變速箱檔位開關觸點燒蝕故障原因分析及設計改進

馮夢麗

陜西法士特齒輪有限責任公司 陜西 西安 710077

1 前言

檔位開關是重型汽車機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。作為一種傳感機構，檔位開關將接收到的來自操縱機構的壓力信號轉換為開關型電信號，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。檔位開關發生故障后，將會嚴重的影響整車的安全可靠使用。

根據不完全統計，檔位開關產品的故障數量約占變速器總成故障數量的近十分之一。因此檔位開關產品的質量可靠性提升對于變速器總成質量的提升具有重要意義。通過對失效件的拆解，發現觸點燒蝕現象占比最高，達56.86%。我們針對該失效模式進行了深入研究。

2 觸點燒蝕原因分析

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

本文以當下變速箱上使用最為廣泛的常閉式翹板開關作為研究對象。

工作原理：自由狀態時，開關內部的動片與靜片貼合，電路接通。工作狀態時，開關頂桿受到外力，經由一系列力的傳遞，塑料襯套壓縮彈簧，同時帶動接線片（動片）向上運動，兩觸點與靜接線片（靜片）斷開，開關由常閉轉換為斷開。當外力消失，在彈簧力的作用，按鈕回位，動片回位，開關又由斷開轉換為閉合。

根據研究資料發現，在大氣中開斷電路時，只要電壓超過12V-20V，被開斷電流超過0.25A～1A，在觸點間隙中通常會產生一團溫度極高，發出強光且能夠導電的圓柱形的氣體，一直到電弧熄滅，觸點間隙成為絕緣介質之后，電流才被斷開，這種現象就是電弧。電弧是有觸點開關電器動作過程中必然發生的物理現象。目前，變速箱上的檔位檔位開關的工作電壓12V～24V，工作電流一般不超過1A。因此，開關在正常工作過程中，必然會頻繁發生電弧現象。

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

3 觸點設計改進

在不改變工況的條件下，要想動靜觸點在工作分斷時不產生電弧是不可能的，只能通過改善觸點的抗電弧侵蝕性能，減緩觸點材料的燒蝕速度和轉移速度，從而延長觸點使用壽命。

當前開關觸點大多采用銀合金(銀鎳合金．銀鉻合金等）。由于在開關的使用過程中，開關觸點除承擔電路的接通、分斷和隔離等功能外，還需承擔一定的載流作用，而一般載流件的首選材質多為銅合金。現有開關產品觸點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際使用需求。研究表明，銀觸點的厚度大小直接影響著其導電性能的優劣。因此可以考慮增大銀合金的覆蓋厚度以減少開關閉合時電火花的產生、延長使用壽命。

對于開關觸點的接觸形式，一般有面接觸、線接觸和點接觸三種。作為一種低壓開關，我們現有開關產品采用的為面接觸結構，但由于其自潔作用較差，受電侵蝕影響較大，縮短了觸點壽命。因此可以嘗試其它的觸點接觸形式，提高觸點的自潔作用，延長觸點壽命。

根據以上分析，我們對開關觸點的改進嘗試著從兩個方面著手。首先，調整觸點銀合金材質的厚度。其次，調整觸點接觸結構的接觸方式。結合當下的實際情況，我們對開關產品設計了以下四種優化方案，并進行對比試驗：方案一， 觸點材料為銅基銀合金AgCdO12/Cu，AgCdO12層厚度為0.4～0.5；方案二，觸點材料為銀合金AgCdO12；方案三，平面觸點改為弧面觸點且觸點材料為銀合金AgCdO12；方案四，平面觸點改為弧面觸點且觸點材料為銅基銀合金AgCdO12/Cu，AgCdO12層厚度為0.4～0.5。

4 試驗驗證

將四種方案的產品樣件按照相關企業標準中電負荷試驗的方法，同時進行對比測試。

表1 改進方案試驗情況

通過試驗情況來看，前三種試驗方案都可以使開關電負荷壽命得到提高，滿足當下企業標準的要求。但純銀合金AgCdO12觸點成本較高，且AgCdO12硬度較低，觸點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措施。

5 結論

目前針對開關觸點燒蝕的改進措施已經逐步落實到位，改進后的產品也已投入到生產使用之中。我們也在對新產品的市場使用情況進行積極的跟進。造成觸點燒蝕的原因有很多種，這種優化方案只能提高觸點的耐電侵蝕壽命，但并不能徹底的解決觸點燒蝕問題。同時引起開關失效的原因不止觸點燒蝕一種，因此開關產品質量可靠性的提升還需要我們繼續研究，逐步優化。