汽車組合開關中近遠光燈開關觸點的分析

鄧 方

（浙江陽明汽車部件有限公司，浙江 余姚 315490）

汽車轉向管柱上組合開關，是裝配在汽車的轉向盤下方，固定在汽車轉向管柱上的一個集各種功能性控制開關于一體的組合型產品。汽車駕駛員通過操縱組合開關的操縱手柄可控制汽車轉向燈、前照燈、近遠光燈、霧燈、小燈等燈光信號的開啟和關閉。而汽車燈光信號的正確與否，將直接影響到汽車的安全行駛。特別是在夜晚行駛汽車時，如果控制近遠光燈的開關失效，使汽車的近遠光燈不能正常工作，其后果將不堪設想，嚴重時將產生特重大交通安全事故。

上述提到的汽車車燈，近遠光燈是較大的負載，一般其電流都在10 A以上，車在夜晚行駛時，該燈所使用的頻率極高，故近遠光燈開關的可靠性問題，就成了組合開關制造單位的首要課題。

目前在汽車上控制近遠光燈開啟和關閉的組合開關有以下兩種形式。

1）一種是由開關經線束到中央控制器，再由中央控制器來控制近遠光燈的開啟和關閉。這種方式的控制，對整車系統的要求較高，整車成本相應增加，但對開關來說，開關所承受的負載只是中央控制器的弱小負載 （毫安級的電流）。該種開關的控制不在本文中進行探討。

2）另一種是由開關經線束直接到近遠光燈，這種傳統結構的控制方式，整車成本較低，售后服務也方便。就開關而言，開關在工作中將直接承受近遠光燈的負載，也即開關的觸點在進行分斷和拍合工作時，要承受10A以上的工作電流，而如此強大的工作電流，使開關觸點在分斷時產生強烈的白光 （即電弧），電弧的產生將會燒壞觸點，從而導致開關失效。電器開關在工作中失效的原因雖有很多，其中最主要的是觸點的工作失效，在開關的工作電壓、電流、觸點的幾何形狀及尺寸、接觸形式、接觸壓力、分合速度、觸點間隙、工作環境等條件都不變的情況下，如何正確選擇觸點的材質和材質性能，對觸點在工作中電磨損承受能力的影響將是至關重要的。

老天津夏利汽車上所使用的組合開關近遠光燈開啟和關閉控制方式，就是開關經線束到近遠光燈的直接控制方式，本文就以該產品為例，重點分析觸點的材質和材質性能對可靠性的影響，對開關觸點在試驗中的失效進行分析研究。

1 組合開關中近遠光燈開關結構

組合開關中控制汽車遠光、近光、超車信號的各開關，具有相同的結構，均是通過組合開關操縱手柄的上、下旋轉運動來帶動滑板移動，而滑板的移動又可控制開關動觸點頂銷的上、下運動，使各開關的動靜兩觸點具有分合功能 （見圖1）。遠光和超車 （因超車是遠光燈發出瞬間即逝的閃光信號）為一組動靜觸點，近光為另一組動靜觸點。分析進口產品樣件，兩組開關觸點的材質均為:動觸點材質是CAgCdO（12）／Cu-QM3.8×0.8+2×1.5-0.3； 靜觸點材質是黃銅板鍍銀8～12μm。

2 組合開關中近遠光燈開關可靠性要求參數

組合開關產品在進行近遠光燈開關可靠性的耐久性試驗時，試驗條件要求如下:①工作電壓:直流13.5±0.5V；②工作電流:遠光13.3A，近光12.5A，超車13.3 A；③負載性質:燈負載；④工作環境:室溫 （大氣中）；⑤每次工作循環為:遠光—近光—超車 （遠光）—近光；⑥工作循環速度:每分鐘20次；⑦耐久性:10萬次；⑧電壓降:耐久性試驗前開關觸點處電壓降不超過15 mV／A，耐久性試驗后開關觸點處電壓降不超過25mV／A。

因遠光燈和超車信號的開關控制為同一組觸點，近光燈信號的開關控制為另一組觸點，故近遠光燈控制開關動靜觸點的耐久性考核要求分別為各20萬次。根據耐久性的工作循環速度要求，各組動靜觸點的工作速度即為每分鐘40次。

3 組合開關中近遠光燈開關可靠性試驗

開關 （產品）在首次試驗中，工作到600次 （觸點分合1200次），發生不接通現象 （失效）。拆解產品分析，發現開關靜觸點 （陽極）有輕微凹坑并發黑，頂銷零件熔化，測量靜觸點鍍銀層厚度只有2.8μm，初步分析是鍍銀層不合格所影響，將銀層厚度鍍到要求后 （即11μm），即進行第2次試驗。

開關在第2次試驗中，產品工作到6280次 （觸點分合12560次），再一次失效，發生不接通現象。拆解產品分析，現象與首次一樣，只是程度比首次嚴重，且動觸點具有凸起物并發黑。改善鍍銀層后，試驗的耐久性次數雖比前次提高了近10倍，但離客戶標準要求還是相差甚遠。

進一步改善靜觸點的鍍銀層，將靜觸點的鍍銀改為復合鍍銀，復合鍍銀層厚度增加至20 μm，又進行第3次試驗。第3次開關工作到63880次 （觸點分合127760次），同樣發生不接通現象，拆解產品分析觀察動、靜觸頭，現象與第2次試驗情況幾乎一樣。產品耐久性次數雖又提高了近10倍，但還是達不到客戶標準要求。

4 組合開關中近遠光燈開關可靠性試驗的失效機理

分析以上3次的試驗過程，發現開關在工作過程中，特別是在觸頭的分斷瞬間，有弧光產生，這說明觸頭在分離過程中，有弧光放電現象，使觸點產生電磨損。

而電弧放電是屬于氣體放電的一種形式，其氣體介質放電又有2種基本形式:一是非自持放電，放電是依靠外界游離因子 （如紫外線、X射線、宇宙線等）來維持，一旦外界游離因子失去，放電即行停止，它是肉眼所不能觀察到的；另一種是自持放電，即使外界游離因子失去，在高電場強度作用下，仍能維持放電，如輝光放電和弧光放電便是這一種。電弧的形成是觸點間氣體游離的結果，其游離的方式又可分為表面發射和空間游離，而這兩種游離的方式，在實際中往往又是綜合表現。對圖2a直流電路來說，固定電極間氣體放電的伏安特性曲線如圖2b所示。

圖2b中的DE段即為弧光放電區域，對直流電路來說，當被斷開電路的電流以及開斷后加在觸點間隙上的電壓，超過觸點在工作環境中的極限燃弧參數，便可起弧。對上面所介紹的開關而言，由于觸點的材質為銀，而電路中的負載又為燈負載，銀在空氣中的極限燃弧電壓 （Urh）為12V，極限燃弧電流 （Irh）為0.4A，故觸點在分斷過程中，一定間隙內會產生電弧。

從上述開關觸點試驗中發現，觸點在失效后，靜觸點 （陽極）有凹坑產生，陰極上有凸起物，這說明開關觸點在分斷過程中有液橋產生。原因分析如下。

1）觸點在開始斷開時，此時全部電流只通過一個在微觀上很小的區域，這時接觸電阻增加、電流密度極大，可產生高溫，而產生的高溫又使觸點金屬熔化，因而在觸點之間形成熔化的金屬橋即液橋。根據試驗證明，液橋上的溫度分布是不對稱的，一般是陽極溫度高于陰極，液橋上的最高溫度點位于靠陽極的地方，而斷裂點就發生在最高溫度點的附近。

2）隨著觸點的繼續分開，液橋被拉斷，觸點表面產生很高的電場。如果此時觸點間的電壓和電流均超過工作中的觸點極限燃弧數值，便可發生電弧，發生電弧后，確定觸點侵蝕效應的是電弧而不是液橋。此時電弧對陽極發生熱作用的結果是，使陽極熔化和氣化，而且觸點材料被大量轉移和噴濺，其中一部分材料被陰極所帶走，一部分材料被氣化和噴濺。故在陽極上產生凹坑，而在陰極上產生凸起 （并非針刺）。

從以上分析動靜觸點的分斷過程可以看出，對組合開關產品中的近遠光燈開關觸點，在保持動靜觸點的其他工作條件都不變的情況下，要想動靜觸點在工作分斷時不產生電弧是不可能的，只有考慮如何提高觸點在規定壽命次數內的抗弧承受能力（即承載能力），以保證產品的性能。

5 組合開關中近遠光燈開關動靜觸點材質的具體分析及解決措施

根據上述對近遠光燈控制開關分合式觸點在分斷過程中失效機理得出，產品在第1次可靠性試驗600次失效，是由于靜觸點的鍍銀層太薄，承受不了觸點分斷中電弧的燒傷。當將靜觸點的鍍銀層加厚 （11 μm）后，產品工作到6280次再一次失效，而且都離產品的10萬次壽命要求相差甚遠，雖然銀的導電和導熱性能都很好，但總的來說鍍銀層和其它方法獲得的銀層 （如復合鍍銀層、碾壓銀層），在抗弧能力方面是有區別的。鍍銀層的銀層組織較松散，致密性差，抗弧能力差，在產生電弧時，電極相對來說較容易產生表面發射。而電鍍又不可能將銀層鍍得很厚，鍍厚了，會產生很多電鍍缺陷，對觸點的接觸和分斷會更不利。

復合鍍銀是使一些硬度高、具有滅弧作用的微粒均勻地嵌入銀層中，在電弧的高溫作用下自行分解，起自動熄弧和消除電離的作用，在一定電流電壓條件下，基質銀的熔焊傾向和電侵蝕都大為減小，提高了觸點的抗電弧承受能力。因此在上述試驗產品的開關觸點中，將靜觸點鍍上復合銀層20μm后，雖然產品仍未達到所規定的10萬次壽命，但也提高到了63880次 （10多倍），其改善程度是明顯的。

為了使產品達到客戶要求的可靠性耐久次數，根據上述開關觸點在工作中的失效機理，將靜觸點材質改為用碾壓成形的覆銀紫銅板沖壓形成，用覆銀層代替鍍銀層，由于覆銀紫銅板的銅、銀層經過碾壓，其板材強度、硬度顯著提高，產生加工硬化現象。這是由于金屬在碾壓變形中，使晶體的滑移面產生位錯，造成位錯密度的增大，而位錯密度越大，金屬的變形抗力就越大，其強度和硬度就越高；并且在碾壓過程中使金屬組織具有 “變形織構”，即組織結構的有序化，產生各向異性。覆銀層組織的致密性是遠非鍍銀層組織致密性所能比的，而且在碾壓過程中，覆銀紫銅板的銅、銀原子相互嵌入基體，其覆銀層與紫銅層的結合力也遠非鍍銀層所能比，而且基體銅層的導電和導熱性能又優于黃銅，碾壓銀層的厚度又可以達到數十微米以上。通過上述的分析，可以斷定，開關靜觸點材質改用覆銀紫銅板后的抗電弧承受能力定優于黃銅板加鍍銀材質形成的靜觸點。

按上述的分析結果，實際中我們將靜觸點選用覆銀層厚度為80 μm的覆銀紫銅板材質后，在開關試驗條件均不變的情況下，組合開關產品近遠光燈開關可靠性試驗一次性就通過規定的10萬次耐久性要求，還超壽命做了21289次，即開關的耐久性試驗實際做了121289次，觸點實際分合242578次，試驗后開關仍能正常工作，電壓降也符合規定要求。

6 總結

通過對該款組合開關產品的開發，動靜觸點為拍合式結構工作的開關，在產品的工作電壓、電流、觸點的幾何形狀及尺寸、接觸形式、接觸壓力、分合速度、觸點間隙、工作環境等其它條件都不變的情況下，正確選擇觸點的材質和材質性能，提高觸點的表面理化性能，將能大幅度提高觸點在工作中的電磨損承受能力。

［1］鄭新明.工程材料［M］.北京:清華大學出版社，1983.

［2］1980年中國航空學會航空電氣開關第二次年會.電氣開關年會文集［C］.

［3］電沉積抗電侵蝕的復合鍍銀層［P］.1987.