CN101512843A - 电连接器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种电连接器，该电连接器包括密封接头(2)，该密封接头具有用于接收电连接组件(4，6)的通道(7)，该通道具有包括第一唇部(10)、第二唇部(11)和位于所述唇部之间的唇部间间隙(λ)的保持区域，所述唇部(10，11)均包括内表面(10b，11b)、与所述内表面(10b，11b)相反的外表面(10a，11a)以及具有内径Di的顶表面(10c，11c)。
Description
技术领域
本发明涉及电连接器及其制造方法。
背景技术
在汽车应用中，使用包括密封接头的电连接器。电连接构件插入穿过密封接头，并包括用于连接至配对电连接器或电路的前部金属接触部以及与前部相反的线缆连接部件。
这种电连接器要进行大量测试，以确保在组装期间连接构件插入穿过接头时接头的机械完整性不会受到削弱，机械完整性受到削弱会对整个密封件的密封性能造成损害。为了评价接头承受连接构件从密封接头拔出(例如为了更换电连接构件)的性能，进行类似的测试。
当然，对于这种密封件来说所关心的主要特征是其对于含有灰尘的空气或水的密封性能。密封测试例如在0.5巴的加压环境或0.5巴的减压环境中进行30秒。
因此，需要一种密封性能增加的电连接器，其在端子插入和/或拔出期间具有给定水平的机械完整性。
发明内容
本发明涉及一种根据权利要求1所述的电连接器。
在其他实施方式中，也可以利用权利要求2至8的一个或多个特征。
本发明还涉及一种根据权利要求9所述的制造连接器的方法。
附图说明
在如下对本发明的其中一个实施方式进行描述期间将清楚本发明的其他优点和特征，在附图中以非限制性实施例的方式提供了所述实施方式，在附图中：
图1为处于组装状态的具有电连接构件的连接器的剖面图；
图2为用于图1的电连接器的垫密封接头的前视图；
图3为表示用于图1的电连接器的电连接构件的实施例的立体图；
图4为现有技术密封接头的沿着图2的线IV-IV的局部剖面图；
图5为本发明实施方式沿着图2的线IV-IV的剖面图。
图中相同的附图标记表示相同或相似的元件。
具体实施方式
图1为电连接器1的剖面图。该连接器包括由诸如玻璃纤维增强的聚对苯二甲酸乙二酯(PBT)之类的电绝缘材料制成的外壳20。该外壳包括前部件20a，前部件20a成排列地布置有用于接收稍后将进一步详细描述的电连接构件的通道21。外壳还包括后部件20b或“栅格”，后部件包括与外壳的前部件的通道21对应的通道。
在外壳的前部件20a与后部件20b之间插设有诸如垫密封接头2之类的密封装置。稍后将参照图2和图5更详细地描述该垫密封接头。
如图2的实施方式所示，垫密封接头2呈由诸如液态硅橡胶之类的材料制成的平行六面体板的形状。一种合适的材料可以是由GE-Bayer提供的编号为硅酮橡胶3596/30(30 Shore A)的材料。上述材料还具有5％的自润滑特性，从而便于端子插入。
也可以使用诸如热固化橡胶(HCR)、硅树脂或三元乙丙橡胶(EPDM)、热塑性弹性体(ETP)之类的其他材料用于密封接头2。
密封接头2包括插入表面2a和相反的拔出表面2b(图1)。在所描述的实施例中，在垫密封接头中限定有两个系列通道3a、3b，第一系列通道包括用于接收插入外壳的大通道内的大电端子的宽阔通道7，而第二系列通道包括用于接收插入外壳的小通道内的小电端子的狭窄通道。接头的尺寸、系列数量、以及通道的数量、位置及大小与外壳的通道有关，这取决于连接器的应用要求。图2所描绘的形状、尺寸、位置和大小只是示例性的，并且不同的垫密封接头之间可以不同。
图3公开了连接至线缆的阴端子，该阴端子适于被接收在根据本发明的电连接器内。
该阴端子包括：
由保持架形成的第一部分，该第一部分包括用于与互补阳端子配合的金属叶片构件22a、22b；
从第一部分延伸的第二部分，该第二部分包括用于压接在线缆线上的压接臂；以及
线缆固定部分，其从所述第二部分延伸，并例如适于压接在线缆鞘套上。
返回图1，示出了在外壳内的底部通道中处于组装状态的电端子的实施例。处于该组装状态下的密封接头的通道的图示仅是示例说明，并不是用于表示在端子的组装状态下密封接头通道的实际形状。
在本实施例中，阴端子插入外壳的前部件20a的通道21内，以与配对的阳端子相连。
线缆借助于该线缆的暴露金属线(这些金属线被绝缘鞘套6包围)连接至端子，从而形成如图3所示的电连接组件。所述电连接组件可以分成三个主要部分，即：
端子部分；
接合部分6a，其与端子的线缆固定部分相邻，并设计成容纳在密封接头的通道内；以及
线缆鞘套部分6b，其设计成延伸到外壳的外部，用于连接至另一电设备。在该实施例中，接合部分6a大致为柱形，并具有直径DC。
在该示例性实施方式中，端子具有2.40毫米(mm)×2.70mm的大致矩形截面，从而形成大约2.40×2.70＝6.48平方毫米(mm2)的横截面。
图4是密封接头沿着插入方向的一部分的沿着图2的线IV-IV的局部剖面图。轴对称通道7围绕对称轴线8从密封接头的插入表面2a延伸至密封接头的拔出表面2b。因而，电连接组件将从图4的右侧插入。通道由壁9限定，从该壁9伸出第一唇部10和至少另一“拔出”唇部11，第一唇部10是距插入表面2a最近的唇部，因此称为“插入唇部”，“拔出”唇部是距拔出表面最近的唇部。其他唇部可以插设在插入唇部和拔出唇部之间。在第一唇部的开始和第二唇部的结束处，壁具有直径Dw。
在两个相邻的唇部之间还布置有膜，所述膜在连接构件插入时被撕破。
第一唇部10具有面向插入表面2a一侧的外表面10a和相反的内表面10b。而且，明显为平坦环形状的顶表面10c面对轴线8。通道的内径Di因而定义为通道内在顶表面10c的高度处垂直于轴线8的最短直径。顶表面例如如图所示为平坦的，或者可以是弧形的。
参照图4，第一唇部的插入角αi定义为第一唇部的外表面10a与垂直于对称轴线8的轴线之间的角。第一唇部的拔出角αe定义为第一唇部的内表面10b与垂直于对称轴线8的轴线之间的角。
对于第二唇部的位于拔出表面2b一侧的外表面11a和第二唇部的与外表面11a相反(因而面对第一唇部的内表面10b)的内表面11b进行类似的定义。据此定义第二唇部的顶表面11c、插入角βi和拔出角βe。
定义第一唇部的顶表面10c的中线和第二唇部的顶表面11c的中线，下文将这两条线之间的最短距离称为“唇部间间隙”λ(即两个唇部之间的距离)的尺寸。在顶表面为弧形的情况下，将中线定义为其中表面11c与对称轴线8的平行线相切的点。
图4的也被称为“V0”的实施方式(其不是本发明的一部分)在以上用于连接元件的插入和拔出的密封测试中并不成功。因而设计用于给定连接器的通道的第一步骤是设定壁直径，例如通道直径，并且端子横截面尺寸将表示为大约1.1的比率。
对于其他特征来说，图4的该实施方式具有大约10°的插入角αi、1.2mm的内径Di以及1.1mm的唇部间间隙。相当于壁直径Dw与内径Di之差一半的唇部高度为大约0.9mm。
为了在密封接头内的线缆接合部分6a上获得更好的压缩力而进行了研究。为了确定所关心的参数，求助于数值模拟，并通过模拟而获得相关几何形状的原型和测试。
通过有限元解算器并考虑到通道的轴对称特性进行数值模拟。这能够将接头以及触头以二维的方式网格化。触头严格说并不是轴对称的，但模拟的思想是理解将密封接头的几何形状与密封接头的密封和插入特性联系起来的规则。这种简化能够以低计算成本获得结果，这些结果通过在原型上进行试验而确认。
为密封接头所选的材料特性是上述GE-Bayer硅酮橡胶3596/30(30Shore A)的特性。通过如下机械特性对该材料进行模拟：
300％应变时的弹性模量：2.2牛顿每平方毫米(N/mm2)；
极限应变：640％；
抗撕强度：7.2N/mm2；
永久压缩形变：11％。
尽管选择该材料作为本研究的实施例，但是在本发明的范围内，也可以使用诸如热固化橡胶(HCR)、硅树脂或三元乙丙橡胶(EPDM)或热塑性弹性体(ETP)之类的其他材料用于垫密封接头。
金属触头被认为是刚性的，并且沿着对称轴线8向其施加恒定速度运动。为了进行研究，如下结果是所关心的：
插入期间密封接头施加在线缆接合部分上的反作用力沿着所述对称轴的分量，该分量与以恒定速度插入触头所需的力(以下称为“插入力”)直接相关；
插入期间密封接头施加在线缆接合部分上的所述反作用力的垂直于所述对称轴线的分量，该分量表示在插入之后接头施加在线缆鞘套上的力(以下称为“密封力”)；
拔出(与插入相反的运动)期间密封接头施加在触头元件上的反作用力沿着所述对称轴线的分量，该分量与以恒定速度拔出触头所需的力(以下称为“拔出力”)直接相关。
在插入/拔出期间这些力的全局最大值或局部最大值被认为是该研究的相关参数。
插入/拔出力被认为与密封接头的材料在插入/拔出期间破裂的可能性直接相关。将插入力保持在给定阈值之下是在垫密封接头测试期间的要求之一。这些特性的水平不合适的接头会呈现出过高的破裂风险，因此应该废弃。
密封力或径向力与接头施加在线缆接合部分6a上的平均径向应力直接相关，并表示接头的密封能力。
在数值模拟期间所关心的另一个参数是密封接头材料所受到的应变，这是因为应变与材料的可能撕裂直接相关。
上述实施方式的插入测试表明，在插入期间，第一唇部弯曲，直到其与第二唇部接触。在两个唇部已经接触时，进一步插入表明插入力增加直到最大值。然后插入力减小，表现为在触头与第二唇部直接相互作用时局部最大。所获得的最大插入力换算为1。对其他数值模拟结果进行类似的换算从而与由V0限定的标记“1”作比较。在拔出时，观察到了与插入的那些特征类似的特征。
在其中两个唇部都弯曲且它们的表面10a、11b与线缆接触的状态下密封力最大。
记录最大密封力。类似的是，该最大密封力也被换算以限定标记“1”，用于稍后的数值结果。
为了该研究，测试了不同几何形状的密封接头。在这些研究中，对于不同的实施例，改变唇部间间隙λ、内径Di和角度。
可以观察到，可以通过增大唇部间间隙参数而降低最大插入力。观察到，对于给定的几何形状，将唇部间间隙增加至在插入或拔出期间第一唇部不会与第二唇部干涉的程度会防止插入力增大。基于参照图4描述的原始几何形状通过增加唇部间间隙进行不同的研究，研究表明，一旦唇部间间隙达到1.5mm，更优选达到1.8mm时，则观察到插入力明显降低至0.95。
意外的是，从图4的几何形状开始增加唇部间间隙对密封力没有有害影响。这甚至会使密封力增加。密封力能够达到1.2以上，这取决于唇部间间隙。对于低插入力来说，增加唇部间间隙能够在线缆接合部分上提供良好的密封力，因而降低了在插入时撕裂材料的危险。
根据其他研究(仍从图4的几何形状开始)，还观察到通过增加第一唇部的插入角αi能够实现密封力的增加。第二唇部与第一唇部设计成关于在这两个唇部之间延伸的中间平面对称。通过该对称设计，拔出和插入特征保持相似。
通过增加第一唇部的插入角(为了对称而增加第二唇部的拔出角)，增加了密封接头的主动有助于线缆密封的材料量。这使密封力增加。这也使插入力增加，但是插入力的增加没有密封力的增加多。对于20°以上的插入角，测量到密封力显著增加。
令人惊讶的是，还观察到，当第一唇部的插入角αi进一步增加至30°，更优选增加至45°以上时，观察到密封力进一步增加，这不仅仅是由于上述的单独作用的原因。对于这样的第一唇部的插入角αi，观察到第一唇部(以及可能第二唇部)在插入后定位成它们的顶表面抵靠线缆。第一唇部因而以压缩方式作用在线缆上，并且没有表现出图4实施方式的弯曲行为。该唇部表现出压缩应变。该压缩行为使密封力大大增加。
通常，15°和50°之间的插入角，特别是20°和30°之间的插入角提供了良好的结果。
为了研究内径Di的影响而进行其他研究。从图4的几何形状开始逐渐增加直径来测试其他几何形状，但是壁直径Dw恒定，因而意味着唇部更短。该研究表明，插入力和密封力与图4的几何形状相比都降低。然而令人惊奇的是，密封力降低得比插入力少。人们认为通过增加内径，唇部在触头插入期间将受到较少的弯曲。它们将更多地以压缩而不是弯曲方式来进行密封。只要密封力足以获得对线缆的必要压缩，增加内径就是有益的。
研究表明，当增加内径时，唇部间间隙是不太重要的参数，这是因为唇部较短而不太可能在插入/拔出期间发生干涉。
为了总结以上结果，在接头的横截面中将接头的保持区域的有效表面限定如下：
在插入唇部的外表面与通道的柱状壁的相交处绘制顶线L1；
在拔出唇部的外表面与通道的柱状壁的相交处绘制底线L2；
绘制限定通道的保持部分的轮廓的轮廓线L3；并且
绘制任意背线L4，其限定在密封接头材料内距对称轴线任意距离处，该任意距离在不同实施方式之间保持固定。
例如，该任意距离可确定为密封接头的两个相邻通道的两个对称轴线之间的距离的一半。
有效表面表示密封接头在端子插入和拔出期间都发挥作用并密封线缆周围的部分。该表面的面积也称为“密封部分的横截面积”，与密封接头在端子插入和拔出期间都发挥作用并在密封接头内密封线缆接合部分的部分的体积直接相关。
研究表明增加该表面的面积与施加在线缆接合部分上的密封力的增加直接相关。这样的增加可以通过增加唇部间间隙、增加第一唇部的插入角、增加第二唇部的拔出角、并且/或者通过增加每个唇部的高度来进行。
还为每个实施方式估计了线缆接合部分的限定在线L1和L2、线缆的中心轴线8和外壁之间的相应横截面积。因而线缆的横截面积等于(Dc/2)*d(L1；L2)，其中d(L1；L2)为L1和L2之间的距离。计算了线缆的横截面积与密封部分的横截面积的比。例如，在实施方式V0并且线缆直径为1.9mm的情况下，该横截面积比等于0.94，对于横截面积比不大于0.76的实施方式来说密封力获得良好的结果。因而，横截面积比越小，密封力越好。
在本发明的范围内所关心的是这些特征与减小插入力或者使插入力增加比密封力增加少的特征的组合。
应注意，尽管这里将所述表面的面积作为一个指标，但是密封接头外周上的相应材料体积也可以作为另一个所关心的参数。该体积可以由如下参数限定：
与对称轴线垂直且包括线L1的顶平面P1；
与对称轴线垂直且包括线L2的底平面P2；
在通道的外周上限定该通道的保持部分的轮廓的轮廓表面P3；以及
在密封接头材料内限定在距对称轴线任意距离处的任意后柱面P4，该任意距离在不同实施方式之间保持固定。
在下表中总结了所进行的试验。
表：模拟结果
| 版本号 | V0(现有技术) | V1 | V2 | V3 | V4 |
| 第一唇部插入角 | 10° | 20° | 20° | 45° | 45° |
| 第一唇部拔出角 | 10° | 10° | 10° | 10° | 10° |
| 第二唇部插入角 | 10° | 10° | 10° | 10° | 10° |
| 第二唇部拔出角 | 10° | 20° | 20° | 45° | 45° |
| 内径(mm) | 1.2 | 1.2 | 1.5 | 1.2 | 1.2 |
| 唇部间间隙(mm) | 1.1 | 2 | 1.1 | 1.1 | 1.6 |
| 截面面积(mm2) | 4.99 | 5.43 | 4.92 | 5.98 | 6.1 |
| 密封力(与V0的密封力相比) | 1 | 1.27 | 0.91 | 1.45 | 1.52 |
| 插入力(与V0的插入力相比) | 1 | 0.93 | 0.72 | 1.28 | 1.32 |
上述考虑使得能够提供具有如下参数的改进的密封接头：所有角度等于30°，内径为1.2mm，唇部间间隙为2.5mm。该实施方式通过以上方法所测量的截面积为5.93mm2。保持力为1.52，插入力为1.01。
拔出测试表明，即使第二唇部具有大拔出角，但如果第二唇部的内表面太陡，尤其是端子在拔出期间比插入期间更剧烈时，也可能在第一唇部处发生撕裂问题。
在图5中详细地提供了另一可能的实施方式。在该实施例中，壁直径再次设定为3mm，两个唇部的插入角均设定为30°，而两个唇部的拔出角设定为50°。唇部间间隙设定为2.15mm，内径设定为1.65mm。
在模拟和试验中，该密封接头提供了在保持插入力较低的同时确保优良密封性能的良好折中。因而可以期望良好的密封性能以及高可靠性，因为插入/拔出时损坏的可能性保持较低。
因此，拔出角可选择成略大于插入角，特别是当端子的特征件在拔出时比插入时更剧烈的时候。20°至70°的拔出角被认为是有益的，特别是30°至50°之间的拔出角。
该轮廓通过如下方法获得：
获知触头和鞘套的几何形状特征以及密封接头的材料特征，从而确定通道的壁直径和内径；
基于密封接头的机械特性确定第一唇部的插入角；
确定第一唇部的拔出角；
根据应用及端子的形状，确定是否应该将第二唇部设计成与第一唇部对称，以获得与插入特征类似的拔出特征；
确定唇部间间隙。
当然可以根据应用省略这些步骤中的一个或多个，或者可以以不同的顺序执行这些步骤。
本发明并不受到图5的实施方式的限制，而只受到权利要求范围的限制。
Claims (9)
1、一种电连接器，该电连接器包括：
密封接头(2)，该密封接头(2)具有插入表面(2a)、与所述插入表面相反的拔出表面(2b)、以及在所述插入表面和拔出表面之间延伸的至少一个通道(7)，所述通道用于在所述电连接器的组装状态下接收贯穿所述通道延伸的电连接组件(4，6)，所述电连接组件包括从所述密封接头的所述拔出表面(2b)伸出的端子(4)以及连接至该端子的线缆(6)，所述线缆包括设计成容纳在所述通道(7)内的接合部分(6a)并具有直径DC，
所述通道具有：壁(9)，该壁围绕通道中心轴线(8)的壁直径为DW；和保持区域，该保持区域包括从所述壁伸出的第一唇部(10)、从所述壁伸出的第二唇部(11)、以及位于所述唇部之间的唇部间间隙(λ)，所述第一唇部比所述第二唇部更接近所述插入表面；
在所述电连接组件的非组装状态下，所述唇部(10，11)均包括面向相应唇部的内表面(11b，10b)的内表面(10b，11b)、与所述内表面(10b，11b)相反的外表面(10a，11a)、以及位于所述内表面和所述外表面之间的顶表面(10c，11c)，所述顶表面面向所述中心轴线(8)，并具有内径Di。
2、根据权利要求1所述的电连接器，其中，Di与DW的比包含在0.5至0.8之间。
3、根据权利要求1或2所述的电连接器，其中，所述第一唇部的插入角(αi)限定在所述第一唇部(10)的所述外表面与垂直于所述对称轴线(8)的轴线之间，并包含在15°至50°之间，优选在20°至30°之间。
4、根据权利要求1至3中任一项所述的电连接器，其中，所述第二唇部的拔出角(βe)限定在所述第二唇部(11)的所述外表面与垂直于所述对称轴线(8)的轴线之间，并包含在20°至70°，优选在30°至50°之间。
5、根据权利要求1至4中任一项所述的电连接器，其中，所述通道的截面的横截面积限定在顶线(L1)和与该顶线平行的底线(L2)、轮廓线(L3)和背线(L4)之间；
所述顶线经过所述壁与所述第一唇部的所述外表面之间的相交处；
所述底线经过所述截面中的所述壁与所述第二唇部的所述外表面之间的相交处；
所述轮廓线限定所述通道的所述保持部分的壁；并且
所述背线与所述对称轴线平行地绘制，并位于所述密封接头的两个相邻通道的对称轴线之间的一半距离处。
6、根据权利要求5所述的电连接器，其中，所述线缆的横截面积限定在所述顶线(L1)、所述底线(L2)、所述中心轴线(8)和所述线缆的外表面之间；
并且其中所述线缆的所述横截面积与所述通道的所述横截面积的比小于0.76。
7、根据前述权利要求中任一项所述的电连接器，其中，在所述电连接组件(4，6)的组装状态下，至少一个唇部(10，11)并且优选所有唇部主要以压缩应变为特征。
8、根据前述权利要求中任一项所述的电连接器，
其中所述触头(4)具有小于4mm的最大横向尺寸；
其中所述密封接头(2)由液态硅橡胶制成；
其中各唇部的所述插入角(αi，βi)为大约30°；
其中各唇部的所述拔出角(αe，βe)为大约50°；
其中所述内径(Di)为大约1.65mm；
其中所述壁直径(Dw)为大约3mm；
其中所述唇部间间隙(λ)为大约2.15mm。
9、一种制造电连接器的方法，该方法包括：
制造密封接头(2)，该密封接头具有插入表面(2a)、与所述插入表面相反的拔出表面(2b)、以及在所述插入表面和拔出表面之间延伸的至少一个通道(7)，所述通道用于在所述电连接器的组装状态下接收贯穿所述通道延伸的电连接组件(4，6)，所述电连接组件包括端子(4)以及连接至该端子的线缆(6)，所述线缆包括设计成容纳在所述通道(7)内的接合部分(6a)并具有直径DC；
将所述通道制造成具有：围绕通道中心轴线(8)具有壁直径(Dw)的对称壁(9)；和保持区域，该保持区域包括从所述壁伸出的第一唇部(10)、从所述壁伸出的第二唇部(11)、以及在所述唇部之间的唇部间间隙(λ)，所述第一唇部比所述第二唇部更接近所述插入表面；
将所述唇部(10，11)制造成在所述电连接组件的非组装状态下均包括：面向相应唇部的内表面(11b，10b)的内表面(10b，11b)、与所述内表面(10b，11b)相反的外表面(10a，11a)、以及所述内表面和所述外表面之间的顶表面(10c，11c)，所述顶表面面向所述中心轴线(8)并具有内径Di。
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