汽車繼電器超行程設計及其自動化控制

黃國忠

(上海滬工汽車電器有限公司，上海，201804)

1 引言

汽車上所使用的繼電器大部分結構屬于拍合式，與普通的拍合式電磁繼電器并無太大差異，但汽車繼電器因其使用環境更為惡劣，需要滿足沖擊、振動、高溫、高濕、鹽霧灰塵及嚴苛的電磁兼容性等要求，因此具體到繼電器的性能參數而言則有所不同，如本文所討論的“超行程”，汽車繼電器為了抵抗行駛時的振動沖擊，在設計時需要更大的超行程以獲得較大觸點壓力，確保汽車行駛中不因振動或沖擊而造成繼電器觸點斷開。

關于繼電器超行程的概念，不同的標準其定義各有不同，如GBT 2900.17-1994中其定義為觸點跟蹤(contact follow):觸點閉合過程中，觸點在剛剛接觸后，繼續沿動接觸件運動方向前進的規定位移，同義詞：觸點超行程。如前所述，繼電器磁路的結構只有幾種基本類型：拍合式、吸入式(直通式)和旋轉銜鐵式，其中拍合式占了絕大部分應用，其原因在于拍合式結構相對于其它繼電器結構(吸入式、旋轉銜鐵式)比較，結構簡單，便于零件加工與裝配。從磁路上說，漏磁通不通過工作氣隙，使吸合和釋放參數不受漏磁通影響，所以拍合式結構幾十年來成為電磁繼電器的主流。拍合式結構示意簡圖參見圖1所示。

1.彈簧 2.銜鐵 3.簧片 4.動觸點5.上靜觸點 6.下靜觸點 7.鐵芯 8.線圈 9.軛鐵

拍合式結構的缺點是行程較小，吸力也偏小，但是由于其與幾十年來的汽車繼電器小型化趨勢合拍——差不多同時發生的另一個趨勢是從多組觸點向單組觸點轉化，現在除一些插入式通用繼電器還保持著多組觸點形式外，其它繼電器大部分是單組觸點，所以這些缺點也可以容忍或者采用其他手段加以彌補，比如采用橋式觸點結構以增加觸點間隙，或者采用磁吹輔助滅弧以彌補觸點間隙不夠對斷弧的影響等，如前所述，繼電器的超行程是動觸點的位移，在實際的產品裝配中很難測量，因此在繼電器設計及生產裝配控制中，常常將其轉換為銜鐵中心與鐵芯中心之間的距離，并作為設計及裝配的控制參數，如圖2所示。

2 超行程設計

繼電器超行程是繼電器的重要參數之一，其目的主要有三點：一是確保觸點在磨損后仍能保持一定的觸點壓力；二是確保觸點閉合時減少彈跳；三是觸點分開時獲得初始動能，提高分斷速度，減少燃弧時間，減小觸點電磨損。在繼電器設計及裝配中，繼電器的超行程是為了獲得足夠的觸點壓力，二者互相關聯，在某些時候，也可視為同一參數，即超行程滿足了設計要求，即可視為觸點壓力亦同時滿足。

如果超行程達不到設計要求，則會嚴重影響繼電器的性能，甚至導致繼電器失效。因此在繼電器設計時，我們其實最關心超行程的一致性，我們希望超行程不需要校正就可以自動生成，但在實際中，超行程是由銜鐵、軛鐵、鐵芯、基座、觸點等多個零件的尺寸組合而成，存在著較長的尺寸鏈，由于各零件的尺寸公差與裝配公差客觀存在，誤差的積累導致超行程的一致性較差。因此，在傳統的繼電器手工裝配生產線上，對繼電器的超行程進行校正是一個必要且非常重要的工位，需要人工對每只繼電器的超行程進行檢測并進行校正，使之符合設計要求以保證繼電器的可靠性。在理論和實踐上，繼電器超行程自動生成是可能的，關鍵在于：我們如何在開發時設計進去？如何在生產時進行控制？下面談一談繼電器超行程的設計。

從圖2中可以直觀的看到繼電器的超行程，我們可以將超行程細化為兩個部分組成(A+B)，如圖3所示。

圖3 超行程A+B

超行程A即觸點在剛剛接觸時，銜鐵中心到軛鐵與銜鐵鉸接點水平面的距離，將其定義為繼電器的“結構超行程”-此超行程由零件組合即結構獲得；同理，超行程B即是觸點在剛剛接觸時，軛鐵與銜鐵鉸接點水平面到鐵芯的距離，將其定義為“磁路超行程”-此超行程在繼電器鉚接磁路時獲得。為什么要將超行程劃分為兩部分組成呢？這主要是考慮到汽車繼電器根據不同的負載要求，為了獲得較大的觸點壓力，其超行程均設計得比較大：在0.15 - 0.30 mm之間，部分特殊繼電器甚至要求更大，因此，如此大的超行程不可能全部從磁路鉚接中得到，所以一部分超行程需要設計到結構尺寸中去，由繼電器零件結構組合獲得結構超行程；另外一部分由生產裝配時，鐵芯與軛鐵鉚接時得到，即磁路超行程。

磁路超行程取多大比較合適?一般推薦如下：小型繼電器：0-0.05 mm；中型繼電器：0.05-0.10 mm；大型繼電器：0.08-0.13 mm。

從磁場回路我們知道，軛鐵與銜鐵平行貼合時(即磁路超行程為零時)磁路效率最高，因此，一味增加磁路超行程是以犧牲磁路效率為代價的，所以在設計時盡量取小值，繼電器超行程超出以上推薦值時，建議增加到結構超行程中去。選擇結構超行程與磁路之間比例時需考慮以下因素：小的磁路超行程可以增加磁路效率，所以磁路超行程宜小不宜大；對于超行程要求較大的繼電器，磁路超行程過大可能造成觸點后半部接觸，同時影響觸點間隙，所以在設計時要選擇適當的比例以達到兩者兼顧。

結構超行程比較好設計，主要在于后期零件加工精度的控制，超行程這樣的長尺寸鏈(典型拍合式繼電器涉及大約六只零件，七檔以上的尺寸)，但由于概率的作用，公差總會相互抵消一部分，所以實際結果一定比“極端情況”要好，這也是符合正態分布規律，因此在設計結構超行程時正確的做法應該是：設計時不要人為的拉長尺寸鏈；提高零件關鍵尺寸精度；做好進料零件的監控等等。

磁路超行程需要在后期生產裝配中進行控制，現有的汽車繼電器，在制造過程中，除結構超行程外，通過控制鐵芯與軛鐵的鉚接高度差來獲得磁路超行程，由于：軛鐵與銜鐵鉸接面的高度有一定的公差；沖床鉚接鐵芯時設定高度有一定的公差，且鐵芯為三段式，存在鉚接困難、鐵芯受力較大、易變形等缺點；靜觸點裝配后其位置高度具有一定的公差；銜鐵、簧片、動觸點三者鉚接后相互有一定的公差；由于以上因素的疊加，所以超行程一致性較差，因此，傳統繼電器在裝配后，超行程需要人工校正才能保證其一致性。

為了確保生產中對每只繼電器的超行程進行有效控制，我們對繼電器的鐵芯及軛鐵的配合進行了改進設計，參見圖4所示。兩幅圖清晰顯示了改進后的鐵芯與軛鐵在結構上的區別之處：鐵芯由三段式改為兩段式；鐵芯尾端設計有約3度的錐度；軛鐵鉚接孔與鐵芯尾端錐臺為過盈配合，其目的是為了配合超行程在生產裝配中自動控制而設計。

舊有結構 改進后結構

3 繼電器超行程生產中的自動控制

在手工生產線或半自動裝配線中, 校正工種仍是繼電器裝配的主要工種。由于客戶對繼電器質量要求的提高及人工成本的大幅增加，全自動生產是繼電器工業發展的必由之路，此處，如何實現繼電器超行程的自動控制是繼電器自動化生產的重中之重，下面以一款正在生產的汽車繼電器為例，簡述在電腦、傳感器技術的幫助下，如何實現超行程的自動控制。該款汽車繼電器為全自動線生產，全程無人工參與裝配，具體結構參見圖5、圖6。

圖5 繼電器結構圖

圖6 繼電器剖視圖

全自動生產線為了實現繼電器超行程的自動生產與控制，在該工位配備了電腦、高精度沖床、兩只位移傳感器、兩臺液壓旋鉚機，實現雙工位同時鉚接，以提升生產效率，降低制造成本，實際自動線設備配置參見圖7。

圖7 超行程自動控制工位

繼電器超行程自動控制工位的主要 工作流程如下：鐵芯插入預壓→銜鐵組件裝配→超行程控制與測量→鐵芯鉚接→超行程復檢→合格下料。

首先，對鐵芯進行預壓，具體步驟如下：鐵芯插入骨架(線圈)中心孔；沖床將鐵芯尾端的錐臺壓入軛鐵的鉚接孔內；當鐵芯端面與軛鐵端面平齊時停止壓入，鐵芯與軛鐵的鉚接孔為過盈配合，鐵芯不會松脫及位移；此時，銜鐵與鐵芯中心之間的距離即為“結構超行程”，此超行程因零件及裝配公差因素，一致性不好。參見圖8。其次，機械手將銜鐵組件裝入到軛鐵組件，此時裝配未完成，鐵芯與軛鐵仍然處于預鉚接狀態。

圖8 鐵芯插入及預壓

再次，繼電器超行程自動控制與測量及鐵芯尾端錐臺鉚接，參見圖9，具體控制及鉚接過程如下：

圖9 超行程控制與測量及鐵芯鉚接

機械壓頭上設有位移傳感器，壓頭向下移動并推動簧片、銜鐵、動觸點同步移動；當動觸點與靜觸點接觸瞬間，位移傳感器開始計算銜鐵位移距離，即開始測量繼電器超行程；壓頭繼續向下移動，并推動簧片、銜鐵繼續向下移動，當銜鐵與鐵芯端面接觸時，此時位移距離A，即結構超行程；壓頭繼續向下移動，并推動簧片、銜鐵、鐵芯向下移動，移動距離為B，此移動距離即為磁路超行程，當A+B等于繼電器設計超行程時，位移傳感器反饋信號給電腦，壓頭停止推動；根據編程指令，重復上述過程測量超行程并確保與設計數據一致。然后，壓頭保持不動，處于鐵芯另一端的液壓旋鉚機將鐵芯伸出軛鐵外的錐臺鉚接于軛鐵上。最后，壓頭退回原位并重新測量超行程，合格品下料并進入下一工位，繼電器的超行程自動控制、測量及鉚接裝配完成。

從上述裝配過程可看出，改進后的兩段式鐵芯，其尾端具有一定錐度，在電腦及傳感器技術的配合下，可全自動測量并自動控制繼電器的超行程，確保所有繼電器超行程的一致性，改進了原三段式鐵芯經過裝配后，其超行程需要人工矯正的缺陷，既滿足了全自動裝配生產線的要求，大幅提高生產效率，又確保了繼電器的良好品質。

4 結束語

超行程的自動控制是實現繼電器全自動化生產的基礎，因此，如前面所討論的，改進繼電器的結構設計，在生產裝配中，采用計算機編程設定繼電器總的超行程，利用磁路超行程彌補結構超行程因零件及裝配帶來的誤差，當位移傳感器測得的超行程A+B等于繼電器設計超行程時，壓頭停止下壓移動，從而確保繼電器在制造過程中，能夠對每只繼電器的超行程進行精確控制，并進行兩次復測，以確保繼電器超行程的一致性，從而實現了汽車繼電器的全自動化生產。