爱迪尔汽车在零部件国产化初期， 售后市场出现批量散热风扇继电器失效故障。 本文剖析故障原因， 并对故障部件进行改进优化。

    爱迪尔汽车是一款引进日本铃木Wagon车型并改造升级， 由欧洲名家精心设计推出， 昌河汽车公司倾力打造的多用途二厢轿车。 它以独特的造型、超大储物空间、 优异的操控性能并搭载节能环保的第2代SUZUKI发动机而占有一定的市场地位。该车投放市场一段时间后， 市场售后服务反馈该车型号72G00散热风扇继电器损坏率较高。 通过市场调查和走访用户了解到， 出现故障通常都有一个典型的产品使用特征： 气温环境较高条件下车辆行驶较长时间。

    1 故障分析
    1.1 继电器
    继电器以低电压、 小电流控制高电压、 大电流， 具有完善的隔离结构， 因而广泛运用于各种控制电路。 继电器结构可分为中间继电器、 压力继电器、 速度继电器等。 其中中间继电器也有多种形式，分为继电式 （接触器式）、 无触点式 （固体式） 等。汽车行业中继电器选择均考虑小型化， 中、 低压， 中、 小容量为主。 通常微型汽车使用电源多为12 V， 线圈电压大都设计为12 V规格。 由于是蓄电池供电， 电压存在不稳定情况， 加以使用环境条件恶劣， 对继电器设计要求： 吸合电压U≤60%UH（定 额工作电压 ）； 线圈过电压允许达1.5UH； 线 圈功耗较大， 一般为1.6～2 W， 温升较高。 环境要求也相当苛刻： 环境温度范围为－40～100 ℃， 在发动机舱室里使用的继电器要能经受沙尘、 水、 盐、 油的侵害。 振动、 冲击无疑是相当苛刻的， 冲击强度达100 g， 冲击稳定性达10 g。 振动达10～40 Hz， 双振幅1.27mm； 40～70Hz， 0.5g； 70～100Hz， 0.5mm（双 振幅 ）； 100～500 Hz， 10 g等 。 因 此汽车继电器在选用时主要考虑以下参量： 线圈额定电压； 动作电压、 释放电压； 最大连续通电电流； 线圈功耗；线圈温升。
继电器在设计、 选用时， 对安全性要求予以充分重视， 主要考核以下几个重点。
    1） 绝缘材料 要求具有阻燃性能 ， 耐温等级温度上限≥最高环境温度+线圈温升+15℃。
    2） 触点过负载能力 触点应能100次成功 （交流为200次） 切换两倍额定负载电流。
    3） 绝缘抗电水平 继电器各导电部分之间的绝缘电阻一般应达： ＞100MΩ， ＞500MΩ， ＞10000MΩ。继电器各导电部分之间的绝缘应能承受使用中可能出现的最高峰值电压而不损坏， 漏电流不得超过100 μA （或1 mA）； 也不允许有飞弧 、 闪烁或击穿而引起的缺损故障。
常用接触器式继电器有4个工作状态： 闭合过程、 闭合状态、 断开过程、 断开状态。 接触器式继电器对触点的基本要求： 在闭合过程中能可靠地接通电路， 触点不发生弹跳； 在闭合状态时触点导电良好， 能可靠地流过额定电流而不会过热； 在断开过程中能及时熄灭电弧； 在断开状态时能将电路可靠地断开。
    有研究机构资料表明， 在对2009年完成的1500余项电子元器件失效过程分析中发现， 继电器所占的失效比例高于18％。 从接触器式继电器使用情况的信息反馈中也发现， 触点在工作中存在各种失效模式。 负载电流不同， 表现的失效形式也不同。 在不同的工作条件下， 接触器式继电器触点会出现冷焊、接触电阻过大、 电弧熔焊等故障。 相关资料表明继电器触点失效模式占继电器失效比例高达80%。
    1.2 散热风扇工作原理
    联系上述爱迪尔汽车散热风扇继电器工作失效率高的问题， 通过市场故障件采样， 结合该零件控制电路图进行分析。 散热风扇电路简图如图1所示。

    汽车发动机ECU C3脚接散热风扇继电器控制回路端， ECU B15脚接冷却液温度传感器， 该温度传感器装配在发动机上， 用来检测发动机冷却液温度。 当发动机冷却液温度上升到104～105 ℃区间时， 冷却液温度传感器给发动机ECU传递检测信号， ECU发出指令修正发动机喷油量和点火提前角等工况参数， 并通过ECU内部电路导通控制三极管， 令ECU C3脚处于低电位， 这时散热风扇继电器吸合， 电子风扇启动工作， 风冷水箱散热器通过冷却液内外循环， 降低冷却液温度到85℃左右， 此时ECU指令截止控制三极管， ECU C3脚处于高电位， 散热继电器断开电子风扇停止工作。 这样周而复始地循环工作。
    爱迪尔散热风扇继电器工作环境严酷， 它安装在发动机前舱盖内， 该位置温度较高， 平均温度达45～65 ℃， 在7～9月期间， 有时高达90 ℃以上。 而且继电器外面又套有橡皮套， 极不利于散热。 散热风扇继电器如图2所示。

    继电器工作状态下负载也大， 通过实测： 爱迪尔系列电子风扇启动电流为14.5～15A， 稳定工作电流为8.5～8.8A。 Ⅱ系列 “YDK” 电子风扇的启动电流为18.8～19.5A， 稳定工作电流为10.4～10.8A。
当继电器断开时， 感性负载中线圈所储存的能量必须通过断开触点间的电弧释放、 消耗掉， 这样往往会导致触点烧蚀、 熔焊或绝缘零部件失效等故障。 在刚刚接通这些负载时， 由于输入阻抗低， 如同电感负载一样， 也会产生强大的浪涌电流。
    由于电子风扇是电感性器件， 如上所述， 继电器触点断开时产生的反电动势形成的电弧， 以及贮存在线圈中的电磁能均是通过触点间燃弧消耗掉的， 很容易使继电器触点烧蚀。 爱迪尔Ⅱ系列发动机为铃木K14B， 其排量较大， 发动机温升很快，电子风扇工作时更加频繁。 同时， 配置Ⅱ系列发动机的 “YDK” 电子风扇的启动电流较大， 继电器触点接触时产生的热量更多， 对继电器的要求更加苛刻。 若触点、 结构框架等配件技术指标达不到要求， 则由于继电器频繁工作将导致触点烧蚀严重。
    1.3 继电器触点点蚀
    为进一步了解该继电器使用情况， 我们分期走访了爱迪尔用户 （特别针对使用了半年和一年以上的用户）， 并对各走访用户所配继电器随机采样，拆解后对比分析， 发现继电器触点点蚀程度差异很大。 图3为使用半年的继电器触点。 图4为使用一年以上的继电器触点。

    图3和图4对比观察后可见， 使用了一年以上的继电器动、 静触点点蚀明显。 另一方面， 由于触点接触时存在接触电阻， 当触点的工作电流越大， 导通时触点产生的热量也就越多。 由于继电器触点烧蚀趋于扩大， 接触电阻也逐渐增大， 电子风扇启动时继电器触点产生更多的热量。 特别是由于爱迪尔Ⅱ系列发动机排量较大， 电子风扇工作频繁， 继电器触点反复烧蚀产生更大的接触电阻， 因而产生的热量更多。 这里， 仅把触点看成纯电阻回路， 可以用热量方程式加以表述， 即焦耳定律表达式
Q=0.24I2Rt
式中： Q———热量， J； I———电路电流， A；R———接触电阻， Ω； t———电路通电时间， s。由此可见， 热量Q与电路电流的平方、 接触电阻及通电时间成正比。 在额定触点导通电流条件下，接触电阻越大， 通电时间越长， 产生的热量越多，使得继电器温度更高。 当温度达到一定程度， 通过继电器触点簧片传递热量导致线圈支架变形， 致使继电器触点簧片闭合状态恶化， 进一步造成继电器触点接触不良， 更进一步加大触点接触电阻， 反过来进一步加大触点点蚀程度， 线圈过热导致线圈漆包线脱落， 最终造成内部短路而烧毁。线圈支架变形及线圈烧坏故障件如图5所示。

[1] [2]  下一页