汽車典型負(fù)載特點(diǎn)及對(duì)應(yīng)繼電器使用觸點(diǎn)材料的設(shè)計(jì)

吳靈勇

（廈門宏發(fā)電聲股份有限公司，福建 廈門 361021）

1 引言

為減少燃料的使用，增加人員乘坐的安全性和舒適性，車上所需電子裝置和控制裝置越來越多，這些電子裝置和控制裝置大都使用機(jī)電式的繼電器接通、斷開和轉(zhuǎn)換負(fù)載。因而機(jī)電式的繼電器在汽車上的作用越來越重要。如果在整車設(shè)計(jì)時(shí)選擇的繼電器不當(dāng)，將會(huì)帶來很大的問題：如繼電器的早期失效增多，帶來大量的售后維修工作，嚴(yán)重的可能對(duì)駕乘人員的安全造成危害。據(jù)統(tǒng)計(jì)，繼電器失效有60%是由于觸點(diǎn)失效引起的，需要引起高度重視的是其中由于觸點(diǎn)材料選擇不當(dāng)而造成的繼電器失效比例約占其中50%。本文將分析汽車上典型負(fù)載的特點(diǎn)，比較不同類型的汽車電氣負(fù)載，選擇不同的繼電器觸點(diǎn)材料與其相對(duì)應(yīng)。并通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明該如何選擇合適繼電器觸點(diǎn)材料。

2 汽車負(fù)載種類

汽車上負(fù)載種類比較多，如大燈負(fù)載，車內(nèi)照明燈負(fù)載，轉(zhuǎn)向燈負(fù)載，車窗升降負(fù)載，空調(diào)負(fù)載、后窗加熱負(fù)載、點(diǎn)煙器負(fù)載，雨刮器負(fù)載，油泵負(fù)載等等，以上的負(fù)載根據(jù)其負(fù)載特性，不考慮特別的情況，大致可以歸類為三大類，分別為燈負(fù)載，電動(dòng)機(jī)負(fù)載和阻性負(fù)載，各大類負(fù)載的特點(diǎn)同中有異，如燈負(fù)載中有閃光燈、照明燈、大燈等負(fù)載，閃光燈的負(fù)載和照明燈、大燈的負(fù)載有很大的不同，電動(dòng)機(jī)負(fù)載中比較特殊的是控制正反轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)負(fù)載，如自動(dòng)車窗、自動(dòng)頂篷等負(fù)載，正反轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)負(fù)載帶有反向的沖擊電流，在繼電器觸點(diǎn)材料選用上需要特別注意。

各種大類負(fù)載的的性能，用示波器上可以看出其負(fù)載的特點(diǎn)。

（1）燈負(fù)載

圖1所示的是典型的燈負(fù)載的波型圖，燈負(fù)載的特點(diǎn)在燈剛接通時(shí)有一個(gè)比較大的沖擊電流，之后電流趨于穩(wěn)定，圖1所示的一個(gè)所測(cè)量的型的燈負(fù)載的波型圖，汽車上的大燈負(fù)載，兩只55W大燈，穩(wěn)態(tài)電流為10A，沖擊電流達(dá)到55A，有這樣的波形是因?yàn)楫?dāng)燈絲第一次通電時(shí)，由于燈絲處于冷態(tài)，電阻比較小，當(dāng)通電一段時(shí)間，燈絲被加熱，燈絲的電阻變大，其通過的電流變小。

圖1 燈負(fù)載

（2）感性負(fù)載

圖2所示的是典型的電動(dòng)機(jī)負(fù)載的電流波型圖，電動(dòng)機(jī)負(fù)載的特點(diǎn)在電動(dòng)機(jī)剛開始動(dòng)作時(shí)有一個(gè)比較大的沖擊電流，之后電流趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)楫?dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子剛開始動(dòng)作時(shí)，電動(dòng)機(jī)還沒有產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，所以有比較高的沖擊電流，當(dāng)動(dòng)作一段時(shí)間后，反電動(dòng)勢(shì)逐漸增大，使負(fù)載的電流逐漸下降，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定時(shí)間后就趨于穩(wěn)定，從電流波形上看電動(dòng)機(jī)負(fù)載的電流波型圖與燈負(fù)載的波形圖有點(diǎn)一致，但實(shí)際上差別比較大，燈負(fù)載在第一次通電的瞬間通常有一個(gè)比較大的瞬間電流，最高可達(dá)穩(wěn)態(tài)電流的15倍左右，由于時(shí)間很短，必須選擇合適的示波器量程才能看出來，這種負(fù)載對(duì)繼電器觸點(diǎn)比較嚴(yán)酷，通常在接觸的瞬間發(fā)生觸點(diǎn)粘接的現(xiàn)象，對(duì)繼電器的觸點(diǎn)材料要求比較特殊， 電動(dòng)機(jī)負(fù)載的峰值比較固定，和穩(wěn)態(tài)電流的倍數(shù)比值和燈負(fù)載比通常較低。

圖2 電動(dòng)機(jī)負(fù)載電流波形

（3）阻性負(fù)載

阻性負(fù)載的電流波型圖比較簡(jiǎn)單，就是一條直線，電流始終處于穩(wěn)定的狀態(tài)，在對(duì)繼電器觸點(diǎn)的考驗(yàn)方面，由于負(fù)載沒有沖擊電流，因此觸點(diǎn)材料的轉(zhuǎn)移比較小，觸點(diǎn)始終處于相同的電流作用下，觸點(diǎn)電阻間發(fā)熱相對(duì)比較嚴(yán)重，因此觸點(diǎn)材料本身的接觸電阻要比較低。

3 適用于汽車?yán)^電器的觸點(diǎn)材料性能

根據(jù)汽車上負(fù)載的特點(diǎn)和類型，用于汽車?yán)^電器中的觸點(diǎn)材料必須具有以下的特點(diǎn)：

（1）良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。這是對(duì)觸點(diǎn)材料的基本要求，材料本身要具有低而穩(wěn)定的電阻，同時(shí)在工作一段時(shí)間后，要保證接觸電阻不會(huì)急劇增大，溫度不會(huì)升高太多。

（2）耐電磨損。承受的電流密度較大，觸點(diǎn)材料必須要能經(jīng)受強(qiáng)電弧的侵蝕，保證有足夠的使用壽命。

（3）抗熔焊能力強(qiáng)。在汽車?yán)^電器使用過程中，如燈負(fù)載和電動(dòng)機(jī)負(fù)載等往往還存在著大的浪涌電流，極易造成觸點(diǎn)熔焊或劇烈燒損，觸點(diǎn)材料在選擇材料成分和結(jié)構(gòu)時(shí)要充分考慮到這一點(diǎn)。

（4）良好的機(jī)械加工性。觸點(diǎn)材料要加工成各種形狀，特別是大量的鉚釘型觸點(diǎn)，因此觸點(diǎn)材料應(yīng)具有高強(qiáng)度并兼顧很好的塑性。

根據(jù)以上的分析，有以下三種觸點(diǎn)材料常用于汽車?yán)^電器上。

（1）第1種觸點(diǎn)材料：AgNi0.15

AgNi0.15的材料是由第一組分（金屬Ag）和第二組分(Ni)混合形成的粉末金屬?gòu)?fù)合材料，其中Ni的含量為0.15%，性能接近于純銀，俗稱“細(xì)晶銀”，材料的物理質(zhì)地軟，材料塑性和延展性好，制成的觸點(diǎn)接觸電阻比較小，在高浪涌電流負(fù)載的條件下容易發(fā)生觸點(diǎn)粘接現(xiàn)象。

（2）第2種觸點(diǎn)材料：AgSnO2

AgSnO2也是一種合金材料，是由第一組分（金屬Ag）和第二組分（氧化物SnO2）混合形成的粉末金屬?gòu)?fù)合材料，其中第一組分金屬銀具有良好的導(dǎo)電性、抗氧化性、抗氮化性。第二組分SnO2決定電弧的開斷性能，其很高的熔化和分解溫度使Ag-SnO2在電弧的高溫作用下不易分解，這種材料的作用機(jī)理有兩個(gè)：一是氧化物的分解和升華中消耗了大量電弧輸入觸點(diǎn)的能量，使得觸點(diǎn)冷卻；二是金屬氧化物在觸點(diǎn)表面熔池中以顆粒形式存在，增加了熔融態(tài)金屬的粘性，有助于降低因液態(tài)噴濺發(fā)生的損耗。三是SnO2粒子增大了Ag 熔池的粘度使熔化的銀不易噴射，電弧侵蝕小。四是 SnO2具有的脆性使Ag-SnO2的抗熔焊性很好，且抗熔焊穩(wěn)定性很高。

（3）第3種觸點(diǎn)材料：AgSnO2In2O3

人們?cè)诙嗄闍gSnO2材料的負(fù)載應(yīng)用開發(fā)中了解到AgSnO2觸點(diǎn)材料具有以下的不足：

在電弧多次作用下，SnO2成分富集于觸點(diǎn)表面引起接觸電阻增大，溫升較高。嚴(yán)重影響了電氣使用性能，這也是導(dǎo)致AgSnO2材料在運(yùn)行過程中尤其是通斷操作次數(shù)很高時(shí)，溫升比較高的原因。通過添加特定的添加劑，可有效地降低通斷操作過程中AgSnO2觸點(diǎn)材料的溫升。有研究認(rèn)為，SnO2具有較高的熱穩(wěn)定性，在高溫下比CdO、ZnO更不易分解，AgSnO2觸點(diǎn)材料在一定的負(fù)荷下，經(jīng)多次通斷操作后，觸點(diǎn)表面不斷形成非導(dǎo)電的SnO2渣層，使接觸電阻升高。形成非導(dǎo)電的SnO2渣層的原因是Ag對(duì)SnO2顆粒的潤(rùn)濕性差，當(dāng)融化時(shí)SnO2顆粒聚集，而Ag在電弧作用下發(fā)生噴濺逐漸減少，最后在觸點(diǎn)材料表面出現(xiàn)了SnO2渣層，AgSnO2In2O3在AgSnO2的基礎(chǔ)上添加了In2O3成分，材料的物理質(zhì)地更硬，材料塑性和延展性差，制成的觸點(diǎn)接觸電阻比較大，但是在電壽命實(shí)驗(yàn)中，材料表現(xiàn)出來的優(yōu)良的抗轉(zhuǎn)移性能。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

汽車負(fù)載的繼電器觸點(diǎn)材料選擇必須根據(jù)負(fù)載的特點(diǎn)和觸點(diǎn)材料的性能進(jìn)行匹配選擇，對(duì)于這個(gè)問題，很多資料根據(jù)材料的特性和負(fù)載的特點(diǎn)給出了一些指導(dǎo)，本文擬通過具體試驗(yàn)來闡述這個(gè)問題。

試驗(yàn)的載體為一種汽車?yán)^電器，型號(hào)稱為HFKC，這種繼電器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)性能比較穩(wěn)定，選擇做實(shí)驗(yàn)的繼電器樣品使用同批的零件，在同樣的制造條件下按同樣的制造參數(shù)制造出來，基本上可以保證繼電器的性能散差很小。不同觸點(diǎn)材料的繼電器分批情況見表1。

安排進(jìn)行的試驗(yàn)主要用到的設(shè)備見表2。

表1

表2

4.1 阻性電壽命試驗(yàn)

（1）實(shí)驗(yàn)條件

環(huán)境溫度：23℃，激勵(lì)電壓：13.5V DC，觸點(diǎn)負(fù)載為20A，實(shí)驗(yàn)頻率：2s通，2s斷。

試驗(yàn)線路圖：見圖3，實(shí)驗(yàn)負(fù)載只接繼電器的常開負(fù)載端。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表3）

圖3

表3

4.2 燈負(fù)載電壽命試驗(yàn)

（1）實(shí)驗(yàn)條件

環(huán)境溫度：23℃，激勵(lì)電壓：13.5V DC，觸點(diǎn)負(fù)載為147W，實(shí)驗(yàn)頻率：1s通，6s斷。

試驗(yàn)線路圖：見圖3，實(shí)驗(yàn)負(fù)載只接繼電器的常開負(fù)載端。

圖4

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表4）

表4

4.3 感性負(fù)載電壽命試驗(yàn)

（1）實(shí)驗(yàn)條件

環(huán)境溫度：23℃，激勵(lì)電壓：13.5V DC，觸點(diǎn)負(fù)載為模擬電動(dòng)機(jī)負(fù)載，沖擊25A，溫態(tài)5A，

試驗(yàn)線路圖：見圖5，實(shí)驗(yàn)頻率見圖6。

圖5

圖6

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表5）

表5

4.4 結(jié)果概述

上述所提到的三種觸點(diǎn)材料，AgNi0.15，AgSnO2，AgSnO2In2O3在不同的負(fù)載條件阻性、燈和電動(dòng)機(jī)負(fù)載下表現(xiàn)各不相同，在阻性負(fù)載條件下，AgNi0.15因其較小的接觸電阻，在阻性負(fù)載通電時(shí)發(fā)熱較小，表現(xiàn)最好，在燈負(fù)載的條件，AgSnO2In2O3因其良好抗觸點(diǎn)粘接性能，有最好的表現(xiàn)，在電動(dòng)機(jī)負(fù)載的條件下，AgSnO2，AgSnO2In2O3都能達(dá)到較高的電壽命的要求，但是AgSnO2In2O3有較高的接觸電阻，同時(shí)因?yàn)镮n材料比較貴，所以在電動(dòng)機(jī)負(fù)載的條件下，推薦使用AgSnO2繼電器觸點(diǎn)材料。

5 結(jié)論

根據(jù)上文論述的接觸材料理論和具體實(shí)驗(yàn)情況，在實(shí)際的工程應(yīng)用上可以大概有對(duì)應(yīng)負(fù)載的觸點(diǎn)材料的使用范圍，滿足實(shí)際的產(chǎn)品使用要求，表6就是實(shí)際工程應(yīng)用上各種負(fù)載推薦使用的繼電器觸點(diǎn)材料，繼電器的使用客戶也可以按表6的要求來選擇使用繼電器型號(hào)。

表6

以上的表格工程上適用性較好，但是在實(shí)際的產(chǎn)品應(yīng)用當(dāng)中，由于具體應(yīng)用條件的限制，還必須進(jìn)一步的進(jìn)行研究，如在一些比較特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，要對(duì)負(fù)載對(duì)應(yīng)的觸點(diǎn)材料重新進(jìn)行考慮，如汽車燈負(fù)載中的閃光燈負(fù)載，單用AgSnO2In2O3可能也會(huì)有問題，如接觸電阻較大，造成產(chǎn)品失效，要選擇合適的觸點(diǎn)材料與其配對(duì)使用；電動(dòng)機(jī)負(fù)載中的大電動(dòng)機(jī)負(fù)載，也可以考慮根據(jù)負(fù)載的實(shí)際情況選擇AgSnO2In2O3觸點(diǎn)材料。

因此，建議汽車?yán)^電器觸點(diǎn)材料的選擇在把握以上大的原則后，最好還必須通過具體的試驗(yàn)來驗(yàn)證選用的繼電器觸點(diǎn)材料的是否合理。

[1] 孟凡斌.河北工業(yè)大學(xué)博士后出站報(bào)告.

[2] 周兆鋒,甘衛(wèi)平.AgSnO2觸頭材料的研究進(jìn)展[J].稀有金屬與硬質(zhì)合金,2004,Vol. 32.

[3] M.Ohta,新型銀-金屬氧化物觸頭材料[J].電工合金,1999,(1).

[4] 程禮椿,李震彪,鄒積巖.添加物對(duì)AgSnO2觸頭材料運(yùn)行性能的影響與作用[J].電工合金,1995,(2).

[5] 張逸成,李震彪,程禮椿,張學(xué)康.銀金屬氧化物觸頭材料的表面劣化及抗熔焊性能分析[J].中國(guó)電動(dòng)機(jī)工程學(xué)報(bào),1999,19(4).

[6] 徐炯,朱麗慧,余海峰. 銀基觸頭材料電弧作用下的失效及其機(jī)理[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2003,21(4).

[7] 徐愛斌,王亞平,丁秉鈞. 新型AgSnO2觸頭材料的制備和電弧侵蝕特性[J]. 材料研究學(xué)報(bào),2003,17(2).