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Title: Study of Fretting behaviour on automotive electrical contacts
Authors: Esteves, Miguel Alberto Pereira 
Orientador: Ramalho, Amílcar Lopes
Keywords: Fretting Tribology; Automotive industry; Electric contacts; Wear
Issue Date: 13-Oct-2016
Citation: ESTEVES, Miguel Alberto Pereira - Study of fretting behaviour on automotive electrical contacts. Coimbra : [s.n.], 2016. Tese de doutoramento. Disponível na WWW: http://hdl.handle.net/10316/31602
Project: info:eu-repo/grantAgreement/FCT/SFRH/SFRH/BDE/52102/2013/PT 
Serial title, monograph or event: Study of Fretting behaviour on automotive electrical contacts
Abstract: The electric and electronic connectors market represents an area of business widely present on every industry, direct or indirectly. Roughly, the annual production in this sector is one trillion connectors, in which more than 200 billion belong to the automotive industry (estimated in 21%), with increasing perspectives. Power supply and signal communication in automotive contacts, take great interest in stainless steel, nickel and gold platted. The problem with this coatings is their resistance to the wear process, in the present situation, fretting wear who dictates that the majority of contact life will be performed by bulk materials contact behaviour. These specific type of steels, AISI 304, are commonly used when a good elastic behaviour is needed like spring contacts, high elastic modulus, but also battery contacts, particularly coin batteries. As this type of contact is often used in a large number of small connectors, especially on the interface of printed circuit boards, there is a significant interest in studying the entire problem. Austenitic stainless steels have some properties, mainly the low oxidation rate, that, allied with relatively low cost and availability, qualify this type of material for this specific task. Current work deals with different effects in the contact surfaces subjected to fretting movements and electric current flow. The main purpose is to establish a relationship between the energy dissipation by friction and the energy dissipation by the Joule effect as well as the synergetic effects. The fretting tests consisted in reciprocating movements on a sphere-on-flat-surface contact geometry. The electric current was kept constant during the entire test at various set values, ranging from 0 mA (no current), corresponding to no energy dissipation by the Joule effect, to 120 mA. The addition of energy in the contact by the Joule effect increases the oxidation of the contact surfaces, inducing wear acceleration in both specimens by synergetic effect. A synergetic model was introduced in order to quantify individual contributions to total wear volume, which is composed by mechanical wear, a joule effect parcel of wear and an incremental factor of degradation due to the combined effect. This model allows to forecast the expected wear volume for a specific contact condition. Specially in the cases were coatings are used to guarantee good electric performance in the contact, further the global wear amount, the prediction of local wear is fundamental to estimate the evolution of the electric contact performance. In order to accomplish this objective a wear model suitable for sliding and fretting wear was designed, allowing to estimate the volume loss on contact surfaces based on friction dissipated energy. Hertzian normal contact pressure and a friction stress field are used to determine the resulting contact stresses leading to local analysis of the wear process. An experimental validation study was performed using two pairs of materials commonly used in mechanical applications, regarding an Alumina sphere (Al2O3) against an AISI M2 steel flat specimen for the sliding reciprocating tests and an AISI 52100 steel sphere against an AISI M2 steel flat specimen for the fretting tests. The results present a very good correlation between experimental data and predicted values from the wear model, in spite of a high dependency on experimental wear rate values used in the model. The resulting wear is compared considering both the local wear depth and the wear volume of experimental tests with the forecasted values. Preliminary studies suggest the relevance of contact compliance as well as the debris removable and agglomeration affinities. Nevertheless, both parameters influence wear and electric resistance in an inverse way, mainly because agglomeration of wear particles in the contact tend to decrease wear (protective layer) but increase largely the resistance. In the last years, texturing were used as a way to improve the performance of several types of mechanical contacts, and some studies have been done even for the application of these techniques to electric contacts. Therefore, analyzing surface texturing influence, dimples and hollows, on the wear and electric conduction of AISI 304 subjected to reciprocating fretting tests was of most importance. Doing so, the ability to accommodate said debris outside the contact on textured surfaces will be considered as a possibility to improve the performance of electric contacts. Tests were conducted for different sphere radius, texture densities and orientation. There is an obvious influence of contact radius on the electric performance in these type of contacts and basically almost any texture surface is better than a flat surface, counting that the surface is not easily saturated and the contact is multiple.
O mercado dos conectores ou componentes eletrónicos e elétricos estão presentes em diversas áreas da indústria, direta ou indiretamente. Aproximadamente, a produção anual deste tipo de componentes é de mais de um bilhão, dos quais cerca de 21% fazem parte da industria automóvel, com elevadas tendências de crescimento. Na indústria automóvel, aços inox com revestimentos de níquel ou ouro são de muito usados em contactos com passagem de corrente, alimentação ou comunicação. O problema com estes revestimentos é a sua resistência ao desgaste, na presente situação desgaste por fretting o qual dita em grande parte da vida das conexões será suportada pelos materiais de base e suas propriedades. Este tipo de aços inox, AISI 304, são comummente aplicados em situações que requerem bom comportamento elástico como molas de contacto, elevado módulo de elasticidade mas também em invólucros de baterias, especificamente baterias moeda. Como este contacto é tipicamente usado em pequenos componentes, com especial atenção para contactos com placas de circuito interno, existe elevado interesse em analisar o problema. Aços inoxidáveis austeníticos possuem diversas propriedades interessantes, nomeadamente a resistência à oxidação que aliada ao baixo custo e facilidade de acesso qualificam este material para esta tarefa específica. O presente trabalho lida com os diferentes efeitos nas superfícies de contacto sujeitas a fretting e passagem de corrente em aços inoxidáveis austeníticos. O principal objetivo é estabelecer a relação entre a energia dissipada por atrito e a energia dissipada por efeito de joule e seus efeitos sinergéticos. Os ensaios de fretting consistiram em testes de movimento reciproco com contacto de esfera sobre plano. A corrente elétrica foi mantida constante durante cada ensaio, em vários valores pré estabelecidos desde 0 mA (sem corrente), que corresponde a uma adição nula de energia dissipada por efeito de joule, até 120 mA. A adição de energia dissipada por efeito de joule no contacto aumenta a oxidação, induzindo uma aceleração no desgaste em ambas as amostras por efeito sinergético. Foi apresentado um modelo sinergético por forma a quantificar as contribuições individuais para o desgaste total, que será composto por desgaste mecânico, uma parcela de desgaste por efeito de joule e um fator incremental de degradação devido ao efeito combinado das duas fontes de desgaste. Foi também desenvolvido um modelo de desgaste adequado a desgaste alternativo e fretting, que permite estimar o volume de desgaste em superfícies sujeitas a energia dissipada por atrito. A pressão normal de contacto hertziana e o campo de tensões de atrito foram usados para determinar as tensões resultantes no contacto facilitando uma análise local. A validação experimental foi elaborada com recurso a dois pares de materiais usados comummente em aplicações mecânicas, esfera Alumina (Al2O3) contra um aço AISI M2 com amostra plana nos ensaios de desgaste alternativo e uma esfera de aço AISI 52100 contra uma amostra plana de aço AISI M2 nos ensaios de fretting. Os resultados apresentam uma boa correlação experimental e prevista pelo modelo, mesmo tendo em conta a elevada dependência no modelo da taxa de desgaste experimental. Os resultados foram comparados considerando as variações de volume local e globais, nas principais secções das marcas de desgaste. Algumas análises preliminares sugerem a importância da acomodação do contacto assim como a capacidade de expulsar e acomodar partículas de desgaste. Mesmo assim, ambos os parâmetros são de extrema importância no desgaste e resistência elétrica mas de forma inversa, visto que aa aglomeração de detritos no contacto aumenta a impedância mas tende a amenizar o desgaste (camada protetora). A análise da influência da textura, entenda-se por concavidades e convexidades, no desgaste e condução elétrica de aço AISI 304 sujeito a ensaios de fretting é de extrema importância. Fazendo isto, seremos capazes de determinar a habilidade para acomodar as partículas de desgaste fora do contato. Foram conduzidos ensaios para diferentes raios da esfera, densidade de textura e orientação. Existe uma tendência óbvia na influência do raio de contacto na performance elétrica neste tipo de contatos e basicamente qualquer textura melhora esta mesma performance face a uma superfície plana, contando que a superfície não seja saturada no imediato e se estabeleça contato múltiplo.
Description: Tese de doutoramento em Engenharia Mecânica, na especialidade de Integridade Estrutural, apresentada ao Departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra
URI: http://hdl.handle.net/10316/31602
Rights: openAccess
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