汽車組合開關(guān)中近遠(yuǎn)光燈開關(guān)觸點(diǎn)的分析

鄧 方

（浙江陽明汽車部件有限公司，浙江 余姚 315490）

汽車轉(zhuǎn)向管柱上組合開關(guān)，是裝配在汽車的轉(zhuǎn)向盤下方，固定在汽車轉(zhuǎn)向管柱上的一個集各種功能性控制開關(guān)于一體的組合型產(chǎn)品。汽車駕駛員通過操縱組合開關(guān)的操縱手柄可控制汽車轉(zhuǎn)向燈、前照燈、近遠(yuǎn)光燈、霧燈、小燈等燈光信號的開啟和關(guān)閉。而汽車燈光信號的正確與否，將直接影響到汽車的安全行駛。特別是在夜晚行駛汽車時，如果控制近遠(yuǎn)光燈的開關(guān)失效，使汽車的近遠(yuǎn)光燈不能正常工作，其后果將不堪設(shè)想，嚴(yán)重時將產(chǎn)生特重大交通安全事故。

上述提到的汽車車燈，近遠(yuǎn)光燈是較大的負(fù)載，一般其電流都在10 A以上，車在夜晚行駛時，該燈所使用的頻率極高，故近遠(yuǎn)光燈開關(guān)的可靠性問題，就成了組合開關(guān)制造單位的首要課題。

目前在汽車上控制近遠(yuǎn)光燈開啟和關(guān)閉的組合開關(guān)有以下兩種形式。

1）一種是由開關(guān)經(jīng)線束到中央控制器，再由中央控制器來控制近遠(yuǎn)光燈的開啟和關(guān)閉。這種方式的控制，對整車系統(tǒng)的要求較高，整車成本相應(yīng)增加，但對開關(guān)來說，開關(guān)所承受的負(fù)載只是中央控制器的弱小負(fù)載 （毫安級的電流）。該種開關(guān)的控制不在本文中進(jìn)行探討。

2）另一種是由開關(guān)經(jīng)線束直接到近遠(yuǎn)光燈，這種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的控制方式，整車成本較低，售后服務(wù)也方便。就開關(guān)而言，開關(guān)在工作中將直接承受近遠(yuǎn)光燈的負(fù)載，也即開關(guān)的觸點(diǎn)在進(jìn)行分?jǐn)嗪团暮瞎ぷ鲿r，要承受10A以上的工作電流，而如此強(qiáng)大的工作電流，使開關(guān)觸點(diǎn)在分?jǐn)鄷r產(chǎn)生強(qiáng)烈的白光 （即電?。娀〉漠a(chǎn)生將會燒壞觸點(diǎn)，從而導(dǎo)致開關(guān)失效。電器開關(guān)在工作中失效的原因雖有很多，其中最主要的是觸點(diǎn)的工作失效，在開關(guān)的工作電壓、電流、觸點(diǎn)的幾何形狀及尺寸、接觸形式、接觸壓力、分合速度、觸點(diǎn)間隙、工作環(huán)境等條件都不變的情況下，如何正確選擇觸點(diǎn)的材質(zhì)和材質(zhì)性能，對觸點(diǎn)在工作中電磨損承受能力的影響將是至關(guān)重要的。

老天津夏利汽車上所使用的組合開關(guān)近遠(yuǎn)光燈開啟和關(guān)閉控制方式，就是開關(guān)經(jīng)線束到近遠(yuǎn)光燈的直接控制方式，本文就以該產(chǎn)品為例，重點(diǎn)分析觸點(diǎn)的材質(zhì)和材質(zhì)性能對可靠性的影響，對開關(guān)觸點(diǎn)在試驗(yàn)中的失效進(jìn)行分析研究。

1 組合開關(guān)中近遠(yuǎn)光燈開關(guān)結(jié)構(gòu)

組合開關(guān)中控制汽車遠(yuǎn)光、近光、超車信號的各開關(guān)，具有相同的結(jié)構(gòu)，均是通過組合開關(guān)操縱手柄的上、下旋轉(zhuǎn)運(yùn)動來帶動滑板移動，而滑板的移動又可控制開關(guān)動觸點(diǎn)頂銷的上、下運(yùn)動，使各開關(guān)的動靜兩觸點(diǎn)具有分合功能 （見圖1）。遠(yuǎn)光和超車 （因超車是遠(yuǎn)光燈發(fā)出瞬間即逝的閃光信號）為一組動靜觸點(diǎn)，近光為另一組動靜觸點(diǎn)。分析進(jìn)口產(chǎn)品樣件，兩組開關(guān)觸點(diǎn)的材質(zhì)均為:動觸點(diǎn)材質(zhì)是CAgCdO（12）／Cu-QM3.8×0.8+2×1.5-0.3； 靜觸點(diǎn)材質(zhì)是黃銅板鍍銀8～12μm。

2 組合開關(guān)中近遠(yuǎn)光燈開關(guān)可靠性要求參數(shù)

組合開關(guān)產(chǎn)品在進(jìn)行近遠(yuǎn)光燈開關(guān)可靠性的耐久性試驗(yàn)時，試驗(yàn)條件要求如下:①工作電壓:直流13.5±0.5V；②工作電流:遠(yuǎn)光13.3A，近光12.5A，超車13.3 A；③負(fù)載性質(zhì):燈負(fù)載；④工作環(huán)境:室溫 （大氣中）；⑤每次工作循環(huán)為:遠(yuǎn)光—近光—超車 （遠(yuǎn)光）—近光；⑥工作循環(huán)速度:每分鐘20次；⑦耐久性:10萬次；⑧電壓降:耐久性試驗(yàn)前開關(guān)觸點(diǎn)處電壓降不超過15 mV／A，耐久性試驗(yàn)后開關(guān)觸點(diǎn)處電壓降不超過25mV／A。

因遠(yuǎn)光燈和超車信號的開關(guān)控制為同一組觸點(diǎn)，近光燈信號的開關(guān)控制為另一組觸點(diǎn)，故近遠(yuǎn)光燈控制開關(guān)動靜觸點(diǎn)的耐久性考核要求分別為各20萬次。根據(jù)耐久性的工作循環(huán)速度要求，各組動靜觸點(diǎn)的工作速度即為每分鐘40次。

3 組合開關(guān)中近遠(yuǎn)光燈開關(guān)可靠性試驗(yàn)

開關(guān) （產(chǎn)品）在首次試驗(yàn)中，工作到600次 （觸點(diǎn)分合1200次），發(fā)生不接通現(xiàn)象 （失效）。拆解產(chǎn)品分析，發(fā)現(xiàn)開關(guān)靜觸點(diǎn) （陽極）有輕微凹坑并發(fā)黑，頂銷零件熔化，測量靜觸點(diǎn)鍍銀層厚度只有2.8μm，初步分析是鍍銀層不合格所影響，將銀層厚度鍍到要求后 （即11μm），即進(jìn)行第2次試驗(yàn)。

開關(guān)在第2次試驗(yàn)中，產(chǎn)品工作到6280次 （觸點(diǎn)分合12560次），再一次失效，發(fā)生不接通現(xiàn)象。拆解產(chǎn)品分析，現(xiàn)象與首次一樣，只是程度比首次嚴(yán)重，且動觸點(diǎn)具有凸起物并發(fā)黑。改善鍍銀層后，試驗(yàn)的耐久性次數(shù)雖比前次提高了近10倍，但離客戶標(biāo)準(zhǔn)要求還是相差甚遠(yuǎn)。

進(jìn)一步改善靜觸點(diǎn)的鍍銀層，將靜觸點(diǎn)的鍍銀改為復(fù)合鍍銀，復(fù)合鍍銀層厚度增加至20 μm，又進(jìn)行第3次試驗(yàn)。第3次開關(guān)工作到63880次 （觸點(diǎn)分合127760次），同樣發(fā)生不接通現(xiàn)象，拆解產(chǎn)品分析觀察動、靜觸頭，現(xiàn)象與第2次試驗(yàn)情況幾乎一樣。產(chǎn)品耐久性次數(shù)雖又提高了近10倍，但還是達(dá)不到客戶標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 組合開關(guān)中近遠(yuǎn)光燈開關(guān)可靠性試驗(yàn)的失效機(jī)理

分析以上3次的試驗(yàn)過程，發(fā)現(xiàn)開關(guān)在工作過程中，特別是在觸頭的分?jǐn)嗨查g，有弧光產(chǎn)生，這說明觸頭在分離過程中，有弧光放電現(xiàn)象，使觸點(diǎn)產(chǎn)生電磨損。

而電弧放電是屬于氣體放電的一種形式，其氣體介質(zhì)放電又有2種基本形式:一是非自持放電，放電是依靠外界游離因子 （如紫外線、X射線、宇宙線等）來維持，一旦外界游離因子失去，放電即行停止，它是肉眼所不能觀察到的；另一種是自持放電，即使外界游離因子失去，在高電場強(qiáng)度作用下，仍能維持放電，如輝光放電和弧光放電便是這一種。電弧的形成是觸點(diǎn)間氣體游離的結(jié)果，其游離的方式又可分為表面發(fā)射和空間游離，而這兩種游離的方式，在實(shí)際中往往又是綜合表現(xiàn)。對圖2a直流電路來說，固定電極間氣體放電的伏安特性曲線如圖2b所示。

圖2b中的DE段即為弧光放電區(qū)域，對直流電路來說，當(dāng)被斷開電路的電流以及開斷后加在觸點(diǎn)間隙上的電壓，超過觸點(diǎn)在工作環(huán)境中的極限燃弧參數(shù)，便可起弧。對上面所介紹的開關(guān)而言，由于觸點(diǎn)的材質(zhì)為銀，而電路中的負(fù)載又為燈負(fù)載，銀在空氣中的極限燃弧電壓 （Urh）為12V，極限燃弧電流 （Irh）為0.4A，故觸點(diǎn)在分?jǐn)噙^程中，一定間隙內(nèi)會產(chǎn)生電弧。

從上述開關(guān)觸點(diǎn)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，觸點(diǎn)在失效后，靜觸點(diǎn) （陽極）有凹坑產(chǎn)生，陰極上有凸起物，這說明開關(guān)觸點(diǎn)在分?jǐn)噙^程中有液橋產(chǎn)生。原因分析如下。

1）觸點(diǎn)在開始斷開時，此時全部電流只通過一個在微觀上很小的區(qū)域，這時接觸電阻增加、電流密度極大，可產(chǎn)生高溫，而產(chǎn)生的高溫又使觸點(diǎn)金屬熔化，因而在觸點(diǎn)之間形成熔化的金屬橋即液橋。根據(jù)試驗(yàn)證明，液橋上的溫度分布是不對稱的，一般是陽極溫度高于陰極，液橋上的最高溫度點(diǎn)位于靠陽極的地方，而斷裂點(diǎn)就發(fā)生在最高溫度點(diǎn)的附近。

2）隨著觸點(diǎn)的繼續(xù)分開，液橋被拉斷，觸點(diǎn)表面產(chǎn)生很高的電場。如果此時觸點(diǎn)間的電壓和電流均超過工作中的觸點(diǎn)極限燃弧數(shù)值，便可發(fā)生電弧，發(fā)生電弧后，確定觸點(diǎn)侵蝕效應(yīng)的是電弧而不是液橋。此時電弧對陽極發(fā)生熱作用的結(jié)果是，使陽極熔化和氣化，而且觸點(diǎn)材料被大量轉(zhuǎn)移和噴濺，其中一部分材料被陰極所帶走，一部分材料被氣化和噴濺。故在陽極上產(chǎn)生凹坑，而在陰極上產(chǎn)生凸起 （并非針刺）。

從以上分析動靜觸點(diǎn)的分?jǐn)噙^程可以看出，對組合開關(guān)產(chǎn)品中的近遠(yuǎn)光燈開關(guān)觸點(diǎn)，在保持動靜觸點(diǎn)的其他工作條件都不變的情況下，要想動靜觸點(diǎn)在工作分?jǐn)鄷r不產(chǎn)生電弧是不可能的，只有考慮如何提高觸點(diǎn)在規(guī)定壽命次數(shù)內(nèi)的抗弧承受能力（即承載能力），以保證產(chǎn)品的性能。

5 組合開關(guān)中近遠(yuǎn)光燈開關(guān)動靜觸點(diǎn)材質(zhì)的具體分析及解決措施

根據(jù)上述對近遠(yuǎn)光燈控制開關(guān)分合式觸點(diǎn)在分?jǐn)噙^程中失效機(jī)理得出，產(chǎn)品在第1次可靠性試驗(yàn)600次失效，是由于靜觸點(diǎn)的鍍銀層太薄，承受不了觸點(diǎn)分?jǐn)嘀须娀〉臒齻．?dāng)將靜觸點(diǎn)的鍍銀層加厚 （11 μm）后，產(chǎn)品工作到6280次再一次失效，而且都離產(chǎn)品的10萬次壽命要求相差甚遠(yuǎn)，雖然銀的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能都很好，但總的來說鍍銀層和其它方法獲得的銀層 （如復(fù)合鍍銀層、碾壓銀層），在抗弧能力方面是有區(qū)別的。鍍銀層的銀層組織較松散，致密性差，抗弧能力差，在產(chǎn)生電弧時，電極相對來說較容易產(chǎn)生表面發(fā)射。而電鍍又不可能將銀層鍍得很厚，鍍厚了，會產(chǎn)生很多電鍍?nèi)毕?，對觸點(diǎn)的接觸和分?jǐn)鄷焕?/p>

復(fù)合鍍銀是使一些硬度高、具有滅弧作用的微粒均勻地嵌入銀層中，在電弧的高溫作用下自行分解，起自動熄弧和消除電離的作用，在一定電流電壓條件下，基質(zhì)銀的熔焊傾向和電侵蝕都大為減小，提高了觸點(diǎn)的抗電弧承受能力。因此在上述試驗(yàn)產(chǎn)品的開關(guān)觸點(diǎn)中，將靜觸點(diǎn)鍍上復(fù)合銀層20μm后，雖然產(chǎn)品仍未達(dá)到所規(guī)定的10萬次壽命，但也提高到了63880次 （10多倍），其改善程度是明顯的。

為了使產(chǎn)品達(dá)到客戶要求的可靠性耐久次數(shù)，根據(jù)上述開關(guān)觸點(diǎn)在工作中的失效機(jī)理，將靜觸點(diǎn)材質(zhì)改為用碾壓成形的覆銀紫銅板沖壓形成，用覆銀層代替鍍銀層，由于覆銀紫銅板的銅、銀層經(jīng)過碾壓，其板材強(qiáng)度、硬度顯著提高，產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象。這是由于金屬在碾壓變形中，使晶體的滑移面產(chǎn)生位錯，造成位錯密度的增大，而位錯密度越大，金屬的變形抗力就越大，其強(qiáng)度和硬度就越高；并且在碾壓過程中使金屬組織具有 “變形織構(gòu)”，即組織結(jié)構(gòu)的有序化，產(chǎn)生各向異性。覆銀層組織的致密性是遠(yuǎn)非鍍銀層組織致密性所能比的，而且在碾壓過程中，覆銀紫銅板的銅、銀原子相互嵌入基體，其覆銀層與紫銅層的結(jié)合力也遠(yuǎn)非鍍銀層所能比，而且基體銅層的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能又優(yōu)于黃銅，碾壓銀層的厚度又可以達(dá)到數(shù)十微米以上。通過上述的分析，可以斷定，開關(guān)靜觸點(diǎn)材質(zhì)改用覆銀紫銅板后的抗電弧承受能力定優(yōu)于黃銅板加鍍銀材質(zhì)形成的靜觸點(diǎn)。

按上述的分析結(jié)果，實(shí)際中我們將靜觸點(diǎn)選用覆銀層厚度為80 μm的覆銀紫銅板材質(zhì)后，在開關(guān)試驗(yàn)條件均不變的情況下，組合開關(guān)產(chǎn)品近遠(yuǎn)光燈開關(guān)可靠性試驗(yàn)一次性就通過規(guī)定的10萬次耐久性要求，還超壽命做了21289次，即開關(guān)的耐久性試驗(yàn)實(shí)際做了121289次，觸點(diǎn)實(shí)際分合242578次，試驗(yàn)后開關(guān)仍能正常工作，電壓降也符合規(guī)定要求。

6 總結(jié)

通過對該款組合開關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)，動靜觸點(diǎn)為拍合式結(jié)構(gòu)工作的開關(guān)，在產(chǎn)品的工作電壓、電流、觸點(diǎn)的幾何形狀及尺寸、接觸形式、接觸壓力、分合速度、觸點(diǎn)間隙、工作環(huán)境等其它條件都不變的情況下，正確選擇觸點(diǎn)的材質(zhì)和材質(zhì)性能，提高觸點(diǎn)的表面理化性能，將能大幅度提高觸點(diǎn)在工作中的電磨損承受能力。

［1］鄭新明.工程材料［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1983.

［2］1980年中國航空學(xué)會航空電氣開關(guān)第二次年會.電氣開關(guān)年會文集［C］.

［3］電沉積抗電侵蝕的復(fù)合鍍銀層［P］.1987.