車載發電機調節器連接端子可靠性優化

【摘" 要】商用車因其惡劣的工況環境以及限制性的發動機艙布局，對艙內電器設備的可靠性提出了更高的要求。針對市場失效反饋，在新一代調節器開發過程中分析其B+接線端的安裝特征，理論計算結合FEM模擬仿真，對B+接線端子進行結構性的優化，降低其工作過程中的應力負載。同時探討金屬表面處理對裸露端子的保護功能，針對工況環境特別是腐蝕影響因素，采用鍍層以及硅膠隔離的措施加強B+接線端子防腐蝕能力。試驗結果表明：新開發調節器B+接線端在結構強度以及抗腐蝕方面都有明顯改善。對提升車載發電機整體可靠性、降低市場失效率、增加產品競爭力，具有一定的參考意義。

【關鍵詞】發電機；調節器；接線端子；腐蝕；振動；有限元仿真

中圖分類號：U463.632" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）04-0067-04

Reliability Optimization of Regulator Connecting Terminals for Commercial Vehicle Generator

JIANG Jiajia

（SEG Automotive Products（China）Co.，Ltd.，Changsha 410129，China）

【Abstract】Commercial vehicles，due to their harsh working conditions and restrictive engine compartment layout，put forward higher requirements on the reliability of electrical equipment in the compartments. In response to the market failure feedback，the installation characteristics of the B+ terminal were analyzed during the development of the new platform of regulator，and the theoretical calculations combined with FEM simulation were used to structurally optimize the B+ terminal to reduce the stress loads in the use condition. At the same time，the corrosion protection of the metal surface treatment on the exposed terminals was discussed，and the measures of Tin-coating and silicone isolation were adopted to strengthen the corrosion resistance of the B+ terminals. Test results showing that the newly developed regulator B+ terminals have significant improvements in structural strength and corrosion resistance as well. It has certain reference significance to improve the overall reliability of vehicle generators，reduce market failure rate and increase product competitiveness.

【Key words】generator regulator；connecting；terminal；corrosion；vibration；FEM

1" 前言

汽車發電機作為車輛運行過程中的主要電源，在發動機啟動后，向車載用電設備供電，并同時向蓄電池充電。由于發電機與發動機之間采用皮帶輪傳動，其轉速隨著發動機轉速變動，因此發電機輸出電壓也會隨之波動。另外，整車電量需求也會根據車載用電設備的開啟或者關閉狀態，以及蓄電池的充放電狀態有所不同。此時，就需要一個具有電壓調節功能以及電流限制功能的裝置來控制發電機的發電量，以達到發電機輸出與整車耗電的平衡，即調節器。根據整車電量需求以及自身轉速信號輸入，發電機調節器通過控制流過轉子的激磁電流通斷，進而調節轉子磁場的大小以達到控制發電機的輸出[1]。以目前市場上主流的調節器為混合集成電路調節器為例[2]，其電器原理如圖1所示。

調節器與發電機本體的連接端口眾多，連接方式多變。博世、法雷奧、電裝等國內外車用發電機產商根據自身的發電機本體設計特征以及對可靠性的優化，形成各具特色的調節器結構。圖2是新開發的調節器及端口。

調節器各端口作為發電機與車輛各電子電器系統之間電流及電信號的交互通道，其可靠性十分重要。尤其是商用車輛，存在工作環境惡劣、工況復雜多變、負載大等特征，對連接端口，特別是裸露在外的連接端口，提出了更高的要求。

在市場上，發電機失效的案例時有發生。典型的調節器B+斷裂失效如圖3所示，用于商用車發電機的調節器B+接線端子斷裂將導致其無電流輸出，引起客戶抱怨。

在調節器新平臺開發過程中，如何加強B+端，消除其在市場應用中的腐蝕及斷裂失效問題，成為提升產品可靠性及競爭力的一個課題。

2" 調節器端子結構優化設計

2.1" 安裝環境

此調節器是新開發的，適用于商用車的發電機電壓調節控制系統，可在車輛運行狀態下調節發電機為整車電器系統的供電量。其B+接線端與發電機總輸出接線螺栓相連，主要對車載電池電壓信號進行偵測并反饋到調節器內部邏輯控制單元，以達到控制發電機輸出電壓的目的。

B+端采用的是青銅沖壓板，其與塑料支架內部嵌件成一體。B+伸出來的部分呈開口C狀，其安裝環境及簡化圖如圖4所示，插在發電機總輸出接線螺栓上，底部由鋁制整流器散熱板支撐，上面由螺母擰緊壓著。鋁制整流器和調節器塑料支架采用螺釘固定在鋁制端蓋上。對于B+端子來說，其可靠性主要來自抗機械負載性能和耐腐蝕能力。

2.2" 機械結構設計優化

由于調節器B+被螺母鎖死在發電機散熱板螺栓上，塑料支架采用螺釘鎖緊在端蓋上，兩者在振動環境下的微觀運動方向存在差異，這樣導致B+端彎曲及拉伸變形，故先從疲勞角度考慮對其進行優化。如表1所示，新開發調節器選擇延展性更好的CuSn6作為基材。

由于要便于調節器裝配，B+端伸出部分并不是平的，而是有一定的傾斜度。同時，B+端子與鋁基整流器散熱板之間存在高度差，螺母擰緊固定之后就存在彎曲應力。如圖5所示，為了降低這個應力，B+端子翹曲位置由原來的塑料根部移至C圈中心位置，以降低原始高度差。

如圖4所示，B+端與發電機總輸出螺栓相連，通過螺母鎖緊固定，其物理模型就是一個近似懸臂梁的結構。假設由于振動，相對位移導致的B+端上下彎曲擾度Δ和前后拉伸變形δ一定，則彎曲應力關系式如下：

拉伸應力關系式如下：

式中：σ——彎曲正應力；τ——彎曲切應力；M——彎矩；Wz——抗彎截面系數；E——彈性模量；h——B+端厚度；Δ——B+端彎曲擾度；L——B+端懸臂長度；F——B+端剪力；b——B+端寬度；σa——拉伸正應力；τa——拉伸切應力；ε——B+端拉伸應變；δ——B+端拉伸量；S——B+端橫截面積。調節器B+端結構參數如圖6所示。

通過計算，B+伸出長度加長有利于減小由于振動帶來的彎曲及拉伸應力。因此，可以將塑料支柱位置后移來增長B+懸臂長度L，結構參數優化詳見表2。

2.3" 模擬仿真

基于以上設計變更，進行模擬仿真分析對比。模擬仿真分兩步，如圖7所示。首先，為靜態載荷加載，即螺母鎖緊將B+端壓在散熱板上；其次，為動態載荷加載，即振動狀態下，B+端彎曲和拉伸響應。

結果如圖8所示，通過優化改進，新設計調節器的B+端子靜態應力及動態應力均有下降。新設計調節器最大靜態應力點由原先市場斷裂失效的B+端根部遷移至C環中央，而這個點被螺母擰緊壓實，不存在斷裂風險。應力值也由原先的691MPa降低至616MPa。在動態應力方面，由于與外部連接特征沒有變更，以及振動水平一致，其最大交變應力點以及應力值保持在B+端根部，大小由原先的36.5MPa變為31.5MPa。

根據簡化持久極限曲線（圖9）[3]，老款設計由于在最大靜應力位置a存在較大的交變應力，此位置呈現疲勞失效狀態。改進后的設計，相對應的1處靜應力大幅降低，交變應力也縮小，因此在振動狀態下更加安全可靠。

3" 耐腐蝕性

金屬受外部環境介質（氣態或液態）的作用（化學的或電化學的），在其表面會引起異相反應，變成氧化物、硫化物、氯化物等化合物，進而腐蝕。常見的銅質接線端子腐蝕有兩種。

1）銅件發黑，其實是銅在高溫的環境下被氧氣氧化的結果，主要成分為氧化銅。反應方程式為：

O2 + 2Cu = 2CuO（5）

2）銅件生銹，則是銅在氧氣、水和二氧化碳共同作用下發生反應生成翠綠色銅綠的結果。反應方程式為：

O2 + H2O + CO2 + 2Cu = Cu2（OH）2CO3（6）

為確保端子連接部位保持穩定性，防止端子氧化、腐蝕，端子表面都會設置鍍層進行保護。目前行業內使用的鍍層材質有錫（Sn）、銀（Ag）、金（Au）等。因為金屬活動順序表中錫的活動性排在銅之前，所以在空氣中錫和空氣構成原電池[4]。

正極：

O2 + 2H2O + 4e = 4OH-（7）

負極：

2Sn - 4e = 2Sn2+（8）

此電池在負極上用錫代替了銅放電，所以保護了銅不被腐蝕。綜合考慮工況、價格、加工工藝，本品決定采用鍍錫的方式對B+端進行保護。同時Sn很軟，經過微振動后很容易被刮損，產生大量的磨耗粉、微裂紋以及剝離缺陷[5]。通過振動試驗表明，厚的Sn層比起薄的Sn層端子，其微振動后基材更易裸露被腐蝕，為抑制Sn的微振動磨耗，Sn層厚度不宜太大，故本品嵌件預鍍錫厚度為1～4μm。

由于是預鍍，銅材剪切側邊并沒有鍍層保護，再加上注塑過程中會被工裝夾持，表面鍍層將出現不可避免地被破壞，如圖10所示。如果鍍錫層存在破口，或者是局部鍍錫現象，則在破口及局部鍍錫邊緣發生銅與錫的電化學反應，電子發生轉移，其化學反應式如下：

Sn + Cu2+ = Sn2+ + Cu（9）

銅暴露在空氣中持續被空氣氧化，然后被錫還原，使得錫快速消耗而加速了表面腐蝕。考慮采用硅膠環繞覆蓋裸露位置來隔絕沉積腐蝕物質與遭破環的鍍層，如圖11所示。

4" 可靠性驗證

在新設計調節器開發階段，針對B+端可靠性進行了系統的驗證。振動方面，參照目前行業比較苛刻的VDA SoR標準LV124 M-04（德國汽車工業協會標準），搭載我司振動反應較大的某款商用車發電機進行VDA振動測試。預老化測試參照DIN EN 60068-2-14Na；正弦振動測試參照VDA LV124 M-04；水域測試參照博世N42AP352。

24臺新開發調節器在所有測試中均未出現任何B+斷裂失效，水域測試后功能正常。6臺老款調節器在振動后發現1臺B+斷裂。測試結果表明，新設計調節器在振動可靠性方面相比老款調節器有明顯提升，完全滿足VDA標準要求。

耐腐蝕方面，參照目前行業標準NES M0158 CCT-I，搭載我司某款商用車發電機進行耐腐蝕CCT-I測試驗證。預老化測試參照DIN EN 60068-2-14Na；腐蝕測試參照NES M0158 CCT-I（800h）。

對比圖12腐蝕測試（CCT-I）結果發現，新設計調節器的B+端腐蝕狀態相比老款有明顯改善，特別是在根部與塑料支架交接處，因為此處裸露，腐蝕沉積嚴重。而帶硅膠保護的B+端相比不帶硅膠保護的B+端，其腐蝕程度進一步得到了改善。

5" 總結

在新調節器開發過程中，針對市場反饋的B+端腐蝕及斷裂失效抱怨，理論分析了優化設計的方案，結合FEM靜態及動態模擬仿真，對B+接線端子進行結構性的優化，降低了其工作過程中的應力負載，提升了調節器B+接線端的結構強度。另外，根據調節器的安裝環境以及制作過程的影響，采用鍍層保護以及硅膠隔離的措施加強了B+接線端子防腐蝕能力。參考行業嚴苛的振動以及腐蝕試驗，驗證了新開發調節器B+端在結構優化以及抗腐蝕方面的改善效果。

參考文獻：

[1] 孔繁秋，劉軍. 汽車發電機調節器參數與整車性能的匹配設計[J]. 汽車電器，2020（4）：31-34.

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[3] 劉東旭，劉志剛. 構件疲勞強度計算的改進[J]. 現代機械，1994（3）：20-22.

[4] 郝張科，林靈觀，張東，等. 紫銅鍍錫材料在海洋大氣環境中的初期腐蝕行為[J]. 材料保護，2018，51（8）：36-41.

[5] 茍榮非，蔡恒，王強，等. 汽車線束端子連接可靠性技術研究[J]. 汽車電器，2018（5）：59-62.

（編輯" 凌" 波）