碳鋼開關(guān)接觸螺栓在汽車起動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用研究

收稿日期：2024-05-22

作者簡介

郭佳（1982—），男，工程師，碩士，工程部高級經(jīng)理，負(fù)責(zé)起動(dòng)機(jī)產(chǎn)品開發(fā)和平臺(tái)管理工作。

【摘 要】汽車起動(dòng)機(jī)將電池的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，而電磁開關(guān)是汽車起動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其接觸螺栓的性能是起動(dòng)機(jī)正常工作的關(guān)鍵。文章針對銅合金螺栓性能溢出、成本高的特點(diǎn)，提出使用碳鋼螺栓替代現(xiàn)有螺栓，并對其進(jìn)行對比測試和應(yīng)用，在保持產(chǎn)品品質(zhì)的同時(shí)降低成本，對工程應(yīng)用有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

【關(guān)鍵詞】起動(dòng)機(jī)；電磁開關(guān)；碳鋼

中圖分類號：U464.142 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：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

汽車起動(dòng)機(jī)將電池的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而克服發(fā)動(dòng)機(jī)阻力矩，達(dá)到所需的起動(dòng)轉(zhuǎn)速。而電磁開關(guān)是汽車起動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件之一，它除了控制起動(dòng)機(jī)小齒輪與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪的嚙合外，還負(fù)責(zé)控制起動(dòng)機(jī)電機(jī)主回路的接通與斷開功能[1]。其2個(gè)固定觸頭負(fù)責(zé)連接線路使電池與起動(dòng)機(jī)相連以及密封電磁開關(guān)，并通過控制活動(dòng)觸片使2個(gè)固定觸頭控制電機(jī)主回路的接通與斷開。

1 材料性能分析

固定觸頭接觸螺栓主要負(fù)責(zé)電路的接通與斷開功能，需要承受頻繁的電氣負(fù)載和機(jī)械操作，因此選擇的材料必須具備一定的強(qiáng)度和優(yōu)良的導(dǎo)電性，以減少能量損耗和熱量產(chǎn)生。此外，考慮到工作環(huán)境可能存在一定的腐蝕性氣體或液體，所選材料還應(yīng)該有良好的抗腐蝕特性，以延長使用壽命。最后，由于起動(dòng)機(jī)在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生高溫，材料還應(yīng)具備一定的耐高溫性能，保證在高溫環(huán)境下也能保持穩(wěn)定的機(jī)械和電氣性能。目前固定觸頭接觸螺栓采用銅合金材料，其擁有良好的導(dǎo)電性能、抗磨損能力、耐熱性和抗腐蝕性，但由于含有較多的貴金屬銅、鎳和硅等合金元素，它的成本相對較高，因此需要尋找可以替代銅合金的金屬材料。

在大部分起動(dòng)機(jī)使用場景中，對導(dǎo)電性要求不是極高，而對溫度變化、機(jī)械性能要求較高，此時(shí)采用經(jīng)過表面鍍層的碳鋼材料可能更為經(jīng)濟(jì)實(shí)用，表面鍍層使用鋅鎳合金（ZnNi），在潮濕或腐蝕性環(huán)境中，鋅鎳合金能夠?yàn)樘间摶奶峁└L時(shí)間的保護(hù)，防止材料因氧化或化學(xué)侵蝕而損壞，提高部件耐用性[2]。鋅鎳鍍層可以提供一定的導(dǎo)電性，有助于電流的傳遞，同時(shí)還能提供額外的耐磨性和提升產(chǎn)品的外觀品質(zhì)。

銅合金和碳鋼的材料性能對比見表1，可以看出，碳鋼具有更高的抗拉強(qiáng)度和更低的密度，在同體積下有更好的機(jī)械性能和更輕的質(zhì)量。但是其相較于銅合金，電阻率增加，導(dǎo)熱系數(shù)明顯降低，并且需要表面鍍層增強(qiáng)耐腐蝕能力，因此需要對性能弱于銅合金的特性進(jìn)行測試驗(yàn)證。

2 測試驗(yàn)證

2.1 電壓降測試

電壓降指電流通過導(dǎo)體（如電線或電路元件）時(shí)，由于電阻的存在而導(dǎo)致電壓減小，這個(gè)現(xiàn)象是根據(jù)歐姆定律得出的。

在實(shí)際應(yīng)用中，過大的電壓降可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備性能下降，因?yàn)樵O(shè)備可能無法獲得其正常工作所需的電壓。而碳鋼的電阻率相對于銅合金提升了39.7%，因此需要進(jìn)行電壓降測試并觀察開關(guān)吸合和閉合電流電壓的波形，以判斷電阻率的提升對電壓降的影響。

經(jīng)過測試，在輸入電壓為10V時(shí)，銅合金的電壓降為75.85mV，碳鋼的電壓降為89.35mV，提升為17.8%，相對于輸入電壓變化量為0.135%。開關(guān)吸合和釋放試驗(yàn)結(jié)果分別如圖1、圖2所示，兩種材料在開關(guān)吸合和釋放時(shí)的電壓與電流波形相似，可以看出改進(jìn)材料對開關(guān)的導(dǎo)電性能影響較小，可忽略不計(jì)。

2.2 負(fù)載測試

為了評價(jià)接觸螺栓在各種負(fù)載情況下的溫度性能表現(xiàn)，對碳鋼和銅合金在25%、50%、75%和100%的峰值負(fù)載條件下的溫度變化進(jìn)行測試，其中25%負(fù)載工況對應(yīng)電流大小400A持續(xù)223s，50%負(fù)載工況對應(yīng)電流大小695A持續(xù)30s，75%負(fù)載工況對應(yīng)電流大小1000A持續(xù)15s，100%負(fù)載工況對應(yīng)電流1400A大小持續(xù)7.2s。溫度測試點(diǎn)在電磁開關(guān)接電機(jī)一端螺栓的接線上，如圖3所示。

如圖4～圖7所示，在各種負(fù)載情況下，碳鋼材料螺栓的溫度曲線均與銅合金螺栓有高度的相似性，在實(shí)際應(yīng)用中沒有風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 溫升測試

電磁開關(guān)中的接觸螺栓是關(guān)鍵的導(dǎo)電部件，負(fù)責(zé)承載起動(dòng)電路中的大電流。材料變化，比如從一種金屬更換為另一種，可能會(huì)影響其熱傳導(dǎo)性能和耐熱性。因此，測量接觸螺栓在工作中的發(fā)熱情況至關(guān)重要。

本文在起動(dòng)機(jī)負(fù)載為17N·m，即電流大小為600A時(shí)進(jìn)行溫度風(fēng)險(xiǎn)評估測試，室溫為25℃，升溫速率見表2。通過計(jì)算可以得到銅合金材料螺栓的溫度提升速率為7℃/s，碳鋼材料螺栓的溫度提升速率為7.5℃/s，溫升速率增加了7%，但是最大溫度仍在600℃以下，沒有風(fēng)險(xiǎn)[3]。

其次，本文通過控制電流大小和電流保持的時(shí)間，來計(jì)算溫升的變化，根據(jù)焦耳定律Q=I2Rt和材料自身參數(shù)，分別在電流1400A時(shí)間7.2s、電流1000A時(shí)間15s、電流695A時(shí)間30s和電流400A時(shí)間223s計(jì)算碳鋼的溫升變化，以及根據(jù)2.2節(jié)測試結(jié)果，可以得到碳鋼理論溫升為實(shí)際溫升的2.3倍，碳鋼溫升變化見表3。

通常，起動(dòng)機(jī)工作環(huán)境溫度為100℃左右，此時(shí)接觸螺栓實(shí)際溫度最高為186.8℃，遠(yuǎn)小于600℃，材料更改對溫升的影響很小，此時(shí)螺栓和支持電纜功能均無風(fēng)險(xiǎn)。

3 應(yīng)用

本文已經(jīng)通過材料性能分析和測試驗(yàn)證了碳鋼替換銅合金的可行性，并對現(xiàn)行起動(dòng)機(jī)進(jìn)行改裝應(yīng)用，實(shí)際應(yīng)用效果如圖8所示，紅圈內(nèi)為材料替換部位。

為了驗(yàn)證接觸螺栓材料在起動(dòng)機(jī)應(yīng)用中的性能與可靠性，需要對起動(dòng)機(jī)進(jìn)行性能曲線測試、鹽霧試驗(yàn)、過載測試、耐久測試、隨機(jī)振動(dòng)測試和正弦振動(dòng)測試，整機(jī)應(yīng)用測試結(jié)果見表4。由表4可知碳鋼接觸螺栓可以保證起動(dòng)機(jī)的起動(dòng)能力、效率和穩(wěn)定性，在表面鍍ZnNi后具有較強(qiáng)的抗腐蝕能力，其在極端情況下仍能保持基本功能或安全失效時(shí)能夠滿足既定的耐用性標(biāo)準(zhǔn)，并且通過隨機(jī)振動(dòng)測試和正弦振動(dòng)測試證明了碳鋼接觸螺栓的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、連接可靠性以及未出現(xiàn)螺栓松動(dòng)的問題。

該材料改進(jìn)已經(jīng)在實(shí)際工程中大量應(yīng)用，為企業(yè)實(shí)現(xiàn)每年降低成本近百萬元，并且未出現(xiàn)品質(zhì)問題，具有極大的應(yīng)用意義。

4 結(jié)論

綜上所述，本文分析了接觸螺栓的使用材料，針對碳鋼的薄弱材料特性進(jìn)行了電壓降測試、負(fù)載測試和溫升測試，驗(yàn)證了碳鋼接觸螺栓在汽車起動(dòng)機(jī)的電磁開關(guān)上替代現(xiàn)有材料接觸螺栓的可行性，并通過整機(jī)應(yīng)用測試和工程應(yīng)用，體現(xiàn)碳鋼接觸螺栓的性能、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。因此，碳鋼材料在汽車起動(dòng)機(jī)中擁有新的應(yīng)用價(jià)值，未來也將對更多材料進(jìn)行研究驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭佳. 博世起動(dòng)機(jī)電磁開關(guān)的分析和優(yōu)化研究[D]. 長沙：湖南大學(xué)，2015.

[2] 全紅燁，劉澤昊，王岳. ZnNi合金用作熱噴涂防腐蝕涂層材料[J]. 材料保護(hù)，2000（2）：47-48.

[3] 王寧濤，王利軍，郭俊成，等. 16MnCr5高溫?zé)崴苄约斑B續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線測定及應(yīng)用[J]. 特殊鋼，2023，44（4）：120-124.

（編輯 楊凱麟）