变速箱档位开关触点烧蚀故障原因分析及设计改进

冯梦丽

陕西法士特齿轮有限责任公司 陕西 西安 710077

1 前言

档位开关是重型汽车机械式变速器总成上配备的一种用以指示变速器档位信息的电器元件，一般采用的为翘板式开关。作为一种传感机构，档位开关将接收到的来自操纵机构的压力信号转换为开关型电信号，从而将变速箱的档位信息传递至整车的显示仪表及控制电路。档位开关发生故障后，将会严重的影响整车的安全可靠使用。

根据不完全统计，档位开关产品的故障数量约占变速器总成故障数量的近十分之一。因此档位开关产品的质量可靠性提升对于变速器总成质量的提升具有重要意义。通过对失效件的拆解，发现触点烧蚀现象占比最高，达56.86%。我们针对该失效模式进行了深入研究。

2 触点烧蚀原因分析

翘板式开关目前所有开关中布局最简易、安装最方便、功能最全面的开关之一。在翘板开关的翘板上，有一个圆形的触点，用来控制开关电流的接通和关断。按触点初始状态可将开关分为“常开（NO）”和“常闭（NC）”两种。

本文以当下变速箱上使用最为广泛的常闭式翘板开关作为研究对象。

工作原理：自由状态时，开关内部的动片与静片贴合，电路接通。工作状态时，开关顶杆受到外力，经由一系列力的传递，塑料衬套压缩弹簧，同时带动接线片（动片）向上运动，两触点与静接线片（静片）断开，开关由常闭转换为断开。当外力消失，在弹簧力的作用，按钮回位，动片回位，开关又由断开转换为闭合。

根据研究资料发现，在大气中开断电路时，只要电压超过12V-20V，被开断电流超过0.25A～1A，在触点间隙中通常会产生一团温度极高，发出强光且能够导电的圆柱形的气体，一直到电弧熄灭，触点间隙成为绝缘介质之后，电流才被断开，这种现象就是电弧。电弧是有触点开关电器动作过程中必然发生的物理现象。目前，变速箱上的档位档位开关的工作电压12V～24V，工作电流一般不超过1A。因此，开关在正常工作过程中，必然会频繁发生电弧现象。

触点在工作过程中由于接触电阻和电弧放电而产生很大热量，使材料发生融化和蒸发，并导致触点熔焊、材料消耗、材料转移等现象，称之为电侵蚀。但同时在动、静触头的接触中，相互摩擦，接触面也得以自动清扫，这称之为自洁作用。触点烧蚀现象就是电侵蚀累积到一定程度而产生的。

3 触点设计改进

在不改变工况的条件下，要想动静触点在工作分断时不产生电弧是不可能的，只能通过改善触点的抗电弧侵蚀性能，减缓触点材料的烧蚀速度和转移速度，从而延长触点使用寿命。

当前开关触点大多采用银合金(银镍合金．银铬合金等）。由于在开关的使用过程中，开关触点除承担电路的接通、分断和隔离等功能外，还需承担一定的载流作用，而一般载流件的首选材质多为铜合金。现有开关产品触点使用的即为铜基银合金材料AgCdO12/Cu，其中AgCdO12覆层的厚度为0.2～0.3。从目前拆解的情况来看，AgCdO12层耐电侵蚀的能力尚不能满足实际使用需求。研究表明，银触点的厚度大小直接影响着其导电性能的优劣。因此可以考虑增大银合金的覆盖厚度以减少开关闭合时电火花的产生、延长使用寿命。

对于开关触点的接触形式，一般有面接触、线接触和点接触三种。作为一种低压开关，我们现有开关产品采用的为面接触结构，但由于其自洁作用较差，受电侵蚀影响较大，缩短了触点寿命。因此可以尝试其它的触点接触形式，提高触点的自洁作用，延长触点寿命。

根据以上分析，我们对开关触点的改进尝试着从两个方面着手。首先，调整触点银合金材质的厚度。其次，调整触点接触结构的接触方式。结合当下的实际情况，我们对开关产品设计了以下四种优化方案，并进行对比试验：方案一， 触点材料为铜基银合金AgCdO12/Cu，AgCdO12层厚度为0.4～0.5；方案二，触点材料为银合金AgCdO12；方案三，平面触点改为弧面触点且触点材料为银合金AgCdO12；方案四，平面触点改为弧面触点且触点材料为铜基银合金AgCdO12/Cu，AgCdO12层厚度为0.4～0.5。

4 试验验证

将四种方案的产品样件按照相关企业标准中电负荷试验的方法，同时进行对比测试。

表1 改进方案试验情况

通过试验情况来看，前三种试验方案都可以使开关电负荷寿命得到提高，满足当下企业标准的要求。但纯银合金AgCdO12触点成本较高，且AgCdO12硬度较低，触点的铆接工艺不易控制。因此，综合考虑各方面因素，最终选取方案一的改进措施。

5 结论

目前针对开关触点烧蚀的改进措施已经逐步落实到位，改进后的产品也已投入到生产使用之中。我们也在对新产品的市场使用情况进行积极的跟进。造成触点烧蚀的原因有很多种，这种优化方案只能提高触点的耐电侵蚀寿命，但并不能彻底的解决触点烧蚀问题。同时引起开关失效的原因不止触点烧蚀一种，因此开关产品质量可靠性的提升还需要我们继续研究，逐步优化。