一種大電流接觸系統(tǒng)在雨刮噴水開(kāi)關(guān)上的應(yīng)用

郭忠新，張 蕾

（1.上?？剖肋_(dá)—華陽(yáng)汽車電器有限公司，上海 201814；2.上海電機(jī)學(xué)院/機(jī)械學(xué)院，上海 201306）

隨著汽車電子電器產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，汽車功能越來(lái)越多，為了保證控制的安全可靠，開(kāi)關(guān)也必須針對(duì)電子電器不同要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文將論述一種大小電流混合要求的組合開(kāi)關(guān)中，雨刮大電流接觸系統(tǒng)的解決方案。

這款組合開(kāi)關(guān)通過(guò)手柄實(shí)現(xiàn)大燈開(kāi)關(guān)、霧燈開(kāi)關(guān)、后雨刮開(kāi)關(guān)和雨量間歇調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)的功能，以及在殼體內(nèi)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向信號(hào)開(kāi)關(guān)、變光開(kāi)關(guān)、前雨刮開(kāi)關(guān)和噴水開(kāi)關(guān)的功能。此開(kāi)關(guān)從功能上看，和其他組合開(kāi)關(guān)沒(méi)什么不同，但是其電路負(fù)荷比較特殊，大小電流同時(shí)存在。其中，前后噴水功能需要承受5.2 A的大電流，其他功能為小于10 mA的小電流。對(duì)于小電流功能來(lái)講，可以使用現(xiàn)有常規(guī)鍍金滑片配合PCB的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖1所示；但是對(duì)于大電流的功能，標(biāo)準(zhǔn)化的大電流接觸系統(tǒng)無(wú)法在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)，就需要在滿足小電流功能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)大電流的功能。

圖1 小電流滑塊配合PCB

1 大電流接觸系統(tǒng)需要考慮的因素

1.1 接觸部位的電阻

根據(jù)焦耳定律：Q= 0.24IRt，接觸部位的電阻直接影響接觸部位發(fā)熱量，如果接觸部位過(guò)熱，會(huì)使周圍非金屬件發(fā)生損傷，甚至使接觸觸點(diǎn)本身受到損害。當(dāng)接觸部位接通時(shí)，在電流的作用下，在接觸部位形成電壓降，通過(guò)這個(gè)電壓降和電流求出的電阻被稱為接觸電阻［1］。接觸電阻通常由3部分組成，即

式中：Rj——接觸電阻；Rs——收縮電阻；Rb——表面膜電阻；Re——表面成分電阻。

接觸電阻的大小和接觸部位材料的選擇有著直接關(guān)系。應(yīng)該選擇適合硬度、導(dǎo)電率高和熱傳導(dǎo)率高的接觸材料，從而達(dá)到比較理想的接觸電阻。所以在實(shí)際應(yīng)用中，接觸電阻使用公式（2）進(jìn)行計(jì)算［2］

式中：Rj——接觸電阻；F——接觸壓力；m——與接觸形式有關(guān)的系數(shù)；Kj——與接觸材料、表面情況、接觸方式等有關(guān)的系數(shù)。

1.2 接觸部位的材料磨蝕與轉(zhuǎn)移［2-4］

觸點(diǎn)通斷過(guò)程中，接觸部位材料的磨蝕與轉(zhuǎn)移形式分為如下幾種：①機(jī)械磨蝕——主要是由于觸點(diǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的材料磨蝕和轉(zhuǎn)移；②電磨蝕——電路通斷過(guò)程中，由于拉弧能量和熱能量產(chǎn)生的材料磨蝕和轉(zhuǎn)移；③化學(xué)磨蝕——受環(huán)境的影響，接觸部位在溫濕條件下，在電流作用下產(chǎn)生的材料磨蝕和轉(zhuǎn)移；④焊接——接觸部位材料在一定的接觸壓力下，在電流的作用下產(chǎn)生的材料磨蝕和轉(zhuǎn)移。在這4種材料磨蝕和轉(zhuǎn)移的形式中，電磨蝕對(duì)觸點(diǎn)的破壞力最大。

大量的研究表明：由電磨蝕引起的材料轉(zhuǎn)移方向與觸點(diǎn)兩端的電壓和電流的關(guān)系如圖2所示。圖2中，實(shí)線為靜態(tài)伏安曲線，當(dāng)電壓、電流處于α、α′和γ區(qū)域時(shí)，材料由陽(yáng)極向陰極轉(zhuǎn)移；在處于β區(qū)域時(shí)，材料由陰極向陽(yáng)極轉(zhuǎn)移。而電磨蝕中，由于電拉弧引起的材料的磨蝕和轉(zhuǎn)移占了很大比重。不同材料引起電拉弧的最小電壓和電流如表1所示。

圖2 材料轉(zhuǎn)移模

表1 不同材料觸頭間的最小拉弧電壓和電流

1.3 熱量釋放

在前文考慮的2個(gè)因素分析中，歸根結(jié)底都和熱量有關(guān)系。由于局部過(guò)熱，造成接觸部位觸片、觸點(diǎn)零件的燒蝕。而產(chǎn)生局部過(guò)熱的因素主要有2個(gè)方面［4］：①接觸部位接通時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，大電流持續(xù)產(chǎn)生的熱量；②開(kāi)關(guān)通斷過(guò)程中，由于拉弧產(chǎn)生大量電火花引起的熱量。

為了減少熱量的影響，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮如何降低熱量的積聚，可以從以下幾個(gè)方面考慮：①結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上考慮熱量的釋放，如PCB設(shè)計(jì)上考慮熱量如何有效地傳導(dǎo)出去，接觸部位周邊結(jié)構(gòu)上考慮如何將熱量傳導(dǎo)出去；②選擇合適的滅弧油脂，油脂首先需要具有絕緣性，同時(shí)不腐蝕接觸部位的金屬和樹(shù)脂材料。

2 雨刮噴水功能大電流接觸系統(tǒng)解決方案

針對(duì)上文中提到的組合開(kāi)關(guān)，基于大部分功能都是小電流，決定采用PCB和鍍金滑片配合的接觸系統(tǒng)，噴水功能也同樣采用類似的解決方案，即PCB和大電流金屬滑片配合。具體實(shí)施方案如圖3所示的滑片和圖4所示的PCB。

通過(guò)接觸部位電阻的理論分析，可以看出接觸電阻大小對(duì)這種大電流開(kāi)關(guān)是至關(guān)重要的。因此，為了降低接觸電阻值，在大電流金屬滑片上焊接有Ag/SnO2的觸點(diǎn)（圖3），這種Ag/SnO2材料具有良好的電導(dǎo)通率和熱傳導(dǎo)性。同時(shí)，在PCB與金屬滑片配合處進(jìn)行鍍金處理（圖4），使配合處的接觸電阻達(dá)到比較理想的狀態(tài)。

考慮到上文中提到的材料轉(zhuǎn)移，由于所選擇的配對(duì)材料中，滑片上的觸點(diǎn)Ag/SnO2相比PCB上的金片性能更加優(yōu)良，所以在設(shè)計(jì)上，材料轉(zhuǎn)移須從滑片端向PCB端。同時(shí)，根據(jù)接觸部位的材料磨蝕與轉(zhuǎn)移中的相關(guān)理論，在開(kāi)關(guān)此種電壓和電流的情況下，材料的轉(zhuǎn)移是從陽(yáng)極到陰極。因此，PCB的設(shè)計(jì)如圖5所示。當(dāng)滑塊從0-位向右邊運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑片1會(huì)和PCB上金片先接通，但是這時(shí)滑片2還沒(méi)有接通，不形成回路；滑塊繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)滑片2與PCB接通時(shí)，會(huì)產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象。由于這時(shí)滑片1一直在PCB金片上運(yùn)動(dòng)，所以滑片1處沒(méi)有拉弧現(xiàn)象，只有滑片2處存在拉弧現(xiàn)象，并且實(shí)現(xiàn)了材料由滑片端向PCB端的轉(zhuǎn)移。反之，滑塊向左運(yùn)動(dòng)道理一樣，實(shí)現(xiàn)了材料由滑片端向PCB端的轉(zhuǎn)移。

圖3 滑片

圖4 PCB

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)大電流接觸系統(tǒng)的理論研究，以及客戶的功能要求，實(shí)現(xiàn)大小電流共存開(kāi)關(guān)采用類似方案的設(shè)計(jì)。從文中可看出，所選用的方案對(duì)于實(shí)現(xiàn)類似噴水功能等壽命要求比較低的情況，是比較適用的。此方案的采用，節(jié)省了成本，并且利用有效的空間實(shí)現(xiàn)了功能需求。同時(shí)可以看出，接觸系統(tǒng)不一定要采用最好的，合適的才最重要。希望本文能給大家一點(diǎn)有益的啟示。

圖5 滑塊與PCB運(yùn)動(dòng)示意圖

［1］ 張虎卿.Ag/SnO2電觸頭材料動(dòng)態(tài)性能研究［D］.天津：天津大學(xué)，2007.

［2］ 黃玉華.汽車組合開(kāi)關(guān)燈光模塊的失效分析及改進(jìn)［J］.汽車電器，2007（8）：4-7.

［3］ 郭迎春，耿永紅，陳松，等.電觸點(diǎn)直流電侵蝕研究［J］.稀有金屬材料與工程，2007，36（a03）：264-268.

［4］ 李英民，王俊勃，紀(jì)東，等.新型Ag /SnO2 觸頭材料的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.電氣開(kāi)關(guān)，2003，41（3）：20-26.