汽车继电器机械耐久性对释放电压影响的研究

2018-10-08陈红波

汽车电器 2018年9期

陈红波

（厦门宏发汽车电子有限公司，福建厦门 361021）

汽车继电器的主要功能是切换汽车用电器负载和载流，这就要求继电器不仅需要满足规定的负载切换能力，同时也要求继电器在规定的动作次数范围内电气参数也要合格。通常情况下电磁继电器机械耐久性试验后，释放电压变化大且容易超出规定的范围。在实际工况中，汽车电气电路不仅电压波动范围大，而且大部分负载电流大。如果继电器释放电压小于线圈两端残余的电压，继电器不切换，被控制负载一直通电，会出现电路过热导致汽车起火。一般情况下，解决释放电压变化大的问题是采取提高继电器的初始释放电压，但是汽车继电器发展趋势是：小型化、低能耗、高负载、大电流PCB继电器替代插入式继电器。因此，设计裕量比较少，过多提高继电器初始释放电压，会影响继电器吸反力曲线的匹配性，有可能达不到当初的设计要求。

本文主要通过对汽车超小型PCB式继电器机械耐久试验后释放电压变大的原因分析，结合理论分析及试验验证，确认机械耐久试验后释放电压变化大的原因并提出相应的改善措施。

1 机械耐久性试验条件

机械耐久性试验是评定继电器在额定激励条件下，在全部延长的循环次数中的机械性能，确保继电器全生命周期内能可靠动作。试验的方法是按IEC 61810-7（继电器试验和测试程序技术要求）的4.31条（机械耐久性）规定进行试验，并应采用下列细则和特殊规定：①总的循环次数：107次；②监测方法：中间检测（总寿命次数的每20%做一次检测）；③失效判据：动作电压、释放电压、接触电压降超过标准的规定；④温度：室温；⑤激励值：额定电压；⑥循环速率和占空比：循环速率300次/min，占空比50%；⑦触点负载：无。

2 机械耐久性试验结果及分析

2.1 继电器试验过程中释放电压的变化趋势

从释放电压变化趋势（图1）来看，继电器释放电压在0～200万次过程中变化比较明显，在200万～1000万次变化的斜率在减小，但也是一直在减小，在600万次就出现释放电压超出规格下限。释放电压试验前平均值为2.05V，试验后平均值为0.78V，变化61.95%。

图1 释放电压变化

2.2 试验前后继电器磁路的分析

2.2.1 衔铁与轭铁接触处试验前后的对比（表1）

2.2.2 衔铁与铁芯碰撞处试验前后对比（表2）

表2 衔铁与铁芯碰撞处试验前后对比

2.2.3 试验前后变化点对继电器的影响

继电器在设计时，为了避免衔铁在轭铁刀口面转动发生支点转换，继电器在吸合状态下，衔铁与轭铁刀口斜面存在空隙。在机械耐久性试验过程中，衔铁与铁芯一直碰撞，导致铁芯极面的磨损；继电器吸合后，衔铁与轭铁刀口斜面的空隙明显变小，同时继电器超行程变大。

轭铁刀口面是一个有一定宽度和斜度的面。继电器在释放状态时，衔铁与轭铁刀口面的接触部分是中间低、两边高，在显微镜下观察，轭铁刀口面两边支撑衔铁，中间有空隙。机械耐久试验后，轭铁刀口面两边支撑点被磨损，与中间部分一样高，衔铁与轭铁刀口面不存在空隙，最终导致磁间隙变小和轭铁刀口面与铁芯极面的落差变小，分别产生的影响：继电器的吸力增加和继电器超行程变小。

3 释放电压变化大的理论分析

3.1 吸反力曲线分析

从继电器机械耐久试验后分析来看，铁芯极面和轭铁刀口面都出现磨损，采用吸反力曲线进行理论分析对释放电压的影响。

3.1.1 铁芯极面磨损

如图2所示，随着铁芯极面的磨损，继电器吸合位置由O点变化至O′点，反力曲线1由A点延伸到B点，释放电压吸力曲线1由A点延伸到C点，此时，继电器无法释放。为让继电器释放，继电器的释放电压需减小，继电器释放电压吸力曲线由吸力曲线1变为吸力曲线2，与反力曲线1交于B点。因此，铁芯极面的磨损，会导致继电器释放电压变小。

3.1.2 轭铁刀口磨损

如图3所示，随着轭铁刀口磨损，由于磁间隙的变小，继电器的吸力曲线变大，释放电压吸力曲线由吸力曲线1变为吸力曲线2；同时超行程变小，反力曲线由反力曲线1变成反力曲线2。在同等电压下，继电器不释放。为使继电器释放，继电器的释放电压需下降，使吸力曲线与反力曲线重新交于C′点，即由吸力曲线2降为吸力曲线3。因此，轭铁刀口面磨损会导致继电器释放电压变小。

3.2 动簧片应力的分析

继电器在动作过程中，动簧片反力随变形而变化，动簧片应力也随之变化，即动簧片会承受交变应力，动簧片存在疲劳导致继电器有释放电压变小的可能，需要对动簧片的应力进行理论计算。

3.2.1 簧片的应力计算公式

应力计算公式：σ=M/Z=6PL/（Bt2）式中：P——簧片受力，N；L——簧片的长度，mm；B——簧片宽度，mm；t——簧片厚度，mm。

应力振幅σa=（σmax-σmin）/2

平均应力σm=（σmax+σmin）/2

图4 簧片尺寸示意图

3.2.2 继电器动簧片的应力

图5为继电器装配结构示意图。根据其结构，判断动簧应力集中部位主要有两个位置：一个是动簧大角折弯处，另一个是与衔铁铆接处。根据应力计算公式得到两处的应力振幅和平均应力（表3），取两者中的最大值进行判断。

图5 继电器装配结构示意图

表3 应力振幅和平均应力

3.2.3 继电器动簧片的应力判断

动簧片在动簧大角折弯处和在与衔铁铆接处的应力计算，得到最大应力振幅（103.31 MPa）和最大平均应力（69.17 MPa）。查所用动簧片材料（材料1）的S-N曲线（图6）得107次反复振动最大应力振幅值为280 MPa，及其屈服强度（412 Mpa）和拉伸强度（573 Mpa），得出动簧片应力合格区域（图7）。根据应力振幅和平均应力数据对应于疲劳极限图的合格区域，动簧片不存在过应力，不是导致释放电压变化大的主要原因。

图7 疲劳极限判断图

4 要因验证

取样进行机械耐久试验，试验次数200万次，对比试验前后的反力曲线，对比结果如图8所示。

图8 试验前后反力曲线对比

通过对机械耐久性试验前后继电器的反力曲线对比，机械耐久后，继电器的反力曲线变化与理论分析的变化一致。

5 改善验证

要想改善试验后释放电压变化大的问题，需要对铁芯极面和轭铁刀口面磨损进行改善。从加工精度和制造成本上考虑，轭铁刀口面支撑边不一样高暂时不采取措施，优先选择改善铁芯极面的磨损。改善铁芯极面的磨损主要有两种思路：一种是改善铁芯极面的表面处理，增加其耐磨性；另一种是优化吸反力曲线，减少衔铁对铁芯的撞击力。从改善措施的难易考虑，先选择改善铁芯极面的表面处理，铁芯表面原来只有镀镍，更改后先镀铜再镀镍。

使用更改后的铁芯样品进行机械耐久试验，试验前后的释放电压对比见图9。

继电器机械耐久试验前释放电压平均值为1.835V，试验后释放电压平均值为1.21V，变化率为34.06%，与改善前变化率61.95%对比有明显的改善，并且都在合格的范围内。

铁芯镀层更改后，试验前后的铁芯极面形貌对比见图10。