碳钢开关接触螺栓在汽车起动机中的应用研究

收稿日期：2024-05-22

作者简介

郭佳（1982—），男，工程师，硕士，工程部高级经理，负责起动机产品开发和平台管理工作。

【摘 要】汽车起动机将电池的电能转化为机械能，而电磁开关是汽车起动机的关键部件之一，其接触螺栓的性能是起动机正常工作的关键。文章针对铜合金螺栓性能溢出、成本高的特点，提出使用碳钢螺栓替代现有螺栓，并对其进行对比测试和应用，在保持产品品质的同时降低成本，对工程应用有较大的现实意义。

【关键词】起动机；电磁开关；碳钢

中图分类号：U464.142 文献标识码：A 文章编号：1003-8639（ 2024 ）07-0043-03

Application Research of Carbon Steel Contact Bolt in Automobile Starter

GUO Jia，ZENG Zhichao

（SEG Automotive Products（China） Co.，Ltd.，Changsha 410129，China）

【Abstract】The starter converts the electrical energy from the battery into mechanical energy，and the solenoid switch is one of the key components of the starter，and the performance of its contact bolts is the key to the normal operation of the starter. In this paper，for the copper alloy bolts with overflow performance and high cost，it is proposed to use carbon steelt bolts to replace the existing bolts，and it is compared and tested and applied to maintain the product quality while reducing the cost，which is of great practical significance for engineering applications.

【Key words】starter；solenoid switch；carbon steel

汽车起动机将电池的电能转化为机械能，从而克服发动机阻力矩，达到所需的起动转速。而电磁开关是汽车起动机的关键部件之一，它除了控制起动机小齿轮与发动机飞轮的啮合外，还负责控制起动机电机主回路的接通与断开功能[1]。其2个固定触头负责连接线路使电池与起动机相连以及密封电磁开关，并通过控制活动触片使2个固定触头控制电机主回路的接通与断开。

1 材料性能分析

固定触头接触螺栓主要负责电路的接通与断开功能，需要承受频繁的电气负载和机械操作，因此选择的材料必须具备一定的强度和优良的导电性，以减少能量损耗和热量产生。此外，考虑到工作环境可能存在一定的腐蚀性气体或液体，所选材料还应该有良好的抗腐蚀特性，以延长使用寿命。最后，由于起动机在工作时会产生高温，材料还应具备一定的耐高温性能，保证在高温环境下也能保持稳定的机械和电气性能。目前固定触头接触螺栓采用铜合金材料，其拥有良好的导电性能、抗磨损能力、耐热性和抗腐蚀性，但由于含有较多的贵金属铜、镍和硅等合金元素，它的成本相对较高，因此需要寻找可以替代铜合金的金属材料。

在大部分起动机使用场景中，对导电性要求不是极高，而对温度变化、机械性能要求较高，此时采用经过表面镀层的碳钢材料可能更为经济实用，表面镀层使用锌镍合金（ZnNi），在潮湿或腐蚀性环境中，锌镍合金能够为碳钢基材提供更长时间的保护，防止材料因氧化或化学侵蚀而损坏，提高部件耐用性[2]。锌镍镀层可以提供一定的导电性，有助于电流的传递，同时还能提供额外的耐磨性和提升产品的外观品质。

铜合金和碳钢的材料性能对比见表1，可以看出，碳钢具有更高的抗拉强度和更低的密度，在同体积下有更好的机械性能和更轻的质量。但是其相较于铜合金，电阻率增加，导热系数明显降低，并且需要表面镀层增强耐腐蚀能力，因此需要对性能弱于铜合金的特性进行测试验证。

2 测试验证

2.1 电压降测试

电压降指电流通过导体（如电线或电路元件）时，由于电阻的存在而导致电压减小，这个现象是根据欧姆定律得出的。

在实际应用中，过大的电压降可能会导致设备性能下降，因为设备可能无法获得其正常工作所需的电压。而碳钢的电阻率相对于铜合金提升了39.7%，因此需要进行电压降测试并观察开关吸合和闭合电流电压的波形，以判断电阻率的提升对电压降的影响。

经过测试，在输入电压为10V时，铜合金的电压降为75.85mV，碳钢的电压降为89.35mV，提升为17.8%，相对于输入电压变化量为0.135%。开关吸合和释放试验结果分别如图1、图2所示，两种材料在开关吸合和释放时的电压与电流波形相似，可以看出改进材料对开关的导电性能影响较小，可忽略不计。

2.2 负载测试

为了评价接触螺栓在各种负载情况下的温度性能表现，对碳钢和铜合金在25%、50%、75%和100%的峰值负载条件下的温度变化进行测试，其中25%负载工况对应电流大小400A持续223s，50%负载工况对应电流大小695A持续30s，75%负载工况对应电流大小1000A持续15s，100%负载工况对应电流1400A大小持续7.2s。温度测试点在电磁开关接电机一端螺栓的接线上，如图3所示。

如图4～图7所示，在各种负载情况下，碳钢材料螺栓的温度曲线均与铜合金螺栓有高度的相似性，在实际应用中没有风险。

2.3 温升测试

电磁开关中的接触螺栓是关键的导电部件，负责承载起动电路中的大电流。材料变化，比如从一种金属更换为另一种，可能会影响其热传导性能和耐热性。因此，测量接触螺栓在工作中的发热情况至关重要。

本文在起动机负载为17N·m，即电流大小为600A时进行温度风险评估测试，室温为25℃，升温速率见表2。通过计算可以得到铜合金材料螺栓的温度提升速率为7℃/s，碳钢材料螺栓的温度提升速率为7.5℃/s，温升速率增加了7%，但是最大温度仍在600℃以下，没有风险[3]。

其次，本文通过控制电流大小和电流保持的时间，来计算温升的变化，根据焦耳定律Q=I2Rt和材料自身参数，分别在电流1400A时间7.2s、电流1000A时间15s、电流695A时间30s和电流400A时间223s计算碳钢的温升变化，以及根据2.2节测试结果，可以得到碳钢理论温升为实际温升的2.3倍，碳钢温升变化见表3。

通常，起动机工作环境温度为100℃左右，此时接触螺栓实际温度最高为186.8℃，远小于600℃，材料更改对温升的影响很小，此时螺栓和支持电缆功能均无风险。

3 应用

本文已经通过材料性能分析和测试验证了碳钢替换铜合金的可行性，并对现行起动机进行改装应用，实际应用效果如图8所示，红圈内为材料替换部位。

为了验证接触螺栓材料在起动机应用中的性能与可靠性，需要对起动机进行性能曲线测试、盐雾试验、过载测试、耐久测试、随机振动测试和正弦振动测试，整机应用测试结果见表4。由表4可知碳钢接触螺栓可以保证起动机的起动能力、效率和稳定性，在表面镀ZnNi后具有较强的抗腐蚀能力，其在极端情况下仍能保持基本功能或安全失效时能够满足既定的耐用性标准，并且通过随机振动测试和正弦振动测试证明了碳钢接触螺栓的结构强度、连接可靠性以及未出现螺栓松动的问题。

该材料改进已经在实际工程中大量应用，为企业实现每年降低成本近百万元，并且未出现品质问题，具有极大的应用意义。

4 结论

综上所述，本文分析了接触螺栓的使用材料，针对碳钢的薄弱材料特性进行了电压降测试、负载测试和温升测试，验证了碳钢接触螺栓在汽车起动机的电磁开关上替代现有材料接触螺栓的可行性，并通过整机应用测试和工程应用，体现碳钢接触螺栓的性能、可靠性和经济性。因此，碳钢材料在汽车起动机中拥有新的应用价值，未来也将对更多材料进行研究验证。

参考文献：

[1] 郭佳. 博世起动机电磁开关的分析和优化研究[D]. 长沙：湖南大学，2015.

[2] 全红烨，刘泽昊，王岳. ZnNi合金用作热喷涂防腐蚀涂层材料[J]. 材料保护，2000（2）：47-48.

[3] 王宁涛，王利军，郭俊成，等. 16MnCr5高温热塑性及连续冷却转变曲线测定及应用[J]. 特殊钢，2023，44（4）：120-124.

（编辑 杨凯麟）