簡(jiǎn)述汽車?yán)^電器超行程設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化控制

(上海滬工汽車電器有限公司，上海，201804)

1 引言

汽車上所使用的繼電器大部分結(jié)構(gòu)均屬于拍合式，同普通的拍合式電磁繼電器并無(wú)太大差異，但汽車?yán)^電器因其使用環(huán)境更為惡劣，需要滿足沖擊、振動(dòng)、高溫、高濕、鹽霧灰塵及嚴(yán)苛的電磁兼容性等要求，因此具體到繼電器的性能參數(shù)而言則有所不同，如本文所討論的"超行程"，汽車?yán)^電器為了抵抗行駛時(shí)的振動(dòng)沖擊，在設(shè)計(jì)時(shí)需要更大的超行程以獲得較大觸點(diǎn)壓力，確保汽車行駛中不因振動(dòng)或沖擊而造成繼電器觸點(diǎn)斷開(kāi)。

關(guān)于繼電器超行程的概念，不同的標(biāo)準(zhǔn)其定義各有不同，如GBT 2900.17-1994中其定義為觸點(diǎn)跟蹤(contact follow):觸點(diǎn)閉合過(guò)程中，觸點(diǎn)在剛剛接觸后，繼續(xù)沿動(dòng)接觸件運(yùn)動(dòng)方向前進(jìn)的規(guī)定位移，同義詞：觸點(diǎn)超行程。如前所述，繼電器磁路的結(jié)構(gòu)只有幾種基本類型：拍合式、吸入式(直通式)和旋轉(zhuǎn)銜鐵式，其中拍合式占了絕大部分應(yīng)用，其原因在于拍合式結(jié)構(gòu)相對(duì)于其它繼電器結(jié)構(gòu)(吸入式、旋轉(zhuǎn)銜鐵式)比較，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于零件加工與裝配。從磁路上說(shuō)，漏磁通不通過(guò)工作氣隙，使吸合和釋放參數(shù)不受漏磁通影響，所以拍合式結(jié)構(gòu)幾十年來(lái)成為電磁繼電器的主流。

拍合式結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖參見(jiàn)圖1所示。

1.彈簧 2.銜鐵 3.簧片 4.動(dòng)觸點(diǎn)5.上靜觸點(diǎn) 6.下靜觸點(diǎn) 7.鐵芯 8.線圈 9.軛鐵圖1 拍合式繼電器

拍合式結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是行程較小，吸力也偏小，但是由于其與幾十年來(lái)的汽車?yán)^電器小型化趨勢(shì)合拍--差不多同時(shí)發(fā)生的另一個(gè)趨勢(shì)是從多組觸點(diǎn)向單組觸點(diǎn)轉(zhuǎn)化，現(xiàn)在除一些插入式通用繼電器還保持著多組觸點(diǎn)形式外，其它繼電器大部分是單組觸點(diǎn)，所以這些缺點(diǎn)也可以容忍或者采用其他手段加以彌補(bǔ)，比如采用橋式觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)以增加觸點(diǎn)間隙，或者采用磁吹輔助滅弧以彌補(bǔ)觸點(diǎn)間隙不夠?qū)嗷〉挠绊懙龋缜八觯^電器的超行程是動(dòng)觸點(diǎn)的位移，在實(shí)際的產(chǎn)品裝配中很難測(cè)量，因此在繼電器設(shè)計(jì)及生產(chǎn)裝配控制中，常常將其轉(zhuǎn)換為銜鐵中心與鐵芯中心之間的距離，并作為設(shè)計(jì)及裝配的控制參數(shù)，如圖2所示。

圖2 簡(jiǎn)化后繼電器超行程

2 超行程設(shè)計(jì)

繼電器超行程是繼電器的重要參數(shù)之一，其目的主要有三點(diǎn)：一是確保觸點(diǎn)在磨損后仍能保持一定的觸點(diǎn)壓力；二是確保觸點(diǎn)閉合時(shí)減少?gòu)椞蝗怯|點(diǎn)分開(kāi)時(shí)獲得初始動(dòng)能，提高分?jǐn)嗨俣龋瑴p少燃弧時(shí)間，減小觸點(diǎn)電磨損。在繼電器設(shè)計(jì)及裝配中，繼電器的超行程是為了獲得足夠的觸點(diǎn)壓力，二者互相關(guān)聯(lián)，在某些時(shí)候，也可視為同一參數(shù)，即超行程滿足了設(shè)計(jì)要求，即可視為觸點(diǎn)壓力亦同時(shí)滿足。如果超行程達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，則會(huì)嚴(yán)重影響繼電器的性能，甚至導(dǎo)致繼電器失效。因此，在繼電器設(shè)計(jì)時(shí)，我們其實(shí)最關(guān)心超行程的一致性，我們希望超行程不需要校正就可以自動(dòng)生成，但在實(shí)際中，超行程是由銜鐵、軛鐵、鐵芯、基座、觸點(diǎn)等多個(gè)零件的尺寸組合而成，存在著較長(zhǎng)的尺寸鏈，由于各零件的尺寸公差與裝配公差客觀存在，誤差的積累導(dǎo)致超行程的一致性較差。因此，在傳統(tǒng)的繼電器手工裝配生產(chǎn)線上，對(duì)繼電器的超行程進(jìn)行校正是一個(gè)必要且非常重要的工位，需要人工對(duì)每只繼電器的超行程進(jìn)行檢測(cè)并進(jìn)行校正，使之符合設(shè)計(jì)要求以保證繼電器的可靠性。在理論和實(shí)踐上，繼電器超行程自動(dòng)生成是可能的，關(guān)鍵在于：我們?nèi)绾卧陂_(kāi)發(fā)時(shí)設(shè)計(jì)進(jìn)去？如何在生產(chǎn)時(shí)進(jìn)行控制？下面談一談繼電器超行程的設(shè)計(jì)。

從圖2中可以直觀地看到，繼電器的超行程，我們可以將超行程細(xì)化為兩個(gè)部分組成(A+B)，如圖3所示。

圖3 超行程A+B

超行程A即觸點(diǎn)在剛剛接觸時(shí)，銜鐵中心到軛鐵與銜鐵鉸接點(diǎn)水平面的距離，將其定義為繼電器的"結(jié)構(gòu)超行程"--此超行程由零件組合即結(jié)構(gòu)獲得；同理，超行程B即是觸點(diǎn)在剛剛接觸時(shí)，軛鐵與銜鐵鉸接點(diǎn)水平面到鐵芯的距離，將其定義為"磁路超行程"--此超行程在繼電器鉚接磁路時(shí)獲得。為什么要將超行程劃分為兩部分組成呢？這主要是考慮到汽車?yán)^電器根據(jù)不同的負(fù)載要求，為了獲得較大的觸點(diǎn)壓力，其超行程均設(shè)計(jì)得比較大：在0.15 - 0.30 mm之間，部分特殊繼電器甚至要求更大，因此，如此大的超行程不可能全部從磁路鉚接中得到，所以一部分超行程需要設(shè)計(jì)到結(jié)構(gòu)尺寸中去，由繼電器零件結(jié)構(gòu)組合獲得結(jié)構(gòu)超行程；另外一部分由生產(chǎn)裝配時(shí)，鐵芯與軛鐵鉚接時(shí)得到，即磁路超行程。

磁路超行程取多大比較合適?一般推薦如下：小型繼電器：0 - 0.05 mm；中型繼電器：0.05- 0.10 mm；大型繼電器：0.08- 0.13 mm。

從磁場(chǎng)回路我們知道，軛鐵與銜鐵平行貼合時(shí)(即磁路超行程為零時(shí))磁路效率最高，因此，一味增加磁路超行程是以犧牲磁路效率為代價(jià)的，所以在設(shè)計(jì)時(shí)盡量取小值，繼電器超行程超出以上推薦值時(shí)，建議增加到結(jié)構(gòu)超行程中去。選擇結(jié)構(gòu)超行程與磁路之間比例時(shí)需考慮以下因素：小的磁路超行程可以增加磁路效率，所以磁路超行程宜小不宜大；對(duì)于超行程要求較大的繼電器，磁路超行程過(guò)大可能造成觸點(diǎn)后半部接觸，同時(shí)影響觸點(diǎn)間隙，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要選擇適當(dāng)?shù)谋壤赃_(dá)到兩者兼顧。

結(jié)構(gòu)超行程比較好設(shè)計(jì)，主要在于后期零件加工精度的控制，超行程這樣的長(zhǎng)尺寸鏈(典型拍合式繼電器涉及大約六只零件，七檔以上的尺寸)，但由于概率的作用，公差總會(huì)相互抵消一部分，所以實(shí)際結(jié)果一定比"極端情況"要好，這也是符合正態(tài)分布規(guī)律，因此在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)超行程時(shí)正確的做法應(yīng)該是：設(shè)計(jì)時(shí)不要人為的拉長(zhǎng)尺寸鏈；提高零件關(guān)鍵尺寸精度；做好進(jìn)料零件的監(jiān)控等等。

磁路超行程需要在后期生產(chǎn)裝配中進(jìn)行控制，現(xiàn)有的汽車?yán)^電器，在制造過(guò)程中，除結(jié)構(gòu)超行程外，通過(guò)控制鐵芯與軛鐵的鉚接高度差來(lái)獲得磁路超行程，由于：軛鐵與銜鐵鉸接面的高度有一定的公差；沖床鉚接鐵芯時(shí)設(shè)定高度有一定的公差，且鐵芯為三段式，存在鉚接困難、鐵芯受力較大、易變形等缺點(diǎn)；靜觸點(diǎn)裝配后其位置高度具有一定的公差；銜鐵、簧片、動(dòng)觸點(diǎn)三者鉚接后相互有一定的公差；由于以上因素的疊加，所以超行程一致性較差，因此，傳統(tǒng)繼電器在裝配后，超行程需要人工校正才能保證其一致性。

為了確保生產(chǎn)中對(duì)每只繼電器的超行程進(jìn)行有效控制，我們對(duì)繼電器的鐵芯及軛鐵的配合進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，參見(jiàn)圖四，兩幅圖清晰顯示了改進(jìn)后的鐵芯與軛鐵在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別之處：鐵芯由三段式改為兩段式；鐵芯尾端設(shè)計(jì)有約3度的錐度；軛鐵鉚接孔與鐵芯尾端錐臺(tái)為過(guò)盈配合，其目的是為了配合超行程在生產(chǎn)裝配中自動(dòng)控制而設(shè)計(jì)。

圖4 軛鐵與鐵芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3 繼電器超行程生產(chǎn)中的自動(dòng)控制

在手工生產(chǎn)線或半自動(dòng)裝配線中, 校正工種仍是繼電器裝配的主要工種。由于客戶對(duì)繼電器質(zhì)量要求的提高及人工成本的大幅增加，全自動(dòng)生產(chǎn)是繼電器工業(yè)發(fā)展的必由之路，此處，如何實(shí)現(xiàn)繼電器超行程的自動(dòng)控制是繼電器自動(dòng)化生產(chǎn)的重中之重，下面以一款正在生產(chǎn)的汽車?yán)^電器為例，簡(jiǎn)述在電腦、傳感器技術(shù)的幫助下，如何實(shí)現(xiàn)超行程的自動(dòng)控制。該款汽車?yán)^電器為全自動(dòng)線生產(chǎn)，全程無(wú)人工參與裝配，具體結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 繼電器結(jié)構(gòu)圖

圖6 繼電器剖視圖

全自動(dòng)生產(chǎn)線為了實(shí)現(xiàn)繼電器超行程的自動(dòng)生產(chǎn)與控制，在該工位配備了電腦、高精度沖床、兩只位移傳感器、兩臺(tái)液壓旋鉚機(jī)，實(shí)現(xiàn)雙工位同時(shí)鉚接，以提升生產(chǎn)效率，降低制造成本，實(shí)際自動(dòng)線設(shè)備配置參見(jiàn)圖7。

圖7 超行程自動(dòng)控制工位

繼電器超行程自動(dòng)控制工位的主要 工作流程如下：鐵芯插入預(yù)壓→銜鐵組件裝配→超行程控制與測(cè)量→鐵芯鉚接→超行程復(fù)檢→合格下料。

圖8 鐵芯插入及預(yù)壓

整個(gè)操作流程詳細(xì)如下：

首先，對(duì)鐵芯進(jìn)行預(yù)壓，具體步驟如下：鐵芯插入骨架(線圈)中心孔；沖床將鐵芯尾端的錐臺(tái)壓入軛鐵的鉚接孔內(nèi)；當(dāng)鐵芯端面與軛鐵端面平齊時(shí)停止壓入，鐵芯與軛鐵的鉚接孔為過(guò)盈配合，鐵芯不會(huì)松脫及位移；此時(shí)，銜鐵與鐵芯中心之間的距離即為"結(jié)構(gòu)超行程"，此超行程因零件及裝配公差因素，一致性不好。參見(jiàn)圖8。其次，機(jī)械手將銜鐵組件裝入到軛鐵組件，此時(shí)裝配未完成，鐵芯與軛鐵仍然處于預(yù)鉚接狀態(tài)。

圖9 超行程控制與測(cè)量及鐵芯鉚接

再次，繼電器超行程自動(dòng)控制與測(cè)量及鐵芯尾端錐臺(tái)鉚接，參見(jiàn)圖九，具體控制及鉚接過(guò)程如下：

機(jī)械壓頭上設(shè)有位移傳感器，壓頭向下移動(dòng)并推動(dòng)簧片、銜鐵、動(dòng)觸點(diǎn)同步移動(dòng)；當(dāng)動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)接觸瞬間，位移傳感器開(kāi)始計(jì)算銜鐵位移距離，即開(kāi)始測(cè)量繼電器超行程；壓頭繼續(xù)向下移動(dòng)，并推動(dòng)簧片、銜鐵繼續(xù)向下移動(dòng)，當(dāng)銜鐵與鐵芯端面接觸時(shí)，此時(shí)位移距離A，即結(jié)構(gòu)超行程；壓頭繼續(xù)向下移動(dòng)，并推動(dòng)簧片、銜鐵、鐵芯向下移動(dòng)，移動(dòng)距離為B，此移動(dòng)距離即為磁路超行程，當(dāng)A+B等于繼電器設(shè)計(jì)超行程時(shí)，位移傳感器反饋信號(hào)給電腦，壓頭停止推動(dòng)；根據(jù)編程指令，重復(fù)上述過(guò)程測(cè)量超行程并確保與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)一致。然后，壓頭保持不動(dòng)，處于鐵芯另一端的液壓旋鉚機(jī)將鐵芯伸出軛鐵外的錐臺(tái)鉚接于軛鐵上。最后，壓頭退回原位并重新測(cè)量超行程，合格品下料并進(jìn)入下一工位，繼電器的超行程自動(dòng)控制、測(cè)量及鉚接裝配完成。

從上述裝配過(guò)程可看出，改進(jìn)后的兩段式鐵芯，其尾端具有一定錐度，在電腦及傳感器技術(shù)的配合下，可全自動(dòng)測(cè)量并自動(dòng)控制繼電器的超行程，確保所有繼電器超行程的一致性，改進(jìn)了原三段式鐵芯經(jīng)過(guò)裝配后，其超行程需要人工矯正的缺陷，既滿足了全自動(dòng)裝配生產(chǎn)線的要求，大幅提高生產(chǎn)效率，又確保了繼電器的良好品質(zhì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

超行程的自動(dòng)控制是實(shí)現(xiàn)繼電器全自動(dòng)化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，因此，如前面所討論的，改進(jìn)繼電器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在生產(chǎn)裝配中，采用計(jì)算機(jī)編程設(shè)定繼電器總的超行程，利用磁路超行程彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)超行程因零件及裝配帶來(lái)的誤差，當(dāng)位移傳感器測(cè)得的超行程A+B等于繼電器設(shè)計(jì)超行程時(shí)，壓頭停止下壓移動(dòng)，從而確保繼電器在制造過(guò)程中，能夠?qū)γ恐焕^電器的超行程進(jìn)行精確控制，并進(jìn)行兩次復(fù)測(cè)，以確保繼電器超行程的一致性，從而實(shí)現(xiàn)了汽車?yán)^電器的全自動(dòng)化生產(chǎn)。