關于油泵電機控制器的防護設計與研究

胡小輝，潘 磊，劉小兵

（深圳南方德爾汽車電子有限公司，廣東深圳 518109）

0 引言

目前變速箱行業趨勢是希望將變速箱油泵集成裝配在變速箱內部，使變速箱模塊化，節省整車裝配時間和裝配空間。現有的變速箱油泵基本裝配在變速箱外部，油泵用控制器一般由塑膠殼體加密封圈進行防護密封，能夠滿足IP6k9k的防護等級，其偶爾接觸油液可能不會有影響，但是其很難在高溫和油液中進行長時間工作，高溫和油液會將密封圈及控制器上的電子元器件腐蝕失效，這類控制器不能夠使油泵集成裝配在變速箱內部。

通過結構方案設計、材料選型到最后產品驗證等經過幾個階段，確認了該種防護方式能夠長時間在高溫變速箱內部工作的控制器；控制器防護用的外殼采用耐油、耐高溫的PPA（聚肽酰胺樹脂）材料，灌封膠采用耐高溫、耐油性的環氧樹脂，兩者有很好的粘接性，兩者組合后將控制器包裹，對其起到防護作用。其能夠承受變速箱內部的高溫、油液（140 ℃）的長期浸泡而不影響其功能，使變速箱油泵能夠裝配到變速箱內部，使變速箱產品模塊化，節省整車裝配時間和整車布置空間，是今后變速箱零部件集成化的一種趨勢。

1 油泵控制器技術要求

變速箱內部充滿高溫油液，溫度達到140 ℃以上，這就要求變速箱內的產品能夠滿足長時間高溫耐油的性能，且不影響控制器各電子元器件性能以及連接器的電氣性能［1］。

1.1 溫度沖擊試驗

變速箱內部環境溫度從-40 ～140 ℃不斷地變化，這就要求油泵控制器以及控制器的防護結構能夠滿足-40 ～140 ℃的溫度沖擊試驗，溫度轉換時間10 s，進行230 個循環，試驗過后檢測控制器外觀、性能以及連接器的絕緣耐壓性能是否符合要求。

1.2 油液兼容性能

變速箱內部環境充滿齒輪油，齒輪油具有一定的腐蝕性、滲透性等特點，一般的外殼防護材料長時間在油液中容易腐蝕。采用耐溫性、耐油性好的工程塑料和灌封膠水來解決控制器油液兼容性問題，需要進行1 000 h以上，溫度140 ℃的油液兼容性實驗，實驗過程后檢測產品外觀，并測試控制器性能、防護材料性能。

2 控制器結構設計

油泵電機控制器需要與外部進行通信，眾所周知需要采用塑膠的連接器，以滿足連接器絕緣性的要求，因此將連接器和裝配控制器PCB 的殼體集成一體，都采用塑膠進行注塑，將連接器的pin針和裝配PCB 部分注塑一體，這樣節省整個控制器的空間，該結構示意圖如圖1 所示。連接器的pin針直接連通PCB 的焊接引腳，用耐壓絕緣性強的工程塑膠進行注塑，通過將控制器的PCB板放置于塑膠殼體上的容納槽內后，再用耐溫、耐油性的環氧灌封膠包覆住PCB及其元器件進行密封，具有良好的密封性，且利用塑膠和環氧灌封膠具有耐油、耐高溫、高導熱系數的特性，可確保該角度傳感器能長時間在高溫和油液中工作，且該控制器由于全部浸泡在變速箱油液中，控制器的熱量可以通過灌封膠的導熱性傳遞到油液，潤滑油將熱量帶走，這樣整個控制器的結構方案設計完成［2］。

圖1 控制器結構圖

3 控制器防護材料選擇與驗證

該電機控制器需要承受長期的耐高溫、耐油液浸泡的性能要求，因此在外殼防護材料以及灌封膠材料的選擇上尤為重要。

3.1 外殼材料的選擇與驗證

該電機控制器，是為了適應高溫、長期浸泡油液的變速箱環境而開發的，因此對于控制器的外殼防護材料的選擇非常關鍵；根據經驗所知，常用的汽車行業工程塑膠材料有：PBT（聚對苯二甲酸丁二醇酯）、PA66（聚酰胺66）、PPS（聚苯硫醚）、PPA（改性聚對苯二酰對苯二胺）等。PBT（聚對苯二甲酸丁二醇酯）材料的電氣性能優良，常作為產品端連接器材料，但是其耐溫性能欠佳，且易水解，不宜使用在潮濕的環境中；PA66 為尼龍66 材料，有優良的電氣性能和耐溫性能，韌性高，因此常作為帶卡扣類連接器材料，其缺點是易吸水及高溫變形，尺寸穩定性較差；PPS 材質被稱為塑料鋼，有很強的機械性能、耐溫、耐水性能優越，常作為水泵葉輪、電機殼等泵類殼體材料，其缺點是價格昂貴，且韌性差，作為產品外殼容易碰撞開裂；PPA 材料有優良的耐候性、耐水性能，具有PA66的優點，同時彌補了其缺點。

因此該電機控制器首先計劃采用PPA材料作為防護外殼，并同時對這幾款常用材料進行冷熱沖擊、油液兼容性、絕緣耐壓等的測試，實驗完成后通過檢測材料的強度來判定材料性能是否下降，如圖2和表1所示；幾種不同工程塑料在經過冷熱沖擊（-40 ～140 ℃）、高溫（140 ℃）、變速箱油1 000 h 的浸泡后，測試控制器殼體上連接器卡扣的斷裂強度以及連接器的絕緣耐壓性能，實驗后得出PPA材料的強度最高，絕緣耐壓性能都合格，且其和實驗前對比幾乎沒有變化，因此最終采用PPA加玻纖的材料作為該控制器塑膠外殼［3-4］。

圖2 測試外殼卡扣斷裂強度

表1 不同工程塑料測試數據

3.2 灌封膠的選型與驗證

該油泵電機控制器，為了適應高溫、長期浸泡油液的變速箱環境，采用灌封膠對PCBA 進行密封，在選擇灌封膠的時候，需要考慮膠水的耐高溫性、耐油性能。選擇幾款行業類常用的灌封膠水進行冷熱沖擊（-40 ～140 ℃）、高溫（140 ℃）、油液1 000 h的浸泡實驗驗證，實驗完成后觀察產品外觀，并且測試控制器的電氣性能是否符合要求，來判斷哪款膠水滿足該控制器要求。

行業常用灌封膠水有有機硅膠和環氧膠。有機硅膠常作為各種需要防水密封灌膠產品，其耐溫性能好，市場應用廣泛，但是耐介質腐蝕性能較差；環氧膠也常作為密封灌膠產品出現在行業內，其膠水固化后硬度較大，耐介質腐蝕性能好，但是能夠滿足140 ℃長時間高溫環境的環氧膠并不多，且由于其硬度較大，可能在灌封的時候會有內應力存在，對控制器的元器件具有破壞作用。因此在膠水的選型上，需要特別注意膠水的這些性能，并進行測試。

首先準備好幾款待實驗膠水，將其分布對控制器進行灌封，然后分組分別進行-40 ～140 ℃的冷熱沖擊、140 ℃、1 000 h 的油液兼容性測試的耐久實驗，實驗后對控制器進行電氣性能測試，檢驗控制器元器件是否有被膠水內應力損傷，最終判斷哪款膠水最適合該控制器。實驗后發現，有機硅膠在冷熱沖擊實驗中表現良好，但是在油液兼容性實驗后，膠水有腐蝕、滲透、膨脹現象，如圖3 所示，顯然不符合實驗要求；環氧膠在進行冷熱沖擊實驗后，有幾款膠水都出現開裂現象，如圖4 所示，最終只有2款環氧膠實驗合格。最后采用2款實驗合格的膠水，對控制器的傳感器芯片進行磁場強度測試、檢測電機轉速測試、絕緣耐壓等的測試，所有測試都符合要求，再對其進行工藝性驗證，再結合成本，選擇一款雙組份環氧膠作為最終的灌封膠水，如圖5、表2所示［5-7］。

圖3 有機硅膠膨脹

圖4 個別環氧膠開裂

圖5 個別環氧膠驗證合格

表2 實驗后測試控制器性能

4 結束語

經過從結構設計、材料的選型、灌封膠的選型、產品實驗驗證等階段，要使電機控制器能夠在變速箱內部環境中長時間工作，且要滿足耐溫、耐油等的性能，需要選擇耐溫、耐腐蝕性強的工程塑膠及灌封膠水，在膠水的選型上，需要重點關注膠水在高溫下是否會對控制器元器件產品損傷，膠水的玻璃化轉變溫度盡量選低一點的，且膠水推薦采用雙組份環氧膠，雙組份環氧膠的點膠工藝性比單組份膠水更容易得到實現，且雙組份膠水成本一般較低。

本文通過對該油泵電機控制器的防護設計與研究，為行業內提供了參考價值，使更多的油泵電機控制器和其他傳感器能夠裝配到變速箱內部，使變速箱產品模塊化，節省整車裝配時間和整車布置空間，提高了產品競爭力。