王燕兵　賴雅麗

摘 要：汽車產(chǎn)業(yè)尤其是電動(dòng)汽車等新能源產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，汽車按行業(yè)的發(fā)展勢必帶來其配套零配件如汽車?yán)^電器等需求的大量增長。汽車?yán)^電器是汽車中配電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)中完成指令執(zhí)行、保護(hù)、切換等功能的關(guān)鍵元器件。而繼電器觸點(diǎn)間由于接觸電阻在電流作用下產(chǎn)生焦耳熱導(dǎo)致觸點(diǎn)間發(fā)生熔焊造成觸點(diǎn)粘接無法完成吸和、分離動(dòng)作而失效，觸點(diǎn)間熔焊是制約繼電器產(chǎn)品向高品質(zhì)、高質(zhì)量、長壽命、安全可靠發(fā)展的瓶頸。觸點(diǎn)間熔焊形成機(jī)理較為復(fù)雜，其關(guān)鍵影響因素為觸點(diǎn)間接觸電阻在電流的作用下所產(chǎn)生的焦耳熱融化觸點(diǎn)金屬，因而接觸電阻的形成機(jī)理及變化是探究觸點(diǎn)粘結(jié)機(jī)理的關(guān)鍵、是改善繼電器質(zhì)量提升使用壽命的攻堅(jiān)環(huán)節(jié)。而影響汽車?yán)^電器觸點(diǎn)接觸電阻變化因素較多，各個(gè)因素之間又存在相互的影響及關(guān)聯(lián)。對(duì)繼電器接觸電阻變化的影響因素進(jìn)行重點(diǎn)分析揭示影響因素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：繼電器 觸點(diǎn)熔焊 接觸電阻 影響機(jī)理

1 概述

隨著國家的發(fā)展、人民的富強(qiáng)、科技的進(jìn)步，人們對(duì)汽車的需求也發(fā)生改變，對(duì)汽車的行駛品質(zhì)要求更高、對(duì)駕駛感受需求更加細(xì)膩，汽車產(chǎn)業(yè)的革新勢必帶動(dòng)其配件市場的全面繁榮，汽車?yán)^電器作為車輛中擔(dān)負(fù)大電流通斷的關(guān)鍵元器件其工作的可靠性對(duì)汽車的綜合體驗(yàn)提升影響巨大。汽車?yán)^電器尤其是在電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)中使用較為廣泛。同時(shí)汽車?yán)^電器工作環(huán)境較為苛刻，其工作環(huán)境溫度最高可達(dá)125℃，最低可達(dá)零下40℃，同時(shí)繼電器作為小電流控制大電流通斷的觸點(diǎn)之間猶豫頻繁的吸和、分離導(dǎo)致其接觸面由于焦耳熱融化觸點(diǎn)間材料導(dǎo)致其接觸面材料發(fā)生遷移及侵蝕，甚至發(fā)生無法正常分離的熔焊現(xiàn)象。觸點(diǎn)間材料的遷移及侵蝕甚至熔焊進(jìn)一步惡化了接觸面間的發(fā)熱量導(dǎo)致繼電器使用壽命、安全可靠性急劇下降，嚴(yán)重的時(shí)候甚至影響整車安全。筆者查閱相關(guān)材料采用大數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：繼電器90%故障大多發(fā)生在觸點(diǎn)之間。雖然汽車?yán)^電器使用壽命還受到環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、灰塵、工作環(huán)境等的影響，但觸點(diǎn)間材料的遷移及侵蝕才是造成汽車?yán)^電器失效的主要原因。繼電器觸點(diǎn)材料的轉(zhuǎn)移和侵蝕關(guān)鍵影響因素為觸點(diǎn)間接觸電阻在電流的作用下所產(chǎn)生的焦耳熱融化觸點(diǎn)金屬，因而接觸電阻的形成機(jī)理及變化是探究觸點(diǎn)粘結(jié)機(jī)理的關(guān)鍵、是改善繼電器質(zhì)量提升使用壽命的攻堅(jiān)環(huán)節(jié)。而影響汽車?yán)^電器觸點(diǎn)接觸電阻變化因素較多，各個(gè)因素之間又存在相互的影響及關(guān)聯(lián)。對(duì)繼電器接觸電阻變化的影響因素進(jìn)行重點(diǎn)分析揭示影響因素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

2 接觸電阻的形成機(jī)理

使用直流接觸電阻測試?yán)^電器觸點(diǎn)接觸電阻時(shí)，實(shí)際測量都是在接觸觸點(diǎn)間進(jìn)行的，得到的測試值是觸點(diǎn)接觸總電阻（R），總電阻為材料電阻（Rl）和接觸電阻（Rc）之和，接觸電阻是指電流通過觸點(diǎn)時(shí)在接觸處由于接觸表面粗糙而產(chǎn)生的電阻，它由收縮電阻和膜電阻組成，如圖1。

2.1 收縮電阻

實(shí)際繼電器觸點(diǎn)在實(shí)際使用中的接觸表面在微觀情況下均是粗糙的，其接觸表面存在無數(shù)的不規(guī)則的凸起和凹坑。觸點(diǎn)兩個(gè)粗糙表面接觸時(shí)，實(shí)際接觸的并不是完整的兩個(gè)表面，而僅僅是兩個(gè)表面間的部分微凸體之間的接觸，從而形成離散的接觸點(diǎn)，這些接觸點(diǎn)在宏觀上構(gòu)成了實(shí)際的觸點(diǎn)間實(shí)際接觸面積。由于接觸面由于粗糙度影響實(shí)際接觸為微凸點(diǎn)接觸，電流僅能夠接觸觸點(diǎn)間進(jìn)行傳導(dǎo)，此時(shí)電流會(huì)因此而受到收縮從而產(chǎn)生電阻，也稱之為收縮電阻Rs。

2.2 膜電阻

工程實(shí)際中導(dǎo)體表面在自然環(huán)境下均會(huì)存在導(dǎo)電性較差的表面薄層而形成的電阻為膜電阻。該薄膜受自然環(huán)境的影響形成不同的成分、厚度。繼電器接觸觸點(diǎn)之間更多的是絕緣膜。絕緣膜是由于觸點(diǎn)所處在自然環(huán)境而形成的氧化物覆蓋、硫化物覆蓋、油脂及灰塵等附著在觸點(diǎn)表面之上形成厚度約100艾米厚度的絕緣層。由于該絕緣膜的存在導(dǎo)致觸點(diǎn)間形成額外的電阻即為膜電阻Rf。顯而易見絕緣層越厚膜電阻越大。

綜上所訴，接觸電阻由兩部分組成：一是由于電流線收縮形成的收縮電阻Rs;二是導(dǎo)電性較差的薄膜導(dǎo)致的膜電阻Rf。這些薄膜需要電或機(jī)械破碎才能形成金屬與金屬的直接接觸?？偟慕佑|電阻可以由下式表示：

3 接觸電阻變化影響因素

繼電器觸點(diǎn)間接觸電阻變化因素主要為收縮電阻和膜電阻的變化，而影響收縮電阻及膜電阻的主要因素如圖3所示。

3.1 材料性質(zhì)

由收縮電阻的產(chǎn)生機(jī)理可以發(fā)現(xiàn)接觸材料物理屬性直接影響收縮電阻的變化。在收縮電阻中每個(gè)電斑點(diǎn)的電阻與觸點(diǎn)材料電阻率成正比，而觸點(diǎn)間接觸導(dǎo)電斑點(diǎn)由觸點(diǎn)外力擠壓接觸粗糙表面微凸點(diǎn)形成，因而導(dǎo)電斑點(diǎn)的數(shù)量與觸點(diǎn)材料的硬度存在直接關(guān)系。

3.2 接觸形式

接觸形式對(duì)收縮電阻的影響。深入分析觸點(diǎn)間接觸形式分為：電接觸、線接觸、面接觸三種。三種接觸形式的分類依據(jù)主要是接觸點(diǎn)數(shù)目依次增加。通常而言面接觸擁有最多的接觸點(diǎn)，其收縮電阻最小。電接觸顧名思義其接觸點(diǎn)最少，收縮電阻最大。線接觸形式的收縮電阻介于兩者之間。

接觸形式對(duì)觸點(diǎn)間膜電阻的影響。每個(gè)接觸點(diǎn)上所承受的接觸壓力是接觸形式對(duì)膜電阻的主要影響因素，繼電器觸點(diǎn)間在電磁吸和力的作用下受壓力F，接觸面間由于外力F的作用形成n個(gè)接觸點(diǎn)，假設(shè)接觸點(diǎn)均勻則單個(gè)接觸點(diǎn)所承受的壓為：F1=F/n，而單個(gè)接觸點(diǎn)所承受的壓力F1與接觸形式直接相關(guān)。由上述可知點(diǎn)接觸存在最少的接觸點(diǎn)數(shù)n。相同外力F作用下點(diǎn)接觸形式下接觸點(diǎn)n點(diǎn)<線接觸形式下接觸點(diǎn)n線<面接觸形式下接觸點(diǎn)n面，由單個(gè)接觸點(diǎn)所承受的壓為：F1=F/n，可知點(diǎn)接觸形式下單個(gè)接觸點(diǎn)承受壓力最大，在相同電壓電流作用下最易突破接觸間的薄膜，因此點(diǎn)接觸形式是膜電阻Rf最少的，線接觸次之，而面接觸最大。

3.3 觸點(diǎn)表面粗糙度

繼電器觸點(diǎn)表面粗糙度對(duì)接觸電阻影響機(jī)理較為繁雜。觸點(diǎn)表面越粗糙，接觸面間接觸電斑點(diǎn)愈加的減少，至接觸電阻越大。筆者建議采用表面形貌分析方法對(duì)觸點(diǎn)接觸電阻進(jìn)行計(jì)算。

3.4 接觸壓力

繼電器觸點(diǎn)間接觸壓力F作用下接觸面間的微凸點(diǎn)所承受的接觸壓力超過了材料的彈性形變極限而發(fā)生了塑性變形，進(jìn)而導(dǎo)致接觸點(diǎn)增多、實(shí)際接觸面積增加，致使收縮電阻Rs減少。于此同時(shí)在接觸壓力F的作用下觸點(diǎn)間接觸微凸被壓潰進(jìn)而擊穿了接觸面間的膜電阻，使膜電阻Rf下降，進(jìn)而接觸電阻Rc下降。

3.5 溫度

材料物理屬性如電阻率、硬度等參數(shù)均是隨溫度變化，如接觸點(diǎn)溫度上升后，觸點(diǎn)間材料電阻率增大，與此同時(shí)材料硬度降低致使接觸面間有效接觸面積增加。觸點(diǎn)間溫度升高致使收縮電阻Rs升高，材料硬度降低使收縮電阻Rs減小。因此觸點(diǎn)間收縮電阻Rs隨溫度變化微乎其微。繼電器觸點(diǎn)間金屬材料在高溫下表面發(fā)生氧化，其氧化行為至接觸面間的氧化膜厚度增加進(jìn)而導(dǎo)致膜電阻Rf增大，膜電阻Rf增大進(jìn)一步導(dǎo)致發(fā)熱量增加致使溫度急劇升高，而溫度上升加劇了氧化膜的厚度致使膜電阻Rf進(jìn)一步增加，依次反復(fù)惡性循環(huán)。

3.6 其他因素

觸點(diǎn)材料的材料穩(wěn)定性、抗電侵蝕性能和抗磨性能均是影響觸點(diǎn)間接觸電阻的大小和穩(wěn)定性的相關(guān)因素。觸點(diǎn)材料作為某種金屬，其表面氧化形成的氧化物、附著的硫化物、有機(jī)污染膜及各種自然環(huán)境下塵埃的吸附和沉淀均會(huì)嚴(yán)重影響觸點(diǎn)間接觸電阻的大小及穩(wěn)定性。另外需要指出的是，當(dāng)非金屬材料如石墨等作為電接觸材料時(shí)，當(dāng)接觸位置的溫度很高（但低于接觸金屬材料的熔點(diǎn)）時(shí)，會(huì)使非金屬材料發(fā)生氧化等化學(xué)反應(yīng)，使得接觸接觸狀況發(fā)生改變（如微觀形貌變化、宏觀的燒蝕后退等），使得接觸電阻發(fā)生改變。

綜上所述，觸點(diǎn)間接觸電阻的大小及穩(wěn)定性受材料物理性能、表面粗糙度、外力F、工作環(huán)境、溫度等眾多因素影響的非線性影響關(guān)系，本文分析了影響繼電器觸點(diǎn)間接觸電阻的主要因素，分析其影響機(jī)理，提出采用表面形貌分形接觸的方法解決接觸電阻數(shù)值求解的途徑。

基金項(xiàng)目：貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院科學(xué)研究《汽車電磁繼電器觸點(diǎn)瞬態(tài)接觸行為及傳熱特性研究》

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