汽車繼電器機械耐久性對釋放電壓影響的研究

陳紅波

（廈門宏發汽車電子有限公司，福建 廈門 361021）

汽車繼電器的主要功能是切換汽車用電器負載和載流，這就要求繼電器不僅需要滿足規定的負載切換能力，同時也要求繼電器在規定的動作次數范圍內電氣參數也要合格。通常情況下電磁繼電器機械耐久性試驗后，釋放電壓變化大且容易超出規定的范圍。在實際工況中，汽車電氣電路不僅電壓波動范圍大，而且大部分負載電流大。如果繼電器釋放電壓小于線圈兩端殘余的電壓，繼電器不切換，被控制負載一直通電，會出現電路過熱導致汽車起火。一般情況下，解決釋放電壓變化大的問題是采取提高繼電器的初始釋放電壓，但是汽車繼電器發展趨勢是：小型化、低能耗、高負載、大電流PCB繼電器替代插入式繼電器。因此，設計裕量比較少，過多提高繼電器初始釋放電壓，會影響繼電器吸反力曲線的匹配性，有可能達不到當初的設計要求。

本文主要通過對汽車超小型PCB式繼電器機械耐久試驗后釋放電壓變大的原因分析，結合理論分析及試驗驗證，確認機械耐久試驗后釋放電壓變化大的原因并提出相應的改善措施。

1 機械耐久性試驗條件

機械耐久性試驗是評定繼電器在額定激勵條件下，在全部延長的循環次數中的機械性能，確保繼電器全生命周期內能可靠動作。試驗的方法是按IEC 61810-7（繼電器試驗和測試程序技術要求）的4.31條（機械耐久性）規定進行試驗，并應采用下列細則和特殊規定：①總的循環次數：107次；②監測方法：中間檢測（總壽命次數的每20%做一次檢測）；③失效判據：動作電壓、釋放電壓、接觸電壓降超過標準的規定；④溫度：室溫；⑤激勵值：額定電壓；⑥循環速率和占空比：循環速率300次/min，占空比50%；⑦觸點負載：無。

2 機械耐久性試驗結果及分析

2.1 繼電器試驗過程中釋放電壓的變化趨勢

從釋放電壓變化趨勢（圖1）來看，繼電器釋放電壓在0～200萬次過程中變化比較明顯，在200萬～1000萬次變化的斜率在減小，但也是一直在減小，在600萬次就出現釋放電壓超出規格下限。釋放電壓試驗前平均值為2.05V，試驗后平均值為0.78V，變化61.95%。

圖1 釋放電壓變化

2.2 試驗前后繼電器磁路的分析

2.2.1 銜鐵與軛鐵接觸處試驗前后的對比（表1）

2.2.2 銜鐵與鐵芯碰撞處試驗前后對比（表2）

表2 銜鐵與鐵芯碰撞處試驗前后對比

2.2.3 試驗前后變化點對繼電器的影響

繼電器在設計時，為了避免銜鐵在軛鐵刀口面轉動發生支點轉換，繼電器在吸合狀態下，銜鐵與軛鐵刀口斜面存在空隙。在機械耐久性試驗過程中，銜鐵與鐵芯一直碰撞，導致鐵芯極面的磨損；繼電器吸合后，銜鐵與軛鐵刀口斜面的空隙明顯變小，同時繼電器超行程變大。

軛鐵刀口面是一個有一定寬度和斜度的面。繼電器在釋放狀態時，銜鐵與軛鐵刀口面的接觸部分是中間低、兩邊高，在顯微鏡下觀察，軛鐵刀口面兩邊支撐銜鐵，中間有空隙。機械耐久試驗后，軛鐵刀口面兩邊支撐點被磨損，與中間部分一樣高，銜鐵與軛鐵刀口面不存在空隙，最終導致磁間隙變小和軛鐵刀口面與鐵芯極面的落差變小，分別產生的影響：繼電器的吸力增加和繼電器超行程變小。

3 釋放電壓變化大的理論分析

3.1 吸反力曲線分析

從繼電器機械耐久試驗后分析來看，鐵芯極面和軛鐵刀口面都出現磨損，采用吸反力曲線進行理論分析對釋放電壓的影響。

3.1.1 鐵芯極面磨損

如圖2所示，隨著鐵芯極面的磨損，繼電器吸合位置由O點變化至O′點，反力曲線1由A點延伸到B點，釋放電壓吸力曲線1由A點延伸到C點，此時，繼電器無法釋放。為讓繼電器釋放，繼電器的釋放電壓需減小，繼電器釋放電壓吸力曲線由吸力曲線1變為吸力曲線2，與反力曲線1交于B點。因此，鐵芯極面的磨損，會導致繼電器釋放電壓變小。

3.1.2 軛鐵刀口磨損

如圖3所示，隨著軛鐵刀口磨損，由于磁間隙的變小，繼電器的吸力曲線變大，釋放電壓吸力曲線由吸力曲線1變為吸力曲線2；同時超行程變小，反力曲線由反力曲線1變成反力曲線2。在同等電壓下，繼電器不釋放。為使繼電器釋放，繼電器的釋放電壓需下降，使吸力曲線與反力曲線重新交于C′點，即由吸力曲線2降為吸力曲線3。因此，軛鐵刀口面磨損會導致繼電器釋放電壓變小。

3.2 動簧片應力的分析

繼電器在動作過程中，動簧片反力隨變形而變化，動簧片應力也隨之變化，即動簧片會承受交變應力，動簧片存在疲勞導致繼電器有釋放電壓變小的可能，需要對動簧片的應力進行理論計算。

3.2.1 簧片的應力計算公式

應力計算公式：σ=M/Z=6PL/（Bt2）式中：P——簧片受力，N；L——簧片的長度，mm；B——簧片寬度，mm；t——簧片厚度，mm。

應力振幅σa=（σmax-σmin）/2

平均應力σm=（σmax+σmin）/2

圖4 簧片尺寸示意圖

3.2.2 繼電器動簧片的應力

圖5為繼電器裝配結構示意圖。根據其結構，判斷動簧應力集中部位主要有兩個位置：一個是動簧大角折彎處，另一個是與銜鐵鉚接處。根據應力計算公式得到兩處的應力振幅和平均應力（表3），取兩者中的最大值進行判斷。

圖5 繼電器裝配結構示意圖

表3 應力振幅和平均應力

3.2.3 繼電器動簧片的應力判斷

動簧片在動簧大角折彎處和在與銜鐵鉚接處的應力計算，得到最大應力振幅（103.31 MPa）和最大平均應力（69.17 MPa）。查所用動簧片材料（材料1）的S-N曲線（圖6）得107次反復振動最大應力振幅值為280 MPa，及其屈服強度（412 Mpa）和拉伸強度（573 Mpa），得出動簧片應力合格區域（圖7）。根據應力振幅和平均應力數據對應于疲勞極限圖的合格區域，動簧片不存在過應力，不是導致釋放電壓變化大的主要原因。

圖7 疲勞極限判斷圖

4 要因驗證

取樣進行機械耐久試驗，試驗次數200萬次，對比試驗前后的反力曲線，對比結果如圖8所示。

圖8 試驗前后反力曲線對比

通過對機械耐久性試驗前后繼電器的反力曲線對比，機械耐久后，繼電器的反力曲線變化與理論分析的變化一致。

5 改善驗證

要想改善試驗后釋放電壓變化大的問題，需要對鐵芯極面和軛鐵刀口面磨損進行改善。從加工精度和制造成本上考慮，軛鐵刀口面支撐邊不一樣高暫時不采取措施，優先選擇改善鐵芯極面的磨損。改善鐵芯極面的磨損主要有兩種思路：一種是改善鐵芯極面的表面處理，增加其耐磨性；另一種是優化吸反力曲線，減少銜鐵對鐵芯的撞擊力。從改善措施的難易考慮，先選擇改善鐵芯極面的表面處理，鐵芯表面原來只有鍍鎳，更改后先鍍銅再鍍鎳。

使用更改后的鐵芯樣品進行機械耐久試驗，試驗前后的釋放電壓對比見圖9。

繼電器機械耐久試驗前釋放電壓平均值為1.835V，試驗后釋放電壓平均值為1.21V，變化率為34.06%，與改善前變化率61.95%對比有明顯的改善，并且都在合格的范圍內。

鐵芯鍍層更改后，試驗前后的鐵芯極面形貌對比見圖10。

圖9 試驗前后的釋放電壓對比

圖10 試驗前后的鐵芯極面形貌對比

通過鐵芯極面的對比，鐵芯鍍層更改后，有效減少了機械耐久后鐵芯極面的磨損，有效減小了釋放電壓的變化量。

6 結束語

通過對汽車超小型PCB式繼電器機械耐久試驗前后的分析研究，找到造成繼電器釋放電壓變化大的主要原因如下：①鐵芯極面的磨損，導致繼電器反力曲線變化；②軛鐵刀口面磨損，導致繼電器反力曲線及吸力曲線發生變化。

通過更改鐵芯鍍層，由鍍鎳更改為先鍍銅后鍍鎳，提高了鍍層耐磨性能，可以有效改善繼電器機械耐久試驗后釋放電壓變小的問題，滿足了標準和整車實際使用要求。如果想進一步改善釋放電壓變小的問題，需要對軛鐵刀口面進行改善和進一步優化吸反力曲線。