使用 TE 的赛车连接器,可减轻赛车的重量并提供高性能。

趋势

耐极端温度

互连使得赛车应用领域的减重效果上升到了一个新的高度。作者:Paul Webb,赛车事业部销售及市场营销经理

在 Formula 1 (F1) 赛车以及其他赛车中,减重是取得竞争优势的关键。 这个组件轻几克,那个组件也轻几克,总体上就可以显著地减轻赛车的重量。而且,当前的趋势越来越倾向于高密度地组装各种电子部件。随着汽车电子元件的增多,自然而然地就需要将部件的组装最小化,以获得最大的空间利用率。使用我们的线束和互连系统,可以减轻赛车的重量,减小赛车的大小。连接器和电缆的首要要求是坚固耐用,需要能够承受极端的温度和振动,并能够接触液体(尤其是刹车清洁剂)。

TE Connectivity (TE) 的 DEUTSCH AS 系列连接器的演变体现了连接器的微型化过程。 连接器越小,重量通常越轻,因此我们一直将注意力放在了研发密度更高的连接器上。在演变过程中,不锈钢外壳逐渐被轻质铝材,甚至更轻的复合材料所取代。耦合环等功能组件也越来越小。由于连接器缩小,因此还必须注重可用性问题,例如,我们重新设计了滚花,以便于戴着手套的技术人员可以快速、准确地连接和断开连接器。在连接器的外壳中采用复合材料是减轻重量的一种行之有效的方法。当首次在赛车行业使用复合连接器时,它们并没有达到预期的坚固耐用性能。具体而言,复合材料不能接触刹车清洁剂。因此,设计人员决定弃用它们。但复合材料也在不断地演变。它们已经得到了显著的改善,新一代复合材料很快就能完全满足赛车的需求。因此,值得对复合材料在减轻重量以及满足赛车的机械和环境需求方面的能力进行一个全新的评估。

新一代 DEUTSCH AS 连接器尺寸更小、重量更轻。
新一代 DEUTSCH AS 连接器尺寸更小、重量更轻。

从传统上讲,复合材料已经使连接器的重量减轻了大约 40%。 通过优化加固材料以及在聚合物基体中引入泡沫,可以实现额外 10%-20% 的减重。不仅纤维材料,加固纤维的长度也在决定成品部件的强度方面起着重要作用。材料的强度越高,意味着壁厚越薄,因此重量越轻。现在可以在聚合物复合材料中引入泡沫剂或微球体,但加固纤维的体积越大,难度越大。高性能薄壁电缆已成为赛车的标准。典型的电缆(如 TE 的 SPEC 55 电缆)使用交联的 ETFE 绝缘和护套材料,最高可承受 150°C 或 200°C 的温度,并具有卓越的耐液体性能。薄壁结构可实现减重,且不会影响性能。尽管商用汽车行业和军队都已开始使用铝质电线和电缆来进行减重,但铝质材料尚未在赛车行业获得广泛的使用。

可靠的端子增强了铝质电线的使用。
可靠的端子增强了铝质电线的使用。

我们认为铝质电线太硬,难以使用。 其弯曲半径不如铜,并且可能发生冷蠕变,因此还会担心能否实现可靠的端接。然而,端子却可以抵消冷蠕变形成可靠的气密连接。铝的传导率仅为铜的 60%,因此需要一个更大的导体才能获得相同的载流量。即使这样,铝质连接器的重量也仅为铜的一半。

解决 EMI:三种方法

尽管赛车中很少使用屏蔽层,但新技术的采用导致电气噪声不断升高,必须加以处理。例如,大电流能量回收系统是电磁干扰 (EMI) 的来源。

1

距离

增大 EMI 来源与易受影响的电线及电子设备之间的距离。由于车内的空间有限,因此在大多数情况下这种方法都是不切实际的。

2

屏蔽

由于屏蔽层会增加重量,因此通常仅在需要时才使用,而不是屏蔽电缆的标准化要求。这可以通过在电缆上套上铜编织层并端接到连接器的后壳实现。该编织层形成一个对地的低阻抗回路,以防止 EMI。TE 最近引入了一种轻质编织层系统,其减重效果比传统编织层高出 50%。

3

光纤

具备抗 EMI 能力。此外,光缆的重量明显轻于铜缆。玻璃和塑料光纤都是赛车应用领域的备选材料。玻璃光纤的优点是带宽和工作温度范围更高,一些特种光纤的工作温度甚至高达 700°C。其缺点是难以使用。尽管玻璃光纤坚固耐用且可加固,但对它们进行布线以及观察其弯曲半径时仍必须谨慎。电缆结构可以克服上述许多缺点,以使玻璃光纤能够承受构造、维护赛车以及进行赛车比赛的严苛要求。就电缆本身以及相关的电子收发器而言,塑料光纤更便宜。塑料光纤目前广泛用于商用汽车网络,并且它们可以承受更大的机械损伤和过度弯曲。主要缺点是温度范围,标准 POF 电缆的温度上限为 85°C,高温 POF 电缆为 125°C。

如果可以重新考虑使用复合连接器,那么也可以使用复合外壳来替代电子控制装置及其他系统的铝质外壳。 复合外壳最初的吸引力在于减重,碳填充聚苯硫醚复合外壳的重量比铝质外壳轻 40%。复合材料坚固耐用并可定制,可提供卓越的耐冲击性、抗拉强度、耐弯性等。它们可能比铝质插接部件更结实,因为它们不易受损或变形。用复合材料取代金属外壳,不仅能提供金属在机械和电气方面的全部优势,还能提供轻量、耐腐蚀性和低成本的优势。 

复合外壳和选择性电镀的结构更简单、重量更轻,可用于替代铝质外壳。
复合外壳和选择性电镀的结构更简单、重量更轻,可用于替代铝质外壳。

新的功能和新的材料配方为您提供了更多选择。 通过填充物(从传统的碳纤维到微球体再到碳纳米管),可以定制外壳,以帮助在重量与电气、机械和环境性能之间实现最佳平衡。通过高级模塑,可以形成支座、一体式连接器外壳、分隔以及其他三维特性。通过选择性金属化,可以使电路走线、屏蔽层,甚至嵌入式天线以极具成本效益的方式整合到外壳中。除了复合材料的基本优点外,三维模塑和选择性金属化还可实现额外的减重。

结论

互连技术不断进步,使赛车应用领域的减重效果上升到了一个新的高度。更重要的是,旧技术又焕发出新的生机。过去被认为在一些方面存在不足的技术有了新的进展。所以不要一味地秉持过去的传统观点。复合连接器和外壳、光纤、编织层屏蔽以及铝质电线都值得进行一个全新的评估。与 TE 合作的优势是,我们会采用系统级的视角来实现内部互连。这个组件增加几克,那个组件却可以减轻几千克。最终的目的是赢得比赛,而不是看单个组件。