謝曙光，王少萬(wàn)

（長(zhǎng)安合肥昌河汽車(chē)公司，安徽 合肥 230031）

愛(ài)迪爾散熱風(fēng)扇繼電器失效探析及改進(jìn)

謝曙光，王少萬(wàn)

（長(zhǎng)安合肥昌河汽車(chē)公司，安徽 合肥 230031）

愛(ài)迪爾汽車(chē)在零部件國(guó)產(chǎn)化初期，售后市場(chǎng)出現(xiàn)批量散熱風(fēng)扇繼電器失效故障。本文剖析故障原因，并對(duì)故障部件進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。

散熱風(fēng)扇繼電器；觸點(diǎn)燒蝕；觸點(diǎn)材料改進(jìn)

愛(ài)迪爾汽車(chē)是一款引進(jìn)日本鈴木W(wǎng)agon車(chē)型并改造升級(jí)，由歐洲名家精心設(shè)計(jì)推出，昌河汽車(chē)公司傾力打造的多用途二廂轎車(chē)。它以獨(dú)特的造型、超大儲(chǔ)物空間、優(yōu)異的操控性能并搭載節(jié)能環(huán)保的第2代SUZUKI發(fā)動(dòng)機(jī)而占有一定的市場(chǎng)地位。

該車(chē)投放市場(chǎng)一段時(shí)間后，市場(chǎng)售后服務(wù)反饋該車(chē)型號(hào)72G00散熱風(fēng)扇繼電器損壞率較高。通過(guò)市場(chǎng)調(diào)查和走訪(fǎng)用戶(hù)了解到，出現(xiàn)故障通常都有一個(gè)典型的產(chǎn)品使用特征：氣溫環(huán)境較高條件下車(chē)輛行駛較長(zhǎng)時(shí)間。

1 故障分析

1.1 繼電器

繼電器以低電壓、小電流控制高電壓、大電流，具有完善的隔離結(jié)構(gòu)，因而廣泛運(yùn)用于各種控制電路。繼電器結(jié)構(gòu)可分為中間繼電器、壓力繼電器、速度繼電器等。其中中間繼電器也有多種形式，分為繼電式（接觸器式）、無(wú)觸點(diǎn)式（固體式）等。

汽車(chē)行業(yè)中繼電器選擇均考慮小型化，中、低壓，中、小容量為主。通常微型汽車(chē)使用電源多為12V，線(xiàn)圈電壓大都設(shè)計(jì)為12V規(guī)格。由于是蓄電池供電，電壓存在不穩(wěn)定情況，加以使用環(huán)境條件惡劣，對(duì)繼電器設(shè)計(jì)要求：吸合電壓U≤60%UH（定額工作電壓）；線(xiàn)圈過(guò)電壓允許達(dá)1.5UH；線(xiàn)圈功耗較大，一般為1.6～2W，溫升較高。環(huán)境要求也相當(dāng)苛刻：環(huán)境溫度范圍為-40～100℃，在發(fā)動(dòng)機(jī)艙室里使用的繼電器要能經(jīng)受沙塵、水、鹽、油的侵害。振動(dòng)、沖擊無(wú)疑是相當(dāng)苛刻的，沖擊強(qiáng)度達(dá)100g，沖擊穩(wěn)定性達(dá)10g。振動(dòng)達(dá)10～40Hz，雙振幅1.27mm；40～70Hz，0.5g；70～100Hz，0.5mm（雙振幅）；100～500Hz，10g等。因此汽車(chē)?yán)^電器在選用時(shí)主要考慮以下參量：線(xiàn)圈額定電壓；動(dòng)作電壓、釋放電壓；最大連續(xù)通電電流；線(xiàn)圈功耗；線(xiàn)圈溫升。

繼電器在設(shè)計(jì)、選用時(shí)，對(duì)安全性要求予以充分重視，主要考核以下幾個(gè)重點(diǎn)。

1）絕緣材料要求具有阻燃性能，耐溫等級(jí)溫度上限≥最高環(huán)境溫度+線(xiàn)圈溫升+15℃。

2）觸點(diǎn)過(guò)負(fù)載能力觸點(diǎn)應(yīng)能100次成功（交流為200次）切換兩倍額定負(fù)載電流。

3）絕緣抗電水平繼電器各導(dǎo)電部分之間的絕緣電阻一般應(yīng)達(dá)：＞100MΩ，＞500MΩ，＞10000MΩ。繼電器各導(dǎo)電部分之間的絕緣應(yīng)能承受使用中可能出現(xiàn)的最高峰值電壓而不損壞，漏電流不得超過(guò)100μA（或1mA）；也不允許有飛弧、閃爍或擊穿而引起的缺損故障。

常用接觸器式繼電器有4個(gè)工作狀態(tài)：閉合過(guò)程、閉合狀態(tài)、斷開(kāi)過(guò)程、斷開(kāi)狀態(tài)。接觸器式繼電器對(duì)觸點(diǎn)的基本要求：在閉合過(guò)程中能可靠地接通電路，觸點(diǎn)不發(fā)生彈跳；在閉合狀態(tài)時(shí)觸點(diǎn)導(dǎo)電良好，能可靠地流過(guò)額定電流而不會(huì)過(guò)熱；在斷開(kāi)過(guò)程中能及時(shí)熄滅電?。辉跀嚅_(kāi)狀態(tài)時(shí)能將電路可靠地?cái)嚅_(kāi)。

有研究機(jī)構(gòu)資料表明，在對(duì)2009年完成的1500余項(xiàng)電子元器件失效過(guò)程分析中發(fā)現(xiàn)，繼電器所占的失效比例高于18%。從接觸器式繼電器使用情況的信息反饋中也發(fā)現(xiàn)，觸點(diǎn)在工作中存在各種失效模式。負(fù)載電流不同，表現(xiàn)的失效形式也不同。在不同的工作條件下，接觸器式繼電器觸點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)冷焊、接觸電阻過(guò)大、電弧熔焊等故障。相關(guān)資料表明繼電器觸點(diǎn)失效模式占繼電器失效比例高達(dá)80%。

1.2 散熱風(fēng)扇工作原理

聯(lián)系上述愛(ài)迪爾汽車(chē)散熱風(fēng)扇繼電器工作失效率高的問(wèn)題，通過(guò)市場(chǎng)故障件采樣，結(jié)合該零件控制電路圖進(jìn)行分析。散熱風(fēng)扇電路簡(jiǎn)圖如圖1所示。

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)ECUC3腳接散熱風(fēng)扇繼電器控制回路端，ECUB15腳接冷卻液溫度傳感器，該溫度傳感器裝配在發(fā)動(dòng)機(jī)上，用來(lái)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度上升到104～105℃區(qū)間時(shí)，冷卻液溫度傳感器給發(fā)動(dòng)機(jī)ECU傳遞檢測(cè)信號(hào)，ECU發(fā)出指令修正發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量和點(diǎn)火提前角等工況參數(shù)，并通過(guò)ECU內(nèi)部電路導(dǎo)通控制三極管，令ECUC3腳處于低電位，這時(shí)散熱風(fēng)扇繼電器吸合，電子風(fēng)扇啟動(dòng)工作，風(fēng)冷水箱散熱器通過(guò)冷卻液內(nèi)外循環(huán)，降低冷卻液溫度到85℃左右，此時(shí)ECU指令截止控制三極管，ECUC3腳處于高電位，散熱繼電器斷開(kāi)電子風(fēng)扇停止工作。這樣周而復(fù)始地循環(huán)工作。

愛(ài)迪爾散熱風(fēng)扇繼電器工作環(huán)境嚴(yán)酷，它安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)前艙蓋內(nèi)，該位置溫度較高，平均溫度達(dá)45～65℃，在7～9月期間，有時(shí)高達(dá)90℃以上。而且繼電器外面又套有橡皮套，極不利于散熱。散熱風(fēng)扇繼電器如圖2所示。

繼電器工作狀態(tài)下負(fù)載也大，通過(guò)實(shí)測(cè)：愛(ài)迪爾系列電子風(fēng)扇啟動(dòng)電流為14.5～15A，穩(wěn)定工作電流為8.5～8.8A。Ⅱ系列“YDK”電子風(fēng)扇的啟動(dòng)電流為18.8～19.5A，穩(wěn)定工作電流為10.4～10.8A。

當(dāng)繼電器斷開(kāi)時(shí)，感性負(fù)載中線(xiàn)圈所儲(chǔ)存的能量必須通過(guò)斷開(kāi)觸點(diǎn)間的電弧釋放、消耗掉，這樣往往會(huì)導(dǎo)致觸點(diǎn)燒蝕、熔焊或絕緣零部件失效等故障。在剛剛接通這些負(fù)載時(shí)，由于輸入阻抗低，如同電感負(fù)載一樣，也會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的浪涌電流。

由于電子風(fēng)扇是電感性器件，如上所述，繼電器觸點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)形成的電弧，以及貯存在線(xiàn)圈中的電磁能均是通過(guò)觸點(diǎn)間燃弧消耗掉的，很容易使繼電器觸點(diǎn)燒蝕。愛(ài)迪爾Ⅱ系列發(fā)動(dòng)機(jī)為鈴木K14B，其排量較大，發(fā)動(dòng)機(jī)溫升很快，電子風(fēng)扇工作時(shí)更加頻繁。同時(shí)，配置Ⅱ系列發(fā)動(dòng)機(jī)的“YDK”電子風(fēng)扇的啟動(dòng)電流較大，繼電器觸點(diǎn)接觸時(shí)產(chǎn)生的熱量更多，對(duì)繼電器的要求更加苛刻。若觸點(diǎn)、結(jié)構(gòu)框架等配件技術(shù)指標(biāo)達(dá)不到要求，則由于繼電器頻繁工作將導(dǎo)致觸點(diǎn)燒蝕嚴(yán)重。

1.3 繼電器觸點(diǎn)點(diǎn)蝕

為進(jìn)一步了解該繼電器使用情況，我們分期走訪(fǎng)了愛(ài)迪爾用戶(hù)（特別針對(duì)使用了半年和一年以上的用戶(hù)），并對(duì)各走訪(fǎng)用戶(hù)所配繼電器隨機(jī)采樣，拆解后對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)繼電器觸點(diǎn)點(diǎn)蝕程度差異很大。圖3為使用半年的繼電器觸點(diǎn)。圖4為使用一年以上的繼電器觸點(diǎn)。

圖3和圖4對(duì)比觀(guān)察后可見(jiàn)，使用了一年以上的繼電器動(dòng)、靜觸點(diǎn)點(diǎn)蝕明顯。另一方面，由于觸點(diǎn)接觸時(shí)存在接觸電阻，當(dāng)觸點(diǎn)的工作電流越大，導(dǎo)通時(shí)觸點(diǎn)產(chǎn)生的熱量也就越多。由于繼電器觸點(diǎn)燒蝕趨于擴(kuò)大，接觸電阻也逐漸增大，電子風(fēng)扇啟動(dòng)時(shí)繼電器觸點(diǎn)產(chǎn)生更多的熱量。特別是由于愛(ài)迪爾Ⅱ系列發(fā)動(dòng)機(jī)排量較大，電子風(fēng)扇工作頻繁，繼電器觸點(diǎn)反復(fù)燒蝕產(chǎn)生更大的接觸電阻，因而產(chǎn)生的熱量更多。這里，僅把觸點(diǎn)看成純電阻回路，可以用熱量方程式加以表述，即焦耳定律表達(dá)式

式中：Q——熱量，J；I——電路電流，A；R——接觸電阻，Ω；t——電路通電時(shí)間，s。

由此可見(jiàn)，熱量Q與電路電流的平方、接觸電阻及通電時(shí)間成正比。在額定觸點(diǎn)導(dǎo)通電流條件下，接觸電阻越大，通電時(shí)間越長(zhǎng)，產(chǎn)生的熱量越多，使得繼電器溫度更高。當(dāng)溫度達(dá)到一定程度，通過(guò)繼電器觸點(diǎn)簧片傳遞熱量導(dǎo)致線(xiàn)圈支架變形，致使繼電器觸點(diǎn)簧片閉合狀態(tài)惡化，進(jìn)一步造成繼電器觸點(diǎn)接觸不良，更進(jìn)一步加大觸點(diǎn)接觸電阻，反過(guò)來(lái)進(jìn)一步加大觸點(diǎn)點(diǎn)蝕程度，線(xiàn)圈過(guò)熱導(dǎo)致線(xiàn)圈漆包線(xiàn)脫落，最終造成內(nèi)部短路而燒毀。線(xiàn)圈支架變形及線(xiàn)圈燒壞故障件如圖5所示。

繼電器支架變形，致使線(xiàn)圈導(dǎo)電時(shí)觸點(diǎn)不能接觸閉合，電子風(fēng)扇無(wú)法工作，發(fā)動(dòng)機(jī)將面臨過(guò)熱拉缸損壞的危險(xiǎn)。所以，繼電器觸點(diǎn)材質(zhì)很大程度上決定了其穩(wěn)定性、可靠性及工作壽命。綜合上述，選用的這款繼電器雖然在吸合電壓工作范圍、動(dòng)作電壓、釋放電壓以及線(xiàn)圈功耗方面滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要，但是，該繼電器觸點(diǎn)最大極限容量?jī)H25A，就產(chǎn)品使用安全裕度來(lái)說(shuō)是偏小的。由此可見(jiàn)，該款車(chē)型設(shè)計(jì)配置的這個(gè)通用型繼電器不能滿(mǎn)足大功率發(fā)動(dòng)機(jī)散熱要求，究其原因，這是由于繼電器國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程中，繼電器相關(guān)技術(shù)性能指標(biāo)選擇不當(dāng)所致。

2 改進(jìn)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

2.1 故障部件的改進(jìn)設(shè)計(jì)

由于該型汽車(chē)的整體設(shè)計(jì)要求，該零件位置難以變動(dòng)，而且鑒于該零件采用通用化采購(gòu)設(shè)計(jì)，所處位置使該零件外皮套又不能減除，在高溫環(huán)境下，如何應(yīng)對(duì)和排除故障？?jī)?yōu)化工作環(huán)境、強(qiáng)化繼電器結(jié)構(gòu)、加大繼電器容量、優(yōu)化繼電器觸點(diǎn)都是可行的參考選項(xiàng)。經(jīng)評(píng)估分析認(rèn)為，改變工作環(huán)境、優(yōu)化繼電器結(jié)構(gòu)和加大繼電器容量由于涉及成本較高、時(shí)間周期長(zhǎng)等原因而放棄了。只有把提高繼電器觸點(diǎn)壽命作為突破點(diǎn)。

選擇繼電器觸點(diǎn)不得不說(shuō)一下與之相關(guān)聯(lián)的一個(gè)考量：電弧。繼電器觸點(diǎn)剛分離時(shí)突然解除接觸壓力，陰極表面立即出現(xiàn)高溫?zé)霟狳c(diǎn)，產(chǎn)生熱電子發(fā)射；同時(shí)，由于觸點(diǎn)的間隙很小，使得電壓很高，產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)發(fā)射。此時(shí)，在外加電壓作用下，間隙被擊穿，形成電弧。電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，電弧溫度很高，有資料表明弧柱中心可達(dá)10000℃左右，這將使觸點(diǎn)表面熔化和蒸化，燒壞絕緣材料。

另一方面，從使用上來(lái)考慮觸點(diǎn)的特性，即接觸電阻穩(wěn)定性，以利于延長(zhǎng)觸點(diǎn)壽命。為此必需考慮接點(diǎn)的形狀、表面的粗糙度等因素。繼電器工作狀態(tài)下實(shí)際只是接觸了一點(diǎn)或者多點(diǎn)，電流集中流到這個(gè)接觸點(diǎn)，從而產(chǎn)生電阻。圖6是連接點(diǎn)電流分配示意圖。

所以，為了滅弧和減少電阻，觸點(diǎn)必需采用熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱能力強(qiáng)和熱容量大的耐高溫金屬。這樣減少了熱電子發(fā)射和電弧中的金屬蒸氣，有利于電弧熄滅，另一方面也滿(mǎn)足了觸點(diǎn)硬度和融點(diǎn)高，耐電弧性好的要求。在綜合考慮各方面技術(shù)要求，并結(jié)合制造、使用成本等因素前提下，選擇觸點(diǎn)材料以銀合金為主。在多種銀合金材料中我們選擇銀鎢合金，理由是其硬度和融點(diǎn)高，耐電弧性好，不易被移動(dòng)、粘連，以確保高的耐電壓、抗電弧燒蝕、抗熔焊、耐磨損等優(yōu)良的綜合電氣性能。

綜上所述，我們提出以下改進(jìn)對(duì)策。

1）將繼電器觸點(diǎn)材料改進(jìn)為銀鎢合金，籍以提高觸點(diǎn)抗燒蝕性能，確保改進(jìn)型繼電器工作狀態(tài)良好。

2）將原來(lái)繼電器框架材料換成阻燃增強(qiáng)性PET（聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯）材料，提高熱熔點(diǎn)特性，以增強(qiáng)繼電器框架高溫狀態(tài)下的機(jī)械強(qiáng)度和耐高溫性能。

2.2 樣品驗(yàn)證與品質(zhì)跟蹤

將改進(jìn)后的樣品立即進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。模擬汽車(chē)行駛時(shí)發(fā)電機(jī)14.2～14.5V電源電壓工作狀態(tài)下，帶電子風(fēng)扇負(fù)載試驗(yàn)。以Ⅱ系列電子風(fēng)扇為試驗(yàn)負(fù)載，每啟動(dòng)一次，持續(xù)工作30min，反復(fù)連續(xù)啟動(dòng)工作36h，試驗(yàn)結(jié)束后拆解繼電器樣品，測(cè)試?yán)^電器即時(shí)內(nèi)部溫度為95℃，其塑料框架完好。觀(guān)察其動(dòng)、靜觸點(diǎn)表面，沒(méi)有明顯的點(diǎn)蝕痕跡。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，我們認(rèn)為：雖然改進(jìn)項(xiàng)目增加了些許成本，但換來(lái)零件穩(wěn)定可靠的性能，具有明顯的價(jià)值意義。

2009年第三季度后，愛(ài)迪爾7101、7111、7131全系列車(chē)型均采用改進(jìn)完善的散熱風(fēng)扇繼電器。對(duì)裝配改進(jìn)的多批次數(shù)千臺(tái)產(chǎn)品持續(xù)半年以上的品質(zhì)跟蹤調(diào)查，特別重點(diǎn)對(duì)使用條件較為苛刻的用戶(hù)跟蹤，沒(méi)有再出現(xiàn)散熱繼電器損壞故障。經(jīng)歷品質(zhì)跟蹤和試驗(yàn)驗(yàn)證表明，經(jīng)過(guò)改進(jìn)的繼電器能夠勝任相關(guān)技術(shù)要求，為確保愛(ài)迪爾產(chǎn)品品質(zhì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，提高了產(chǎn)品在市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

3 總結(jié)

汽車(chē)?yán)^電器要根據(jù)不同的使用環(huán)境、用電器參數(shù)要求，合理選擇使用，具體到繼電器觸點(diǎn)容量和觸點(diǎn)材料選用與匹配，從而避免和減少繼電器故障率。在后續(xù)其它汽車(chē)產(chǎn)品同類(lèi)繼電器設(shè)計(jì)配置中，已將該類(lèi)繼電器觸點(diǎn)容量提高到40A，并優(yōu)化工作環(huán)境，有效地確保汽車(chē)使用安全可靠。

［1］余瓊.航天繼電器可靠性評(píng)價(jià)及壽命試驗(yàn)方法的研究［D］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

［2］劉幗巾，陸儉國(guó)，王海濤，等.接觸器式繼電器的失效分析［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26（1）：81-85.

［3］劉幗巾，趙靖英，孫順利，等.繼電器觸點(diǎn)失效的物理分析［J］.低壓電器，2006（6）：12-14.

（編輯習(xí)習(xí)）

Analysis and Improvement to Radiator Fan Relay Failure on IDEAL

XIE Shu-guang，WANG Shao-wan
（Changan Hefei Changhe Automobile Co.，Ltd.，Hefei 230031，China）

Many radiator fan relays on IDEAL lose effect in the beginning period of localization of its parts. The failure causes are analyzed here and the failure components are improved and optimized.

radiator fan relay；contact ablation；improvement of contact material

U464.138.2

A

1003－8639（2014）06－0023－03

2013-09-03；

2013-10-16