變速箱檔位開關(guān)觸點(diǎn)燒蝕故障原因分析及設(shè)計(jì)改進(jìn)

馮夢麗

陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司 陜西 西安 710077

1 前言

檔位開關(guān)是重型汽車機(jī)械式變速器總成上配備的一種用以指示變速器檔位信息的電器元件，一般采用的為翹板式開關(guān)。作為一種傳感機(jī)構(gòu)，檔位開關(guān)將接收到的來自操縱機(jī)構(gòu)的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為開關(guān)型電信號(hào)，從而將變速箱的檔位信息傳遞至整車的顯示儀表及控制電路。檔位開關(guān)發(fā)生故障后，將會(huì)嚴(yán)重的影響整車的安全可靠使用。

根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，檔位開關(guān)產(chǎn)品的故障數(shù)量約占變速器總成故障數(shù)量的近十分之一。因此檔位開關(guān)產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性提升對于變速器總成質(zhì)量的提升具有重要意義。通過對失效件的拆解，發(fā)現(xiàn)觸點(diǎn)燒蝕現(xiàn)象占比最高，達(dá)56.86%。我們針對該失效模式進(jìn)行了深入研究。

2 觸點(diǎn)燒蝕原因分析

翹板式開關(guān)目前所有開關(guān)中布局最簡易、安裝最方便、功能最全面的開關(guān)之一。在翹板開關(guān)的翹板上，有一個(gè)圓形的觸點(diǎn)，用來控制開關(guān)電流的接通和關(guān)斷。按觸點(diǎn)初始狀態(tài)可將開關(guān)分為“常開（NO）”和“常閉（NC）”兩種。

本文以當(dāng)下變速箱上使用最為廣泛的常閉式翹板開關(guān)作為研究對象。

工作原理：自由狀態(tài)時(shí)，開關(guān)內(nèi)部的動(dòng)片與靜片貼合，電路接通。工作狀態(tài)時(shí)，開關(guān)頂桿受到外力，經(jīng)由一系列力的傳遞，塑料襯套壓縮彈簧，同時(shí)帶動(dòng)接線片（動(dòng)片）向上運(yùn)動(dòng)，兩觸點(diǎn)與靜接線片（靜片）斷開，開關(guān)由常閉轉(zhuǎn)換為斷開。當(dāng)外力消失，在彈簧力的作用，按鈕回位，動(dòng)片回位，開關(guān)又由斷開轉(zhuǎn)換為閉合。

根據(jù)研究資料發(fā)現(xiàn)，在大氣中開斷電路時(shí)，只要電壓超過12V-20V，被開斷電流超過0.25A～1A，在觸點(diǎn)間隙中通常會(huì)產(chǎn)生一團(tuán)溫度極高，發(fā)出強(qiáng)光且能夠?qū)щ姷膱A柱形的氣體，一直到電弧熄滅，觸點(diǎn)間隙成為絕緣介質(zhì)之后，電流才被斷開，這種現(xiàn)象就是電弧。電弧是有觸點(diǎn)開關(guān)電器動(dòng)作過程中必然發(fā)生的物理現(xiàn)象。目前，變速箱上的檔位檔位開關(guān)的工作電壓12V～24V，工作電流一般不超過1A。因此，開關(guān)在正常工作過程中，必然會(huì)頻繁發(fā)生電弧現(xiàn)象。

觸點(diǎn)在工作過程中由于接觸電阻和電弧放電而產(chǎn)生很大熱量，使材料發(fā)生融化和蒸發(fā)，并導(dǎo)致觸點(diǎn)熔焊、材料消耗、材料轉(zhuǎn)移等現(xiàn)象，稱之為電侵蝕。但同時(shí)在動(dòng)、靜觸頭的接觸中，相互摩擦，接觸面也得以自動(dòng)清掃，這稱之為自潔作用。觸點(diǎn)燒蝕現(xiàn)象就是電侵蝕累積到一定程度而產(chǎn)生的。

3 觸點(diǎn)設(shè)計(jì)改進(jìn)

在不改變工況的條件下，要想動(dòng)靜觸點(diǎn)在工作分?jǐn)鄷r(shí)不產(chǎn)生電弧是不可能的，只能通過改善觸點(diǎn)的抗電弧侵蝕性能，減緩觸點(diǎn)材料的燒蝕速度和轉(zhuǎn)移速度，從而延長觸點(diǎn)使用壽命。

當(dāng)前開關(guān)觸點(diǎn)大多采用銀合金(銀鎳合金．銀鉻合金等）。由于在開關(guān)的使用過程中，開關(guān)觸點(diǎn)除承擔(dān)電路的接通、分?jǐn)嗪透綦x等功能外，還需承擔(dān)一定的載流作用，而一般載流件的首選材質(zhì)多為銅合金。現(xiàn)有開關(guān)產(chǎn)品觸點(diǎn)使用的即為銅基銀合金材料AgCdO12/Cu，其中AgCdO12覆層的厚度為0.2～0.3。從目前拆解的情況來看，AgCdO12層耐電侵蝕的能力尚不能滿足實(shí)際使用需求。研究表明，銀觸點(diǎn)的厚度大小直接影響著其導(dǎo)電性能的優(yōu)劣。因此可以考慮增大銀合金的覆蓋厚度以減少開關(guān)閉合時(shí)電火花的產(chǎn)生、延長使用壽命。

對于開關(guān)觸點(diǎn)的接觸形式，一般有面接觸、線接觸和點(diǎn)接觸三種。作為一種低壓開關(guān)，我們現(xiàn)有開關(guān)產(chǎn)品采用的為面接觸結(jié)構(gòu)，但由于其自潔作用較差，受電侵蝕影響較大，縮短了觸點(diǎn)壽命。因此可以嘗試其它的觸點(diǎn)接觸形式，提高觸點(diǎn)的自潔作用，延長觸點(diǎn)壽命。

根據(jù)以上分析，我們對開關(guān)觸點(diǎn)的改進(jìn)嘗試著從兩個(gè)方面著手。首先，調(diào)整觸點(diǎn)銀合金材質(zhì)的厚度。其次，調(diào)整觸點(diǎn)接觸結(jié)構(gòu)的接觸方式。結(jié)合當(dāng)下的實(shí)際情況，我們對開關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)了以下四種優(yōu)化方案，并進(jìn)行對比試驗(yàn)：方案一， 觸點(diǎn)材料為銅基銀合金AgCdO12/Cu，AgCdO12層厚度為0.4～0.5；方案二，觸點(diǎn)材料為銀合金AgCdO12；方案三，平面觸點(diǎn)改為弧面觸點(diǎn)且觸點(diǎn)材料為銀合金AgCdO12；方案四，平面觸點(diǎn)改為弧面觸點(diǎn)且觸點(diǎn)材料為銅基銀合金AgCdO12/Cu，AgCdO12層厚度為0.4～0.5。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

將四種方案的產(chǎn)品樣件按照相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中電負(fù)荷試驗(yàn)的方法，同時(shí)進(jìn)行對比測試。

表1 改進(jìn)方案試驗(yàn)情況

通過試驗(yàn)情況來看，前三種試驗(yàn)方案都可以使開關(guān)電負(fù)荷壽命得到提高，滿足當(dāng)下企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。但純銀合金AgCdO12觸點(diǎn)成本較高，且AgCdO12硬度較低，觸點(diǎn)的鉚接工藝不易控制。因此，綜合考慮各方面因素，最終選取方案一的改進(jìn)措施。

5 結(jié)論

目前針對開關(guān)觸點(diǎn)燒蝕的改進(jìn)措施已經(jīng)逐步落實(shí)到位，改進(jìn)后的產(chǎn)品也已投入到生產(chǎn)使用之中。我們也在對新產(chǎn)品的市場使用情況進(jìn)行積極的跟進(jìn)。造成觸點(diǎn)燒蝕的原因有很多種，這種優(yōu)化方案只能提高觸點(diǎn)的耐電侵蝕壽命，但并不能徹底的解決觸點(diǎn)燒蝕問題。同時(shí)引起開關(guān)失效的原因不止觸點(diǎn)燒蝕一種，因此開關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量可靠性的提升還需要我們繼續(xù)研究，逐步優(yōu)化。