愛迪爾散熱風扇繼電器失效探析及改進

謝曙光，王少萬

（長安合肥昌河汽車公司，安徽 合肥 230031）

愛迪爾散熱風扇繼電器失效探析及改進

謝曙光，王少萬

（長安合肥昌河汽車公司，安徽 合肥 230031）

愛迪爾汽車在零部件國產(chǎn)化初期，售后市場出現(xiàn)批量散熱風扇繼電器失效故障。本文剖析故障原因，并對故障部件進行改進優(yōu)化。

散熱風扇繼電器；觸點燒蝕；觸點材料改進

愛迪爾汽車是一款引進日本鈴木W(wǎng)agon車型并改造升級，由歐洲名家精心設計推出，昌河汽車公司傾力打造的多用途二廂轎車。它以獨特的造型、超大儲物空間、優(yōu)異的操控性能并搭載節(jié)能環(huán)保的第2代SUZUKI發(fā)動機而占有一定的市場地位。

該車投放市場一段時間后，市場售后服務反饋該車型號72G00散熱風扇繼電器損壞率較高。通過市場調(diào)查和走訪用戶了解到，出現(xiàn)故障通常都有一個典型的產(chǎn)品使用特征：氣溫環(huán)境較高條件下車輛行駛較長時間。

1 故障分析

1.1 繼電器

繼電器以低電壓、小電流控制高電壓、大電流，具有完善的隔離結(jié)構(gòu)，因而廣泛運用于各種控制電路。繼電器結(jié)構(gòu)可分為中間繼電器、壓力繼電器、速度繼電器等。其中中間繼電器也有多種形式，分為繼電式（接觸器式）、無觸點式（固體式）等。

汽車行業(yè)中繼電器選擇均考慮小型化，中、低壓，中、小容量為主。通常微型汽車使用電源多為12V，線圈電壓大都設計為12V規(guī)格。由于是蓄電池供電，電壓存在不穩(wěn)定情況，加以使用環(huán)境條件惡劣，對繼電器設計要求：吸合電壓U≤60%UH（定額工作電壓）；線圈過電壓允許達1.5UH；線圈功耗較大，一般為1.6～2W，溫升較高。環(huán)境要求也相當苛刻：環(huán)境溫度范圍為-40～100℃，在發(fā)動機艙室里使用的繼電器要能經(jīng)受沙塵、水、鹽、油的侵害。振動、沖擊無疑是相當苛刻的，沖擊強度達100g，沖擊穩(wěn)定性達10g。振動達10～40Hz，雙振幅1.27mm；40～70Hz，0.5g；70～100Hz，0.5mm（雙振幅）；100～500Hz，10g等。因此汽車繼電器在選用時主要考慮以下參量：線圈額定電壓；動作電壓、釋放電壓；最大連續(xù)通電電流；線圈功耗；線圈溫升。

繼電器在設計、選用時，對安全性要求予以充分重視，主要考核以下幾個重點。

1）絕緣材料要求具有阻燃性能，耐溫等級溫度上限≥最高環(huán)境溫度+線圈溫升+15℃。

2）觸點過負載能力觸點應能100次成功（交流為200次）切換兩倍額定負載電流。

3）絕緣抗電水平繼電器各導電部分之間的絕緣電阻一般應達：＞100MΩ，＞500MΩ，＞10000MΩ。繼電器各導電部分之間的絕緣應能承受使用中可能出現(xiàn)的最高峰值電壓而不損壞，漏電流不得超過100μA（或1mA）；也不允許有飛弧、閃爍或擊穿而引起的缺損故障。

常用接觸器式繼電器有4個工作狀態(tài)：閉合過程、閉合狀態(tài)、斷開過程、斷開狀態(tài)。接觸器式繼電器對觸點的基本要求：在閉合過程中能可靠地接通電路，觸點不發(fā)生彈跳；在閉合狀態(tài)時觸點導電良好，能可靠地流過額定電流而不會過熱；在斷開過程中能及時熄滅電??；在斷開狀態(tài)時能將電路可靠地斷開。

有研究機構(gòu)資料表明，在對2009年完成的1500余項電子元器件失效過程分析中發(fā)現(xiàn)，繼電器所占的失效比例高于18%。從接觸器式繼電器使用情況的信息反饋中也發(fā)現(xiàn)，觸點在工作中存在各種失效模式。負載電流不同，表現(xiàn)的失效形式也不同。在不同的工作條件下，接觸器式繼電器觸點會出現(xiàn)冷焊、接觸電阻過大、電弧熔焊等故障。相關(guān)資料表明繼電器觸點失效模式占繼電器失效比例高達80%。

1.2 散熱風扇工作原理

聯(lián)系上述愛迪爾汽車散熱風扇繼電器工作失效率高的問題，通過市場故障件采樣，結(jié)合該零件控制電路圖進行分析。散熱風扇電路簡圖如圖1所示。

汽車發(fā)動機ECUC3腳接散熱風扇繼電器控制回路端，ECUB15腳接冷卻液溫度傳感器，該溫度傳感器裝配在發(fā)動機上，用來檢測發(fā)動機冷卻液溫度。當發(fā)動機冷卻液溫度上升到104～105℃區(qū)間時，冷卻液溫度傳感器給發(fā)動機ECU傳遞檢測信號，ECU發(fā)出指令修正發(fā)動機噴油量和點火提前角等工況參數(shù)，并通過ECU內(nèi)部電路導通控制三極管，令ECUC3腳處于低電位，這時散熱風扇繼電器吸合，電子風扇啟動工作，風冷水箱散熱器通過冷卻液內(nèi)外循環(huán)，降低冷卻液溫度到85℃左右，此時ECU指令截止控制三極管，ECUC3腳處于高電位，散熱繼電器斷開電子風扇停止工作。這樣周而復始地循環(huán)工作。

愛迪爾散熱風扇繼電器工作環(huán)境嚴酷，它安裝在發(fā)動機前艙蓋內(nèi)，該位置溫度較高，平均溫度達45～65℃，在7～9月期間，有時高達90℃以上。而且繼電器外面又套有橡皮套，極不利于散熱。散熱風扇繼電器如圖2所示。

繼電器工作狀態(tài)下負載也大，通過實測：愛迪爾系列電子風扇啟動電流為14.5～15A，穩(wěn)定工作電流為8.5～8.8A。Ⅱ系列“YDK”電子風扇的啟動電流為18.8～19.5A，穩(wěn)定工作電流為10.4～10.8A。

當繼電器斷開時，感性負載中線圈所儲存的能量必須通過斷開觸點間的電弧釋放、消耗掉，這樣往往會導致觸點燒蝕、熔焊或絕緣零部件失效等故障。在剛剛接通這些負載時，由于輸入阻抗低，如同電感負載一樣，也會產(chǎn)生強大的浪涌電流。

由于電子風扇是電感性器件，如上所述，繼電器觸點斷開時產(chǎn)生的反電動勢形成的電弧，以及貯存在線圈中的電磁能均是通過觸點間燃弧消耗掉的，很容易使繼電器觸點燒蝕。愛迪爾Ⅱ系列發(fā)動機為鈴木K14B，其排量較大，發(fā)動機溫升很快，電子風扇工作時更加頻繁。同時，配置Ⅱ系列發(fā)動機的“YDK”電子風扇的啟動電流較大，繼電器觸點接觸時產(chǎn)生的熱量更多，對繼電器的要求更加苛刻。若觸點、結(jié)構(gòu)框架等配件技術(shù)指標達不到要求，則由于繼電器頻繁工作將導致觸點燒蝕嚴重。

1.3 繼電器觸點點蝕

為進一步了解該繼電器使用情況，我們分期走訪了愛迪爾用戶（特別針對使用了半年和一年以上的用戶），并對各走訪用戶所配繼電器隨機采樣，拆解后對比分析，發(fā)現(xiàn)繼電器觸點點蝕程度差異很大。圖3為使用半年的繼電器觸點。圖4為使用一年以上的繼電器觸點。

圖3和圖4對比觀察后可見，使用了一年以上的繼電器動、靜觸點點蝕明顯。另一方面，由于觸點接觸時存在接觸電阻，當觸點的工作電流越大，導通時觸點產(chǎn)生的熱量也就越多。由于繼電器觸點燒蝕趨于擴大，接觸電阻也逐漸增大，電子風扇啟動時繼電器觸點產(chǎn)生更多的熱量。特別是由于愛迪爾Ⅱ系列發(fā)動機排量較大，電子風扇工作頻繁，繼電器觸點反復燒蝕產(chǎn)生更大的接觸電阻，因而產(chǎn)生的熱量更多。這里，僅把觸點看成純電阻回路，可以用熱量方程式加以表述，即焦耳定律表達式

式中：Q——熱量，J；I——電路電流，A；R——接觸電阻，Ω；t——電路通電時間，s。

由此可見，熱量Q與電路電流的平方、接觸電阻及通電時間成正比。在額定觸點導通電流條件下，接觸電阻越大，通電時間越長，產(chǎn)生的熱量越多，使得繼電器溫度更高。當溫度達到一定程度，通過繼電器觸點簧片傳遞熱量導致線圈支架變形，致使繼電器觸點簧片閉合狀態(tài)惡化，進一步造成繼電器觸點接觸不良，更進一步加大觸點接觸電阻，反過來進一步加大觸點點蝕程度，線圈過熱導致線圈漆包線脫落，最終造成內(nèi)部短路而燒毀。線圈支架變形及線圈燒壞故障件如圖5所示。

繼電器支架變形，致使線圈導電時觸點不能接觸閉合，電子風扇無法工作，發(fā)動機將面臨過熱拉缸損壞的危險。所以，繼電器觸點材質(zhì)很大程度上決定了其穩(wěn)定性、可靠性及工作壽命。綜合上述，選用的這款繼電器雖然在吸合電壓工作范圍、動作電壓、釋放電壓以及線圈功耗方面滿足設計需要，但是，該繼電器觸點最大極限容量僅25A，就產(chǎn)品使用安全裕度來說是偏小的。由此可見，該款車型設計配置的這個通用型繼電器不能滿足大功率發(fā)動機散熱要求，究其原因，這是由于繼電器國產(chǎn)化進程中，繼電器相關(guān)技術(shù)性能指標選擇不當所致。

2 改進設計及驗證

2.1 故障部件的改進設計

由于該型汽車的整體設計要求，該零件位置難以變動，而且鑒于該零件采用通用化采購設計，所處位置使該零件外皮套又不能減除，在高溫環(huán)境下，如何應對和排除故障？優(yōu)化工作環(huán)境、強化繼電器結(jié)構(gòu)、加大繼電器容量、優(yōu)化繼電器觸點都是可行的參考選項。經(jīng)評估分析認為，改變工作環(huán)境、優(yōu)化繼電器結(jié)構(gòu)和加大繼電器容量由于涉及成本較高、時間周期長等原因而放棄了。只有把提高繼電器觸點壽命作為突破點。

選擇繼電器觸點不得不說一下與之相關(guān)聯(lián)的一個考量：電弧。繼電器觸點剛分離時突然解除接觸壓力，陰極表面立即出現(xiàn)高溫熾熱點，產(chǎn)生熱電子發(fā)射；同時，由于觸點的間隙很小，使得電壓很高，產(chǎn)生強電場發(fā)射。此時，在外加電壓作用下，間隙被擊穿，形成電弧。電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，電弧溫度很高，有資料表明弧柱中心可達10000℃左右，這將使觸點表面熔化和蒸化，燒壞絕緣材料。

另一方面，從使用上來考慮觸點的特性，即接觸電阻穩(wěn)定性，以利于延長觸點壽命。為此必需考慮接點的形狀、表面的粗糙度等因素。繼電器工作狀態(tài)下實際只是接觸了一點或者多點，電流集中流到這個接觸點，從而產(chǎn)生電阻。圖6是連接點電流分配示意圖。

所以，為了滅弧和減少電阻，觸點必需采用熔點高、導熱能力強和熱容量大的耐高溫金屬。這樣減少了熱電子發(fā)射和電弧中的金屬蒸氣，有利于電弧熄滅，另一方面也滿足了觸點硬度和融點高，耐電弧性好的要求。在綜合考慮各方面技術(shù)要求，并結(jié)合制造、使用成本等因素前提下，選擇觸點材料以銀合金為主。在多種銀合金材料中我們選擇銀鎢合金，理由是其硬度和融點高，耐電弧性好，不易被移動、粘連，以確保高的耐電壓、抗電弧燒蝕、抗熔焊、耐磨損等優(yōu)良的綜合電氣性能。

綜上所述，我們提出以下改進對策。

1）將繼電器觸點材料改進為銀鎢合金，籍以提高觸點抗燒蝕性能，確保改進型繼電器工作狀態(tài)良好。

2）將原來繼電器框架材料換成阻燃增強性PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯）材料，提高熱熔點特性，以增強繼電器框架高溫狀態(tài)下的機械強度和耐高溫性能。

2.2 樣品驗證與品質(zhì)跟蹤

將改進后的樣品立即進行試驗驗證。模擬汽車行駛時發(fā)電機14.2～14.5V電源電壓工作狀態(tài)下，帶電子風扇負載試驗。以Ⅱ系列電子風扇為試驗負載，每啟動一次，持續(xù)工作30min，反復連續(xù)啟動工作36h，試驗結(jié)束后拆解繼電器樣品，測試繼電器即時內(nèi)部溫度為95℃，其塑料框架完好。觀察其動、靜觸點表面，沒有明顯的點蝕痕跡。通過試驗驗證，我們認為：雖然改進項目增加了些許成本，但換來零件穩(wěn)定可靠的性能，具有明顯的價值意義。

2009年第三季度后，愛迪爾7101、7111、7131全系列車型均采用改進完善的散熱風扇繼電器。對裝配改進的多批次數(shù)千臺產(chǎn)品持續(xù)半年以上的品質(zhì)跟蹤調(diào)查，特別重點對使用條件較為苛刻的用戶跟蹤，沒有再出現(xiàn)散熱繼電器損壞故障。經(jīng)歷品質(zhì)跟蹤和試驗驗證表明，經(jīng)過改進的繼電器能夠勝任相關(guān)技術(shù)要求，為確保愛迪爾產(chǎn)品品質(zhì)奠定了堅實的基礎，提高了產(chǎn)品在市場的競爭力。

3 總結(jié)

汽車繼電器要根據(jù)不同的使用環(huán)境、用電器參數(shù)要求，合理選擇使用，具體到繼電器觸點容量和觸點材料選用與匹配，從而避免和減少繼電器故障率。在后續(xù)其它汽車產(chǎn)品同類繼電器設計配置中，已將該類繼電器觸點容量提高到40A，并優(yōu)化工作環(huán)境，有效地確保汽車使用安全可靠。

［1］余瓊.航天繼電器可靠性評價及壽命試驗方法的研究［D］.哈爾濱工業(yè)大學，2011.

［2］劉幗巾，陸儉國，王海濤，等.接觸器式繼電器的失效分析［J］.電工技術(shù)學報，2011，26（1）：81-85.

［3］劉幗巾，趙靖英，孫順利，等.繼電器觸點失效的物理分析［J］.低壓電器，2006（6）：12-14.

（編輯習習）

Analysis and Improvement to Radiator Fan Relay Failure on IDEAL

XIE Shu-guang，WANG Shao-wan
（Changan Hefei Changhe Automobile Co.，Ltd.，Hefei 230031，China）

Many radiator fan relays on IDEAL lose effect in the beginning period of localization of its parts. The failure causes are analyzed here and the failure components are improved and optimized.

radiator fan relay；contact ablation；improvement of contact material

U464.138.2

A

1003－8639（2014）06－0023－03

2013-09-03；

2013-10-16