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1、 车用电磁继电器的失效分析与使用可靠性单位：电器部件设计室姓名：刘昶摘要：本文结合整车中采用的各种继电器出现的失效情况，对电磁继电器的失效机理和如何选择与使用进行了分析，以便提高其使用可靠性。关键词：电磁继电器、失效分析、使用可靠性1 引言：继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关” 。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点等组成的（如上图所示）。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，
2、衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点” ；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。尽管在电子元器件中，继电器一般被认为是一种最不可靠的电子元件，但其在控制电路中有独特的电气、物理特性，其断态的高绝缘电阻和通态的低导通电阻，使得其它任何电子元器件无法与其相比，加上继
3、电器标准化程度高、通用性好、可简化电路等优点，所以继电器广泛应用在交通、航天、航空、军用电子装备、信息产业及国民经济的各种电子设备中随着科技的飞速发展，继电器在程控通信设备中的使用量还在进一步增加。随着电器系统在整车中的所占的比重越来越大，电磁继电器在整车中的应用也越来越多。现生产车型中起动机、预热系统、电熄火器、空调、近光灯、远光灯、ABS、电喇叭、暖风、收放机等电器系统的控制都用到了电磁继电器。电磁继电器常见的失效模式有：a由于弹簧性能退化导致触点不通，接触不良，触点粘连；b由于内部多余物导致衔铁卡死或触点瞬间短路；c由于气密性不好或封装不良导致触点氧化和生成有机钝化膜，进而导致触点接触不
4、良或开路；d由于绝缘部分质量或内部潮湿原因导致绝缘电阻下降等。电磁继电器的这些失效模式严重影响了电子装备的可靠性，对车辆行驶中的安全性也造成了较大的影响。而通常所说的产品可靠性是指产品的工作可靠性，它包括产品的固有可靠性和使用可靠性。前者由产品设计、制造决定，后者则与用户对产品的选择和使用有关。有关资料表明：现场失效的元器件23是由使用不当引起的，这包括选型不当和使用方法不当两种。继电器也是如此。为了提高电磁继电器的使用可靠性，现实的做法有：a根据需要合理选择和使用；b加强对其进行严格的筛选和检测。下面就从电磁继电器的失效机理这个角度进行简略分析，同时就如何提高其在整车使用中的可靠性进行阐述。
5、2. 继电器的失效机理及分析：21 输入电压大小对继电器可靠性的影响：继电器工作时，线圈应施加额定工作电压(电流)，而不应是吸合电压(电流)，从而使继电器线圈电压(或电流)在电源电压(或电流)波动或继电器的使用环境存在机械振动冲击或环境温度升高时，有一个可靠工作的保险余量。吸合电压(或电流)仅是制造厂约束继电器灵敏度并对其判断考核的参数。对于同一规格品种的继电器，不应认为吸合电压越小、继电器越灵敏越好，吸合电压减少继电器内部的吸力、反力、触点间隙等机械参数均减少，将会影响继电器的抗振性、可靠性、负载能力、触点间的耐压和寿命等性能。同理继电器的释放电压不一定越大越好。22 负载能力对继电器可靠性
6、的影响：a灯光负载：由于白炽灯内钨丝的冷态电阻非常小，故接通瞬间的浪涌电流高达稳态电流的1215倍。如此大的浪涌电流会使触点迅速烧蚀，甚至产生熔焊失效。 b容性负载：容性电路的充电电流、短路放电电流起始时很大，充电或短路放电时，触点可能因电流太大产生严重烧蚀或熔焊失效。c电机负载：电动机静止时输入阻抗非常小，因此刚刚起动时，浪涌电流非常大。由于电动机负载大小的不同，它的启动时间有可能很短，也可能很长，因而启动浪涌电流也持续同样长的时间。另外用继电器触点作为电动机启、闭开关，关断时继电器必须承受电动机绕组的高感应反电压冲击产生的电弧作用，因此触点组间的绝缘抗电水平与承受过负载的能力都必须有充分的
7、富余量。d感性负载：用继电器触点作为此类负载断、续自动开关，当继电器关断时，线圈中所储存的能量必须通过断开触点间的电弧释放、消耗，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，如同电动机负载一样，也会产生强大的浪涌电流。23 继电器密封的目的和意义：继电器密封的目的在于防止空气中灰尘、有害气体及湿气对继电器的污染，提高继电器对恶劣气候环境的适应性和工作可靠性。继电器如漏入水汽，低温下会发生“结冰”现象，引起触点接触电阻的变化或不通。现生产车型中由于起动机继电器、预热继电器和熄火继电器没有像其他继电器一样安装在驾驶室内，所以相对的工作环境比较恶劣，密封性的
8、好坏对继电器的使用寿命和故障率有直接影响。据统计，上述几种继电器由于密封性不好的原因导致继电器工作失效的情况，在全部继电器失效原因中占有很大比例，必须重点关注。 24 环境工作温度对继电器可靠性的影响：a由于线圈电阻随温度升高而增大，线圈功率减少，因此，在高温条件下，继电器的吸合电压将会升高，而在低温条件下，继电器的释放电压将减少，影响继电器的正常切换；b温度升高加速了金属零件的氧化，绝缘材料的老化；c温度升高，加快了有机气体的释放，加剧了触点膜电阻的形成，特别是在低电平条件下，直接影响接触可靠性；d温度升高，熄弧困难，触点的切换能力下降；e低温下，触点表面有可能结霜，影响触点的导通。25 机
9、械应力环境对继电器可靠性的影响：电磁继电器触点簧片均为悬臂梁系统，固有频率较低。在接近或达到固有频率的外界振动作用下会引起谐振，使触点压力降低直至产生瞬时断开，即出现抖动。可动的衔铁部分会因为激励而误动作，进而使触点接触不良或断开。周期性的使用力会使结构不牢或破坏脱落造成结构失效。继电器内残存的松散微粒(毛刺脱落物、焊渣、材料碎屑)在振动和冲击作用下会落入触点间隙或转动支撑处，造成严重故障。3.提高整车设计中电磁继电器使用可靠性的方法及原理：3.1 在继电器使用中采取正确的连接方式：有时，用一组触点不能满足电路的功率要求时，有的设计师采用两组或多组触点并联的方式来保证电路的功率要求 但是，由于
10、继电器触点在动作时存在微小的时间差(一般两组触点动作时间相差0102 ms)。由此可知，先接通的一组触点将承受全部功率，处在超应力条件下进行切换，很容易被大电流形成的电弧烧毁而失效，所以，要求在使用继电器时，不能用触点并联的方式提高功率。32 合理选用继电器的质量等级所谓“质量等级”，是指元器件在装机之前，按产品执行的标准或供需双方的技术协议，在制造、检验及筛选过程中的质量控制等级。其质量系数 是指不同质量等级对元器件工作失效率 影响Q p的调整系数。元器件的失效率可用下式表示：= ( K)pbEQ式中： ：表示工作失效率；：表示基本失效率；b：表示环境系数；E：表示质量系数；QK：表示其它因
11、素造成的综合系数，如应用系数、种类系数等。不同质量等级的元器件，其质量系数 不同。从上式可以看出Q质量系数对元器件失效率的影响程度，所以要求在选择元器件时，要根据整机系统的可靠性要求，选择元器件的质量等级。继电器的质量等级按GJBZ299B电子设备可靠性预计手册规定划分为5个质量等级，如表1所示。表1 质量等级与质量系数 Q质量 等级 质量要求说明 补充说明 QA1 符合GJB65A-91有可靠性指标的电磁继电器总规范，列入质量认证合格产品目录的W级产品。0.15AA2 符合GJB65A-91的Y级产品；符合GJB1042- 90电磁继电器总规范的产品；符合GJB1434-92真空继电器总规范
12、的产品；符合GJB1436- 92干簧继电器总规范的产品；按质量认证标准，经中国电子元器件质量认证委员会认证的合格产品。符合QZJ840617密封继电器“七专”技术条件的产品;符合QZJ840618密封温度继电器“七专”技术条件的产品；0.3B1 按军用标准筛选要求进行筛选的 B2质量等级的产品。符合“七九零五” 密封继电器“七专”质量控制技术协议的产品；0.6BB2 符合SJ2386-83干簧继电器总技术条件的产品；符合SJ2456-84电子时间继电器总技术条件的产品。1C 低档产品 53.3 继电器触点的降额使用：继电器的负载能力并不都是从零到额定负载。当负载性质改变时，触点负载能力将发生
13、较大变化。恰当地降额使用继电器以提高继电器的使用寿命和可靠性，降额范围应在继电器额定电流值的5070之间。另外，继电器触点对不同性质负载的切换能力与触点的设计参数有关，相同型号的继电器切换不同性质负载的能力亦有区别，值得关注的是，继电器触点的额定负荷值是在阻性负载条件下给定的，当使用的负载是感性、容性及灯泡负载时，可产生10倍的浪涌电流，所以如果不是阻性负载，使用时一般应按表1所示进行换算。我们必须注意的是整车电器部件中存在的负载类型并不完全相同，例如近光灯、远光灯等属于灯泡负载;起动机等属于电机负载；电喇叭等属于感性负载，预热系统属于电阻性负载。因此在选择控制这些电器部件的电磁继电器的时候必
14、须参照如表1所示的负载间的换算关系对继电器进行降额使用。表2 不同负载之间的换算关系（以电阻性负载为标准计算额定电流）电阻性电流 感性电流 电机电流 灯泡电流100% 30% 20% 15%3.4 在继电器线路中采取灭弧措施：由于非阻性负载的转换会严重降低继电器触点的可靠性，因此，为了保护继电器触点，要根据不同性质的负载加装不同的灭弧电路。对于容性负载，可在触点与负载之间串联一个瞬态抑制电阻，可减少通过触点的瞬态电流。对于感性负载，一般是在负载两端并联一个反向保护二极管。继电器的线组是一个电感，绕组中又有衔铁，因此在绕组通电后要贮存磁能，在继电器绕组断电的瞬间，磁能释放会产生很高的反向电动势，
15、这个瞬间反向电动势形成的脉冲尖峰可能干扰其它电路的正常工作。另一方面，由于反向电动势比正常电压高数倍(通常为8倍)，很容易击穿驱动继电器工作的晶体管。一般的解决办法是在继电器绕组两端并联一个分流二极管来减小绕组所产生的瞬间反向电压峰值。整车中很多继电器都已经采用了该方法对其自身进行保护，同时提高了整车用电的可靠性。3.5 选择正确的安装方式：a.一般电磁继电器的簧片均为悬梁结构，因而固有频率低，选择合理的安装方式可防止或减少振动放大，保证继电器的正常工作。因为绝大多数触点抖动是由衔铁振动引起的，因此，安装时要求触点的振动方向和衔铁的吸合方向尽量不与整车振动方向（上下方向）一致，最好是将继电器衔
16、铁的振动方向与整机振动方向垂直。另外，在安装继电器时，要采取一些减振措施，如锁紧装置，加减振垫等，对提高继电器的耐振动能力有一定的好处。整车中所用到的如起动机继电器，预热继电器等的安装方向基本上都是保持衔铁的吸合方向与整车的振动方向（上下方向）成垂直角度，从而减少了因衔铁振动导致触点失效的情况发生。b.由于继电器的失效率与环境温度有密切的关系，如果与其它发热元件安装在一起或元件之间排列过密，可产生过高局部温度，影响可靠性。所以对于安装在车架上的继电器的安装位置要尽可能远离发热元件（如发动机排气管和高温的空气管等），使周围空气形成自然对流，以保证有效的热交换，来防止局部温升过高。同时为减少与空气中的雨水和汽车行驶中带起的泥沙有过多接触机会，导致其由于密封不良而失效，应避免将该类继电器
