。