陳紅波
(廈門宏發(fā)汽車電子有限公司,福建 廈門 361021)
汽車繼電器的主要功能是切換汽車用電器負載和載流,這就要求繼電器不僅需要滿足規(guī)定的負載切換能力,同時也要求繼電器在規(guī)定的動作次數(shù)范圍內(nèi)電氣參數(shù)也要合格。通常情況下電磁繼電器機械耐久性試驗后,釋放電壓變化大且容易超出規(guī)定的范圍。在實際工況中,汽車電氣電路不僅電壓波動范圍大,而且大部分負載電流大。如果繼電器釋放電壓小于線圈兩端殘余的電壓,繼電器不切換,被控制負載一直通電,會出現(xiàn)電路過熱導(dǎo)致汽車起火。一般情況下,解決釋放電壓變化大的問題是采取提高繼電器的初始釋放電壓,但是汽車繼電器發(fā)展趨勢是:小型化、低能耗、高負載、大電流PCB繼電器替代插入式繼電器。因此,設(shè)計裕量比較少,過多提高繼電器初始釋放電壓,會影響繼電器吸反力曲線的匹配性,有可能達不到當(dāng)初的設(shè)計要求。
本文主要通過對汽車超小型PCB式繼電器機械耐久試驗后釋放電壓變大的原因分析,結(jié)合理論分析及試驗驗證,確認機械耐久試驗后釋放電壓變化大的原因并提出相應(yīng)的改善措施。
機械耐久性試驗是評定繼電器在額定激勵條件下,在全部延長的循環(huán)次數(shù)中的機械性能,確保繼電器全生命周期內(nèi)能可靠動作。試驗的方法是按IEC 61810-7(繼電器試驗和測試程序技術(shù)要求)的4.31條(機械耐久性)規(guī)定進行試驗,并應(yīng)采用下列細則和特殊規(guī)定:①總的循環(huán)次數(shù):107次;②監(jiān)測方法:中間檢測(總壽命次數(shù)的每20%做一次檢測);③失效判據(jù):動作電壓、釋放電壓、接觸電壓降超過標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定;④溫度:室溫;⑤激勵值:額定電壓;⑥循環(huán)速率和占空比:循環(huán)速率300次/min,占空比50%;⑦觸點負載:無。
從釋放電壓變化趨勢(圖1)來看,繼電器釋放電壓在0~200萬次過程中變化比較明顯,在200萬~1000萬次變化的斜率在減小,但也是一直在減小,在600萬次就出現(xiàn)釋放電壓超出規(guī)格下限。釋放電壓試驗前平均值為2.05V,試驗后平均值為0.78V,變化61.95%。
圖1 釋放電壓變化
2.2.1 銜鐵與軛鐵接觸處試驗前后的對比(表1)
2.2.2 銜鐵與鐵芯碰撞處試驗前后對比(表2)
表2 銜鐵與鐵芯碰撞處試驗前后對比
2.2.3 試驗前后變化點對繼電器的影響
繼電器在設(shè)計時,為了避免銜鐵在軛鐵刀口面轉(zhuǎn)動發(fā)生支點轉(zhuǎn)換,繼電器在吸合狀態(tài)下,銜鐵與軛鐵刀口斜面存在空隙。在機械耐久性試驗過程中,銜鐵與鐵芯一直碰撞,導(dǎo)致鐵芯極面的磨損;繼電器吸合后,銜鐵與軛鐵刀口斜面的空隙明顯變小,同時繼電器超行程變大。
軛鐵刀口面是一個有一定寬度和斜度的面。繼電器在釋放狀態(tài)時,銜鐵與軛鐵刀口面的接觸部分是中間低、兩邊高,在顯微鏡下觀察,軛鐵刀口面兩邊支撐銜鐵,中間有空隙。機械耐久試驗后,軛鐵刀口面兩邊支撐點被磨損,與中間部分一樣高,銜鐵與軛鐵刀口面不存在空隙,最終導(dǎo)致磁間隙變小和軛鐵刀口面與鐵芯極面的落差變小,分別產(chǎn)生的影響:繼電器的吸力增加和繼電器超行程變小。
從繼電器機械耐久試驗后分析來看,鐵芯極面和軛鐵刀口面都出現(xiàn)磨損,采用吸反力曲線進行理論分析對釋放電壓的影響。
3.1.1 鐵芯極面磨損
如圖2所示,隨著鐵芯極面的磨損,繼電器吸合位置由O點變化至O′點,反力曲線1由A點延伸到B點,釋放電壓吸力曲線1由A點延伸到C點,此時,繼電器無法釋放。為讓繼電器釋放,繼電器的釋放電壓需減小,繼電器釋放電壓吸力曲線由吸力曲線1變?yōu)槲η€2,與反力曲線1交于B點。因此,鐵芯極面的磨損,會導(dǎo)致繼電器釋放電壓變小。
3.1.2 軛鐵刀口磨損
如圖3所示,隨著軛鐵刀口磨損,由于磁間隙的變小,繼電器的吸力曲線變大,釋放電壓吸力曲線由吸力曲線1變?yōu)槲η€2;同時超行程變小,反力曲線由反力曲線1變成反力曲線2。在同等電壓下,繼電器不釋放。為使繼電器釋放,繼電器的釋放電壓需下降,使吸力曲線與反力曲線重新交于C′點,即由吸力曲線2降為吸力曲線3。因此,軛鐵刀口面磨損會導(dǎo)致繼電器釋放電壓變小。
3.2 動簧片應(yīng)力的分析
繼電器在動作過程中,動簧片反力隨變形而變化,動簧片應(yīng)力也隨之變化,即動簧片會承受交變應(yīng)力,動簧片存在疲勞導(dǎo)致繼電器有釋放電壓變小的可能,需要對動簧片的應(yīng)力進行理論計算。
3.2.1 簧片的應(yīng)力計算公式
應(yīng)力計算公式:σ=M/Z=6PL/(Bt2)式中:P——簧片受力,N;L——簧片的長度,mm;B——簧片寬度,mm;t——簧片厚度,mm。
應(yīng)力振幅σa=(σmax-σmin)/2
平均應(yīng)力σm=(σmax+σmin)/2
圖4 簧片尺寸示意圖
3.2.2 繼電器動簧片的應(yīng)力
圖5為繼電器裝配結(jié)構(gòu)示意圖。根據(jù)其結(jié)構(gòu),判斷動簧應(yīng)力集中部位主要有兩個位置:一個是動簧大角折彎處,另一個是與銜鐵鉚接處。根據(jù)應(yīng)力計算公式得到兩處的應(yīng)力振幅和平均應(yīng)力(表3),取兩者中的最大值進行判斷。
圖5 繼電器裝配結(jié)構(gòu)示意圖
表3 應(yīng)力振幅和平均應(yīng)力
3.2.3 繼電器動簧片的應(yīng)力判斷
動簧片在動簧大角折彎處和在與銜鐵鉚接處的應(yīng)力計算,得到最大應(yīng)力振幅(103.31 MPa)和最大平均應(yīng)力(69.17 MPa)。查所用動簧片材料(材料1)的S-N曲線(圖6)得107次反復(fù)振動最大應(yīng)力振幅值為280 MPa,及其屈服強度(412 Mpa)和拉伸強度(573 Mpa),得出動簧片應(yīng)力合格區(qū)域(圖7)。根據(jù)應(yīng)力振幅和平均應(yīng)力數(shù)據(jù)對應(yīng)于疲勞極限圖的合格區(qū)域,動簧片不存在過應(yīng)力,不是導(dǎo)致釋放電壓變化大的主要原因。
圖7 疲勞極限判斷圖
取樣進行機械耐久試驗,試驗次數(shù)200萬次,對比試驗前后的反力曲線,對比結(jié)果如圖8所示。
圖8 試驗前后反力曲線對比
通過對機械耐久性試驗前后繼電器的反力曲線對比,機械耐久后,繼電器的反力曲線變化與理論分析的變化一致。
要想改善試驗后釋放電壓變化大的問題,需要對鐵芯極面和軛鐵刀口面磨損進行改善。從加工精度和制造成本上考慮,軛鐵刀口面支撐邊不一樣高暫時不采取措施,優(yōu)先選擇改善鐵芯極面的磨損。改善鐵芯極面的磨損主要有兩種思路:一種是改善鐵芯極面的表面處理,增加其耐磨性;另一種是優(yōu)化吸反力曲線,減少銜鐵對鐵芯的撞擊力。從改善措施的難易考慮,先選擇改善鐵芯極面的表面處理,鐵芯表面原來只有鍍鎳,更改后先鍍銅再鍍鎳。
使用更改后的鐵芯樣品進行機械耐久試驗,試驗前后的釋放電壓對比見圖9。
繼電器機械耐久試驗前釋放電壓平均值為1.835V,試驗后釋放電壓平均值為1.21V,變化率為34.06%,與改善前變化率61.95%對比有明顯的改善,并且都在合格的范圍內(nèi)。
鐵芯鍍層更改后,試驗前后的鐵芯極面形貌對比見圖10。
圖9 試驗前后的釋放電壓對比
圖10 試驗前后的鐵芯極面形貌對比
通過鐵芯極面的對比,鐵芯鍍層更改后,有效減少了機械耐久后鐵芯極面的磨損,有效減小了釋放電壓的變化量。
通過對汽車超小型PCB式繼電器機械耐久試驗前后的分析研究,找到造成繼電器釋放電壓變化大的主要原因如下:①鐵芯極面的磨損,導(dǎo)致繼電器反力曲線變化;②軛鐵刀口面磨損,導(dǎo)致繼電器反力曲線及吸力曲線發(fā)生變化。
通過更改鐵芯鍍層,由鍍鎳更改為先鍍銅后鍍鎳,提高了鍍層耐磨性能,可以有效改善繼電器機械耐久試驗后釋放電壓變小的問題,滿足了標(biāo)準(zhǔn)和整車實際使用要求。如果想進一步改善釋放電壓變小的問題,需要對軛鐵刀口面進行改善和進一步優(yōu)化吸反力曲線。