Détection et étude de micro-déplacements des contacts sous contrainte vibratoire et leurs conséquences sur les matériaux et revêtements des connecteurs-automobiles

par Julien Labbé

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Rochdi El Abdi et de Erwann Carvou.

Soutenue le 17-07-2017

à Rennes 1 en cotutelle avec Rennes 1 , dans le cadre de SCIENCES DE LA MATIERE , en partenariat avec Universite Bretagne Loire (ComuE) et de Institut de physique (Rennes) (laboratoire) .


  • Résumé

    Les vibrations issues du fonctionnement d'un véhicule automobile (moteur, route) sont transmises aux connecteurs électriques. Ces vibrations peuvent induire des déplacements relatifs entre certains des composants du connecteur à l’interface de contact. Les éléments en contact sont de diverses formes et diverses natures dont une partie femelle (dite clip) dans laquelle s’introduit une partie mâle (dite languette). Or, un déplacement relatif de quelques micromètres entre le clip et la languette est suffisant pour dégrader et ce de manière irréversible, l'interface de la zone de contact électrique (phénomène de fretting-corrosion). Il est donc nécessaire de connaître le comportement vibratoire interne d'un connecteur i.e. des connectiques pour préconiser sa meilleure son utilisation au sein d'un véhicule. Un banc d'essai sur pot vibrant a été réalisé dans le but de caractériser le comportement vibratoire d'un connecteur soumis à un profil vibratoire. Les mesures ont été réalisées par tribométrie en réalisant des orifices d'accès au clip et à la languette. De là, l'analyse des vibrations induites a mis en évidence des directions de déplacement multi-axiales des composants du connecteur et notamment celles d’un support du clip dit porte-clip, et ce malgré une vibration dont la direction est mono-axiale. L'analyse a également mis en évidence une correspondance vibratoire entre le clip et le porte-clip ainsi que des phénomènes de résonances. De là, une première approche sur une modélisation numérique, basée sur un système masse-ressort-amortisseur, a été proposée. Cette analyse permet de caractériser le comportement vibratoire général d'un connecteur sans dépendre du type de vibration appliquée. C'est une nouvelle approche dans la caractérisation de connecteurs électriques utilisés dans l’industrie automobile. Les éléments en contact d’un connecteur sont revêtus de matériaux qui les protègent des dégradations mécaniques et chimiques. Ces revêtements (de quelques micromètres d’épaisseur) peuvent être des matériaux nobles (or, argent,…) ou non nobles (étain, …). Le déplacement relatif entre un clip étamé et une languette étamée engendre la formation d'un troisième corps à l'interface de contact. Ce troisième corps est composé de débris oxydés qui perturbent la conduction des charges électriques. L'utilisation d'une atmosphère de di-azote (N2) et l’analyse de la tension de contact en fonction de l'emplacement du clip par rapport à la languette ont mis en évidence la dynamique des débris oxydés avec notamment leur évacuation hors de la zone de contact. De plus, l'analyse d'une zone de contact dégradée à la microsonde nucléaire a permis de doser l'oxygène et de mettre en valeur deux types d'oxydes de cuivre. Ces caractérisations permettent de mieux comprendre le phénomène de fretting-corrosion et ses conséquences.

  • Titre traduit

    Detection and study of micro-displacement of electrical contact under vibratory stress and their consequences on the materials and coatings of automobile connectors


  • Résumé

    Vibrations are generating from an operating vehicule (motor, road). Then, they are transmitted to electrical connectors. Therefor, these vibrations can induce relative displacements between some of the connector components. The components for the electrical contact are the female part (called a clip) and the male part (called the tongue).These components are coated with materials that protect them from mechanical and chemical degradation. These coatings (a few micrometers thick) can be noble materials (gold, silver,...) or not noble (tin). A relative displacement of a few micrometers between the clip and the tongue is sufficient to irreversibly degrade the interface of the electrical contact zone by fretting-corrosion phenomenon. It is therefore necessary to know the internal vibratory behavior of connectors in order to recommend its best use for a vehicle.A test bench is carried out in order to characterize the vibratory behavior of a connector subjected to a vibratory profile. The measurements are carried out by vibrometry by making holes access for the clip and the tongue. From there, the analysis of the induced vibrations has revealed multi-axial directions displacements of the components of the connector and in particulary the clip holder (external support of the clip), despite a vibration whose direction is mono-axial.The analysis also showed a vibratory correspondence between the clip and the clip holder and resonance phenomena. From there, a first approach on a numerical modeling, based on a system mass-spring-damper, has been proposed. This analysis makes it possible to characterize the general vibratory behavior of a connector without depending on the type of vibration applied. This is a new approach in the characterization of electrical connectors used in the automotive industry.The relative movement between the clip and the tongue induce formation of a third body at the contact interface. This third body is composed of tin oxidized remains which disturb the conduction of electrical charges due to their electrcail insulating characteristic. The use of a nitrogen atmosphere and the analysis of the contact voltage as a function of the location of the clip relative to the tongue have demonstrated the dynamics of the oxidized debris with, in particular, their evacuation out of the contact area. Moreover, the analysis by a nuclear microprobe of a zone degraded contact area enable the measurement of oxygen concentration. The results hilight two types of copper oxides. These characterizations make it possible to better understand the phenomenon of fretting-corrosion and its consequences.


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