車載發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器連接端子可靠性優(yōu)化

【摘" 要】商用車因其惡劣的工況環(huán)境以及限制性的發(fā)動(dòng)機(jī)艙布局，對(duì)艙內(nèi)電器設(shè)備的可靠性提出了更高的要求。針對(duì)市場(chǎng)失效反饋，在新一代調(diào)節(jié)器開發(fā)過程中分析其B+接線端的安裝特征，理論計(jì)算結(jié)合FEM模擬仿真，對(duì)B+接線端子進(jìn)行結(jié)構(gòu)性的優(yōu)化，降低其工作過程中的應(yīng)力負(fù)載。同時(shí)探討金屬表面處理對(duì)裸露端子的保護(hù)功能，針對(duì)工況環(huán)境特別是腐蝕影響因素，采用鍍層以及硅膠隔離的措施加強(qiáng)B+接線端子防腐蝕能力。試驗(yàn)結(jié)果表明：新開發(fā)調(diào)節(jié)器B+接線端在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及抗腐蝕方面都有明顯改善。對(duì)提升車載發(fā)電機(jī)整體可靠性、降低市場(chǎng)失效率、增加產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，具有一定的參考意義。

【關(guān)鍵詞】發(fā)電機(jī)；調(diào)節(jié)器；接線端子；腐蝕；振動(dòng)；有限元仿真

中圖分類號(hào)：U463.632" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）04-0067-04

Reliability Optimization of Regulator Connecting Terminals for Commercial Vehicle Generator

JIANG Jiajia

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

【Abstract】Commercial vehicles，due to their harsh working conditions and restrictive engine compartment layout，put forward higher requirements on the reliability of electrical equipment in the compartments. In response to the market failure feedback，the installation characteristics of the B+ terminal were analyzed during the development of the new platform of regulator，and the theoretical calculations combined with FEM simulation were used to structurally optimize the B+ terminal to reduce the stress loads in the use condition. At the same time，the corrosion protection of the metal surface treatment on the exposed terminals was discussed，and the measures of Tin-coating and silicone isolation were adopted to strengthen the corrosion resistance of the B+ terminals. Test results showing that the newly developed regulator B+ terminals have significant improvements in structural strength and corrosion resistance as well. It has certain reference significance to improve the overall reliability of vehicle generators，reduce market failure rate and increase product competitiveness.

【Key words】generator regulator；connecting；terminal；corrosion；vibration；FEM

1" 前言

汽車發(fā)電機(jī)作為車輛運(yùn)行過程中的主要電源，在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，向車載用電設(shè)備供電，并同時(shí)向蓄電池充電。由于發(fā)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間采用皮帶輪傳動(dòng)，其轉(zhuǎn)速隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變動(dòng)，因此發(fā)電機(jī)輸出電壓也會(huì)隨之波動(dòng)。另外，整車電量需求也會(huì)根據(jù)車載用電設(shè)備的開啟或者關(guān)閉狀態(tài)，以及蓄電池的充放電狀態(tài)有所不同。此時(shí)，就需要一個(gè)具有電壓調(diào)節(jié)功能以及電流限制功能的裝置來控制發(fā)電機(jī)的發(fā)電量，以達(dá)到發(fā)電機(jī)輸出與整車耗電的平衡，即調(diào)節(jié)器。根據(jù)整車電量需求以及自身轉(zhuǎn)速信號(hào)輸入，發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器通過控制流過轉(zhuǎn)子的激磁電流通斷，進(jìn)而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的大小以達(dá)到控制發(fā)電機(jī)的輸出[1]。以目前市場(chǎng)上主流的調(diào)節(jié)器為混合集成電路調(diào)節(jié)器為例[2]，其電器原理如圖1所示。

調(diào)節(jié)器與發(fā)電機(jī)本體的連接端口眾多，連接方式多變。博世、法雷奧、電裝等國(guó)內(nèi)外車用發(fā)電機(jī)產(chǎn)商根據(jù)自身的發(fā)電機(jī)本體設(shè)計(jì)特征以及對(duì)可靠性的優(yōu)化，形成各具特色的調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)。圖2是新開發(fā)的調(diào)節(jié)器及端口。

調(diào)節(jié)器各端口作為發(fā)電機(jī)與車輛各電子電器系統(tǒng)之間電流及電信號(hào)的交互通道，其可靠性十分重要。尤其是商用車輛，存在工作環(huán)境惡劣、工況復(fù)雜多變、負(fù)載大等特征，對(duì)連接端口，特別是裸露在外的連接端口，提出了更高的要求。

在市場(chǎng)上，發(fā)電機(jī)失效的案例時(shí)有發(fā)生。典型的調(diào)節(jié)器B+斷裂失效如圖3所示，用于商用車發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)器B+接線端子斷裂將導(dǎo)致其無電流輸出，引起客戶抱怨。

在調(diào)節(jié)器新平臺(tái)開發(fā)過程中，如何加強(qiáng)B+端，消除其在市場(chǎng)應(yīng)用中的腐蝕及斷裂失效問題，成為提升產(chǎn)品可靠性及競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)課題。

2" 調(diào)節(jié)器端子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1" 安裝環(huán)境

此調(diào)節(jié)器是新開發(fā)的，適用于商用車的發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，可在車輛運(yùn)行狀態(tài)下調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)為整車電器系統(tǒng)的供電量。其B+接線端與發(fā)電機(jī)總輸出接線螺栓相連，主要對(duì)車載電池電壓信號(hào)進(jìn)行偵測(cè)并反饋到調(diào)節(jié)器內(nèi)部邏輯控制單元，以達(dá)到控制發(fā)電機(jī)輸出電壓的目的。

B+端采用的是青銅沖壓板，其與塑料支架內(nèi)部嵌件成一體。B+伸出來的部分呈開口C狀，其安裝環(huán)境及簡(jiǎn)化圖如圖4所示，插在發(fā)電機(jī)總輸出接線螺栓上，底部由鋁制整流器散熱板支撐，上面由螺母擰緊壓著。鋁制整流器和調(diào)節(jié)器塑料支架采用螺釘固定在鋁制端蓋上。對(duì)于B+端子來說，其可靠性主要來自抗機(jī)械負(fù)載性能和耐腐蝕能力。

2.2" 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

由于調(diào)節(jié)器B+被螺母鎖死在發(fā)電機(jī)散熱板螺栓上，塑料支架采用螺釘鎖緊在端蓋上，兩者在振動(dòng)環(huán)境下的微觀運(yùn)動(dòng)方向存在差異，這樣導(dǎo)致B+端彎曲及拉伸變形，故先從疲勞角度考慮對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。如表1所示，新開發(fā)調(diào)節(jié)器選擇延展性更好的CuSn6作為基材。

由于要便于調(diào)節(jié)器裝配，B+端伸出部分并不是平的，而是有一定的傾斜度。同時(shí)，B+端子與鋁基整流器散熱板之間存在高度差，螺母擰緊固定之后就存在彎曲應(yīng)力。如圖5所示，為了降低這個(gè)應(yīng)力，B+端子翹曲位置由原來的塑料根部移至C圈中心位置，以降低原始高度差。

如圖4所示，B+端與發(fā)電機(jī)總輸出螺栓相連，通過螺母鎖緊固定，其物理模型就是一個(gè)近似懸臂梁的結(jié)構(gòu)。假設(shè)由于振動(dòng)，相對(duì)位移導(dǎo)致的B+端上下彎曲擾度Δ和前后拉伸變形δ一定，則彎曲應(yīng)力關(guān)系式如下：

拉伸應(yīng)力關(guān)系式如下：

式中：σ——彎曲正應(yīng)力；τ——彎曲切應(yīng)力；M——彎矩；Wz——抗彎截面系數(shù)；E——彈性模量；h——B+端厚度；Δ——B+端彎曲擾度；L——B+端懸臂長(zhǎng)度；F——B+端剪力；b——B+端寬度；σa——拉伸正應(yīng)力；τa——拉伸切應(yīng)力；ε——B+端拉伸應(yīng)變；δ——B+端拉伸量；S——B+端橫截面積。調(diào)節(jié)器B+端結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖6所示。

通過計(jì)算，B+伸出長(zhǎng)度加長(zhǎng)有利于減小由于振動(dòng)帶來的彎曲及拉伸應(yīng)力。因此，可以將塑料支柱位置后移來增長(zhǎng)B+懸臂長(zhǎng)度L，結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化詳見表2。

2.3" 模擬仿真

基于以上設(shè)計(jì)變更，進(jìn)行模擬仿真分析對(duì)比。模擬仿真分兩步，如圖7所示。首先，為靜態(tài)載荷加載，即螺母鎖緊將B+端壓在散熱板上；其次，為動(dòng)態(tài)載荷加載，即振動(dòng)狀態(tài)下，B+端彎曲和拉伸響應(yīng)。

結(jié)果如圖8所示，通過優(yōu)化改進(jìn)，新設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的B+端子靜態(tài)應(yīng)力及動(dòng)態(tài)應(yīng)力均有下降。新設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器最大靜態(tài)應(yīng)力點(diǎn)由原先市場(chǎng)斷裂失效的B+端根部遷移至C環(huán)中央，而這個(gè)點(diǎn)被螺母擰緊壓實(shí)，不存在斷裂風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)力值也由原先的691MPa降低至616MPa。在動(dòng)態(tài)應(yīng)力方面，由于與外部連接特征沒有變更，以及振動(dòng)水平一致，其最大交變應(yīng)力點(diǎn)以及應(yīng)力值保持在B+端根部，大小由原先的36.5MPa變?yōu)?1.5MPa。

根據(jù)簡(jiǎn)化持久極限曲線（圖9）[3]，老款設(shè)計(jì)由于在最大靜應(yīng)力位置a存在較大的交變應(yīng)力，此位置呈現(xiàn)疲勞失效狀態(tài)。改進(jìn)后的設(shè)計(jì)，相對(duì)應(yīng)的1處?kù)o應(yīng)力大幅降低，交變應(yīng)力也縮小，因此在振動(dòng)狀態(tài)下更加安全可靠。

3" 耐腐蝕性

金屬受外部環(huán)境介質(zhì)（氣態(tài)或液態(tài)）的作用（化學(xué)的或電化學(xué)的），在其表面會(huì)引起異相反應(yīng)，變成氧化物、硫化物、氯化物等化合物，進(jìn)而腐蝕。常見的銅質(zhì)接線端子腐蝕有兩種。

1）銅件發(fā)黑，其實(shí)是銅在高溫的環(huán)境下被氧氣氧化的結(jié)果，主要成分為氧化銅。反應(yīng)方程式為：

O2 + 2Cu = 2CuO（5）

2）銅件生銹，則是銅在氧氣、水和二氧化碳共同作用下發(fā)生反應(yīng)生成翠綠色銅綠的結(jié)果。反應(yīng)方程式為：

O2 + H2O + CO2 + 2Cu = Cu2（OH）2CO3（6）

為確保端子連接部位保持穩(wěn)定性，防止端子氧化、腐蝕，端子表面都會(huì)設(shè)置鍍層進(jìn)行保護(hù)。目前行業(yè)內(nèi)使用的鍍層材質(zhì)有錫（Sn）、銀（Ag）、金（Au）等。因?yàn)榻饘倩顒?dòng)順序表中錫的活動(dòng)性排在銅之前，所以在空氣中錫和空氣構(gòu)成原電池[4]。

正極：

O2 + 2H2O + 4e = 4OH-（7）

負(fù)極：

2Sn - 4e = 2Sn2+（8）

此電池在負(fù)極上用錫代替了銅放電，所以保護(hù)了銅不被腐蝕。綜合考慮工況、價(jià)格、加工工藝，本品決定采用鍍錫的方式對(duì)B+端進(jìn)行保護(hù)。同時(shí)Sn很軟，經(jīng)過微振動(dòng)后很容易被刮損，產(chǎn)生大量的磨耗粉、微裂紋以及剝離缺陷[5]。通過振動(dòng)試驗(yàn)表明，厚的Sn層比起薄的Sn層端子，其微振動(dòng)后基材更易裸露被腐蝕，為抑制Sn的微振動(dòng)磨耗，Sn層厚度不宜太大，故本品嵌件預(yù)鍍錫厚度為1～4μm。

由于是預(yù)鍍，銅材剪切側(cè)邊并沒有鍍層保護(hù)，再加上注塑過程中會(huì)被工裝夾持，表面鍍層將出現(xiàn)不可避免地被破壞，如圖10所示。如果鍍錫層存在破口，或者是局部鍍錫現(xiàn)象，則在破口及局部鍍錫邊緣發(fā)生銅與錫的電化學(xué)反應(yīng)，電子發(fā)生轉(zhuǎn)移，其化學(xué)反應(yīng)式如下：

Sn + Cu2+ = Sn2+ + Cu（9）

銅暴露在空氣中持續(xù)被空氣氧化，然后被錫還原，使得錫快速消耗而加速了表面腐蝕?？紤]采用硅膠環(huán)繞覆蓋裸露位置來隔絕沉積腐蝕物質(zhì)與遭破環(huán)的鍍層，如圖11所示。

4" 可靠性驗(yàn)證

在新設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器開發(fā)階段，針對(duì)B+端可靠性進(jìn)行了系統(tǒng)的驗(yàn)證。振動(dòng)方面，參照目前行業(yè)比較苛刻的VDA SoR標(biāo)準(zhǔn)LV124 M-04（德國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)），搭載我司振動(dòng)反應(yīng)較大的某款商用車發(fā)電機(jī)進(jìn)行VDA振動(dòng)測(cè)試。預(yù)老化測(cè)試參照DIN EN 60068-2-14Na；正弦振動(dòng)測(cè)試參照VDA LV124 M-04；水域測(cè)試參照博世N42AP352。

24臺(tái)新開發(fā)調(diào)節(jié)器在所有測(cè)試中均未出現(xiàn)任何B+斷裂失效，水域測(cè)試后功能正常。6臺(tái)老款調(diào)節(jié)器在振動(dòng)后發(fā)現(xiàn)1臺(tái)B+斷裂。測(cè)試結(jié)果表明，新設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器在振動(dòng)可靠性方面相比老款調(diào)節(jié)器有明顯提升，完全滿足VDA標(biāo)準(zhǔn)要求。

耐腐蝕方面，參照目前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NES M0158 CCT-I，搭載我司某款商用車發(fā)電機(jī)進(jìn)行耐腐蝕CCT-I測(cè)試驗(yàn)證。預(yù)老化測(cè)試參照DIN EN 60068-2-14Na；腐蝕測(cè)試參照NES M0158 CCT-I（800h）。

對(duì)比圖12腐蝕測(cè)試（CCT-I）結(jié)果發(fā)現(xiàn)，新設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的B+端腐蝕狀態(tài)相比老款有明顯改善，特別是在根部與塑料支架交接處，因?yàn)榇颂幝懵?，腐蝕沉積嚴(yán)重。而帶硅膠保護(hù)的B+端相比不帶硅膠保護(hù)的B+端，其腐蝕程度進(jìn)一步得到了改善。

5" 總結(jié)

在新調(diào)節(jié)器開發(fā)過程中，針對(duì)市場(chǎng)反饋的B+端腐蝕及斷裂失效抱怨，理論分析了優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案，結(jié)合FEM靜態(tài)及動(dòng)態(tài)模擬仿真，對(duì)B+接線端子進(jìn)行結(jié)構(gòu)性的優(yōu)化，降低了其工作過程中的應(yīng)力負(fù)載，提升了調(diào)節(jié)器B+接線端的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。另外，根據(jù)調(diào)節(jié)器的安裝環(huán)境以及制作過程的影響，采用鍍層保護(hù)以及硅膠隔離的措施加強(qiáng)了B+接線端子防腐蝕能力。參考行業(yè)嚴(yán)苛的振動(dòng)以及腐蝕試驗(yàn)，驗(yàn)證了新開發(fā)調(diào)節(jié)器B+端在結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及抗腐蝕方面的改善效果。

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（編輯" 凌" 波）