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        某車(chē)型起動(dòng)機(jī)失效問(wèn)題解決方法

        2022-05-30 08:50:42鄭勝楊秋蘭翟克嬌
        汽車(chē)零部件 2022年5期
        關(guān)鍵詞:碳刷機(jī)殼起動(dòng)機(jī)

        鄭勝,楊秋蘭,翟克嬌

        上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司,廣西柳州 545007

        0 引言

        隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,汽車(chē)作為普通消費(fèi)品進(jìn)入千家萬(wàn)戶。整車(chē)的性能和零部件的可靠性,是廠家關(guān)注的重點(diǎn),而安全可靠更是用戶對(duì)車(chē)輛評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。動(dòng)力總成作為汽車(chē)的核心部件,起動(dòng)機(jī)能否正常工作將影響客戶日常用車(chē),用戶頻繁抱怨對(duì)廠家的口碑將會(huì)造成一定的影響,甚至?xí)l(fā)車(chē)輛召回事件。

        起動(dòng)機(jī)常見(jiàn)失效模式有卡滯、異響、燒蝕等,涉及驅(qū)動(dòng)齒輪、單向器、定子、轉(zhuǎn)子、電磁開(kāi)關(guān)、碳刷等關(guān)鍵子零件的工藝和結(jié)構(gòu)。本文根據(jù)遇到的問(wèn)題,對(duì)引起起動(dòng)機(jī)失效的各種因素進(jìn)行了分析和研究,通過(guò)逐項(xiàng)排查最終得出導(dǎo)致此次起動(dòng)機(jī)異響卡滯、不工作的原因?yàn)楫a(chǎn)品防護(hù)能力不足,車(chē)輛涉水后泥水侵入起動(dòng)機(jī),累積達(dá)到一定程度后導(dǎo)致起動(dòng)機(jī)故障。

        1 問(wèn)題定義樹(shù)

        2019年某車(chē)型起動(dòng)機(jī)售后換件量為253件,客戶抱怨極大,針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了排查。

        將24件售后退賠件安裝至起動(dòng)機(jī)性能測(cè)試臺(tái)進(jìn)行功能檢測(cè),其中功能正常9件(占比37%),功能異常15件(63%)。對(duì)功能異常樣件進(jìn)行故障現(xiàn)象分類(lèi),通電運(yùn)行過(guò)程中起動(dòng)機(jī)異響5件、起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軸卡滯5件、上電后起動(dòng)機(jī)不工作5件,問(wèn)題定義樹(shù)如圖1所示。下面對(duì)功能異常樣件進(jìn)行拆解,進(jìn)一步分析失效原因。

        圖1 起動(dòng)機(jī)失效問(wèn)題定義樹(shù)

        2 原因分析

        2.1 起動(dòng)異響和驅(qū)動(dòng)軸卡滯

        拆解起動(dòng)異響和驅(qū)動(dòng)軸卡滯的故障件,發(fā)現(xiàn)起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軸表面有油污和泥沙(圖2),起動(dòng)機(jī)嚙合齒輪和驅(qū)動(dòng)軸生銹(圖3)。還有部分起動(dòng)機(jī)前驅(qū)蓋內(nèi)部布滿泥土(圖4),但減速機(jī)構(gòu)密封良好,內(nèi)部無(wú)泥沙。

        圖 2 驅(qū)動(dòng)軸表面的油污和泥沙

        圖3 齒輪和驅(qū)動(dòng)軸的銹蝕

        圖4 起動(dòng)機(jī)前驅(qū)蓋的泥土

        用手轉(zhuǎn)動(dòng)起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子,發(fā)現(xiàn)起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子可以在定子內(nèi)自由運(yùn)轉(zhuǎn),排除轉(zhuǎn)子和定子運(yùn)轉(zhuǎn)不暢導(dǎo)致異響和卡滯。轉(zhuǎn)子換向器表面無(wú)異常劃痕,碳刷接觸面光滑無(wú)異常,排除轉(zhuǎn)子和碳刷摩擦產(chǎn)生異響。清洗掉驅(qū)動(dòng)軸上的油污和泥沙并更換銹蝕的嚙合齒輪和驅(qū)動(dòng)軸,重新組裝故障件進(jìn)行功能檢查,異響和卡滯現(xiàn)象消除,零件功能正常。表明起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軸附著泥沙、嚙合齒輪及驅(qū)動(dòng)軸生銹,是導(dǎo)致起動(dòng)機(jī)異響、卡滯的直接原因。

        由于起動(dòng)機(jī)減速機(jī)構(gòu)密封良好,結(jié)合減速機(jī)構(gòu)處于起動(dòng)機(jī)中部(圖5),表明前驅(qū)蓋內(nèi)部的泥水應(yīng)該是從起動(dòng)機(jī)前驅(qū)蓋侵入。綜上,初步判斷起動(dòng)機(jī)驅(qū)蓋防水能力不足,車(chē)輛在涉水過(guò)程中泥水侵入起動(dòng)機(jī),使得驅(qū)動(dòng)軸有泥沙、嚙合齒輪與驅(qū)動(dòng)軸銹蝕,最終導(dǎo)致起動(dòng)機(jī)異響、驅(qū)動(dòng)軸卡滯。應(yīng)對(duì)起動(dòng)機(jī)驅(qū)蓋、嚙合齒輪和驅(qū)動(dòng)軸進(jìn)行設(shè)計(jì)變更,以提升防水及防銹蝕能力。

        圖5 減速機(jī)構(gòu)位置

        2.2 起動(dòng)機(jī)不工作

        起動(dòng)機(jī)故障表現(xiàn)為通電后起動(dòng)機(jī)電磁開(kāi)關(guān)正常吸合,但電機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn),初步判斷為電機(jī)轉(zhuǎn)子卡滯或斷路。拆解故障件,用手轉(zhuǎn)動(dòng)起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子,發(fā)現(xiàn)起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子可以在定子內(nèi)自由運(yùn)轉(zhuǎn),排除轉(zhuǎn)子和定子運(yùn)轉(zhuǎn)不暢導(dǎo)致起動(dòng)機(jī)不能正常工作。轉(zhuǎn)子表面絕緣漆完好(圖6),各繞組可以正常導(dǎo)通,排除轉(zhuǎn)子短路導(dǎo)致起動(dòng)機(jī)失效。碳刷架表面有泥水痕跡,彈簧和碳刷架生銹卡滯不回彈,碳刷膨脹變形與刷架卡死(圖7),機(jī)殼內(nèi)部有泥沙且靠近起動(dòng)機(jī)后蓋的機(jī)殼內(nèi)部銹蝕(圖8),減速機(jī)構(gòu)密封良好無(wú)異常。

        圖6 故障件轉(zhuǎn)子

        圖7 故障件碳刷架

        圖8 機(jī)殼內(nèi)部銹蝕

        起動(dòng)機(jī)在使用過(guò)程中,碳刷通過(guò)碳刷架上的彈簧與轉(zhuǎn)子保持貼合,實(shí)現(xiàn)電路導(dǎo)通。由于轉(zhuǎn)子表面不光滑,高速運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子會(huì)逐漸磨損碳刷,但由于彈簧力的作用碳刷始終保持與轉(zhuǎn)子處于貼合狀態(tài)。故障件彈簧生銹不回彈,碳刷與碳刷架卡死,彈簧不能將磨損后的碳刷推出與轉(zhuǎn)子正常貼合,最終會(huì)導(dǎo)致電路斷開(kāi)。

        結(jié)合起動(dòng)機(jī)電器原理(圖9)分析起動(dòng)機(jī)工作原理,起動(dòng)機(jī)采用負(fù)極搭鐵的方式裝配在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)或變速箱上,起動(dòng)機(jī)B+接線柱與蓄電池連接,S端子與汽車(chē)點(diǎn)火鎖S/W連接。當(dāng)點(diǎn)火鎖S/W接通時(shí),電流從蓄電池正極經(jīng)點(diǎn)火鎖流向起動(dòng)機(jī)電磁開(kāi)關(guān)S端后,一支路從保持線圈H-coil搭鐵后回到蓄電池負(fù)極;二支路從吸拉線圈P-coil流入起動(dòng)機(jī)M端,經(jīng)過(guò)電機(jī)本體再搭鐵回到蓄電池負(fù)極。此時(shí)兩線圈電流方向相同,在線圈磁力作用下使B-M觸點(diǎn)吸合接通,同時(shí)齒輪彈出與飛輪嚙合,蓄電池電流會(huì)直接從正極流向起動(dòng)機(jī)B+端、M端、電機(jī)本體,起動(dòng)機(jī)才開(kāi)始正常工作。若轉(zhuǎn)子與碳刷斷路將導(dǎo)致電機(jī)的電路斷路,故障表現(xiàn)為起動(dòng)機(jī)不工作,與售后故障件的故障表現(xiàn)一致。

        圖9 起動(dòng)機(jī)電器原理

        彈簧和碳刷架生銹的主要原因?yàn)樘幱诟邼癍h(huán)境或者有泥水侵入,分析碳刷材料特性若碳刷長(zhǎng)時(shí)間處于水汽環(huán)境將會(huì)膨脹變形。由于起動(dòng)機(jī)減速機(jī)構(gòu)密封良好無(wú)異常,結(jié)合減速機(jī)構(gòu)處于起動(dòng)機(jī)中部(圖5),表明碳刷架的泥水是從起動(dòng)機(jī)機(jī)殼與編織線、機(jī)殼與后蓋之間的縫隙(圖10)侵入,使彈簧和碳刷架生銹卡滯不回彈、碳刷與碳刷架卡死,最終導(dǎo)致起動(dòng)機(jī)失效。

        圖10 編織線&后蓋與機(jī)殼的縫隙

        3 改進(jìn)措施

        3.1 起動(dòng)異響和驅(qū)動(dòng)軸卡滯改進(jìn)措施

        將故障車(chē)型A與客戶群體、使用環(huán)境相類(lèi)似的同平臺(tái)式車(chē)型B對(duì)比,動(dòng)力總成離地間隙相同,如圖11和圖12所示,表明車(chē)輛涉水時(shí)起動(dòng)機(jī)遭受的泥水條件是一致的,可以借鑒車(chē)型B的設(shè)計(jì)思路。

        圖11 車(chē)型A離地間隙

        圖12 車(chē)型B離地間隙

        對(duì)比兩款起動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)齒輪、驅(qū)動(dòng)軸的原材料相同,兩者驅(qū)蓋的結(jié)構(gòu)不同,如圖13和圖14所示。

        圖13 車(chē)型A驅(qū)蓋

        圖14 車(chē)型B驅(qū)蓋

        車(chē)型A為有鼻式結(jié)構(gòu),車(chē)型B為無(wú)鼻式結(jié)構(gòu)。初步判斷驅(qū)蓋結(jié)構(gòu)差異會(huì)影響起動(dòng)機(jī)防水能力,且防水能力提高無(wú)須更換驅(qū)動(dòng)齒輪、驅(qū)動(dòng)軸的材料即可滿足使用要求。

        改進(jìn)措施為:將起動(dòng)機(jī)驅(qū)蓋結(jié)構(gòu)由有鼻式結(jié)構(gòu)更改為無(wú)鼻式結(jié)構(gòu)(起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪被動(dòng)更改為懸空外露的懸臂式結(jié)構(gòu)),同時(shí)在起動(dòng)機(jī)驅(qū)蓋與變速器結(jié)合面之間增加密封圈,以提升起動(dòng)機(jī)的防水能力。

        3.2 起動(dòng)機(jī)不工作改進(jìn)措施

        如上所述,泥水從起動(dòng)機(jī)機(jī)殼與編織線、后蓋之間的縫隙進(jìn)入導(dǎo)致彈簧和碳刷架生銹卡滯不回彈,碳刷泡水膨脹與刷架卡死是起動(dòng)機(jī)不工作的主要原因。

        針對(duì)起動(dòng)機(jī)機(jī)殼與編織線縫隙進(jìn)水,初步措施為改進(jìn)編織線工藝。原工藝為編織線穿過(guò)機(jī)殼橡膠密封塊與碳刷架連接,密封塊再用過(guò)盈配合的方式嵌入發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)殼(圖15),由于編織線表面不規(guī)則,與橡膠塊之間存在縫隙容易導(dǎo)致泥水侵入。新工藝為在密封塊上過(guò)盈配合一塊銅片,銅片一端與碳刷架焊接,另外一端與編織線焊接。由于銅片和密封塊為過(guò)盈配合,泥水無(wú)法從此處進(jìn)入起動(dòng)機(jī)內(nèi)部,如圖16所示。

        圖15 改進(jìn)前的編織線工藝

        圖16 改進(jìn)后的編織線工藝

        針對(duì)起動(dòng)機(jī)機(jī)殼與后蓋縫隙進(jìn)水,初步措施為改進(jìn)后蓋工藝。原設(shè)計(jì)方案為起動(dòng)機(jī)后蓋與機(jī)殼尾部平齊,依靠?jī)?nèi)圈凸臺(tái)防止泥水進(jìn)入,如圖17所示。

        圖17 改進(jìn)前的后蓋工藝

        由于起動(dòng)機(jī)后蓋與機(jī)殼尾部平齊,縫隙直接暴露在外,泥水多次噴濺縫隙存在侵入風(fēng)險(xiǎn)。變更后的設(shè)計(jì)方案為采用包裹結(jié)構(gòu)把機(jī)殼裹入后蓋中,兩者的縫隙被后蓋遮擋,同時(shí)在后蓋內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)虹吸槽,如圖18所示。由于后蓋與機(jī)殼的縫隙被包裹,整車(chē)涉水時(shí)泥水無(wú)法直接噴淋到縫隙上,可以有效地抵抗泥水侵入。

        圖18 改進(jìn)后的后蓋工藝

        4 措施驗(yàn)證

        為驗(yàn)證改進(jìn)措施的可行性,根據(jù)上述幾項(xiàng)措施制作了改制件。下面將改制件與庫(kù)存件進(jìn)行零部件臺(tái)架防水試驗(yàn)和整車(chē)涉水試驗(yàn),并在試驗(yàn)結(jié)束后拆解對(duì)比零件進(jìn)水情況。

        4.1 零部件臺(tái)架防水試驗(yàn)

        將改制件與庫(kù)存件進(jìn)行IPX4K防水試驗(yàn),試驗(yàn)參數(shù)為:水壓大于400 kPa,每個(gè)噴頭的流量大于0.6 L/min,托盤(pán)轉(zhuǎn)速3 r/min,噴淋時(shí)間10 min(水平放置噴淋5 min,垂直放置噴淋5 min)。零件水平放置,裝夾狀態(tài)如圖19所示。試驗(yàn)完畢后擦拭掉起動(dòng)機(jī)外殼殘留水滴,再將起動(dòng)機(jī)水平移動(dòng)到鋪有塑料膜的起動(dòng)機(jī)拆解工作臺(tái)進(jìn)行拆解,如圖20所示。拆解過(guò)程中,用針筒吸取附著在起動(dòng)機(jī)內(nèi)部的水滴,并注入量筒中測(cè)量殘留水量,如圖21和圖22所示。試驗(yàn)結(jié)果表明,改制件的殘留水量為15、10、16 mL,庫(kù)存件殘留水量為28、29、27 mL,表明更改措施可以有效地提升起動(dòng)機(jī)的防水能力。

        圖19 防水試驗(yàn)裝夾狀態(tài)

        圖20 起動(dòng)機(jī)拆解中

        圖21 針筒收集殘留水滴

        圖22 用量筒收集殘留水量

        將內(nèi)部涂有水顯試劑的改制件與庫(kù)存件進(jìn)行IPX9K高壓噴淋試驗(yàn),試驗(yàn)參數(shù):水壓為8 000~10 000 kPa,噴頭有4個(gè)角度,分別為0°、30°、60°、90°,噴頭與零件距離為150 mm,流量為16 L/min,托盤(pán)轉(zhuǎn)速為5 r/min,試驗(yàn)水溫為85 ℃,運(yùn)行時(shí)間為1 min。高壓噴淋試驗(yàn)結(jié)束后,將起動(dòng)機(jī)靜置168 h。拆解起動(dòng)機(jī),對(duì)比發(fā)現(xiàn)庫(kù)存件機(jī)殼進(jìn)水痕跡相較于改制件范圍更大,表明更改措施可以有效地提升起動(dòng)機(jī)的防水能力。

        4.2 整車(chē)涉水試驗(yàn)

        涉水試驗(yàn)在特殊路段進(jìn)行,試驗(yàn)用水槽水深150 mm、長(zhǎng)度20 m,目標(biāo)車(chē)速30 km/h,通過(guò)20 m水槽后重新回到起點(diǎn)為1個(gè)循環(huán),重復(fù)進(jìn)行100個(gè)循環(huán)。分別將3個(gè)改制件和3個(gè)庫(kù)存件搭載到試驗(yàn)車(chē)上,依次進(jìn)行整車(chē)涉水試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后拆下起動(dòng)機(jī),靜置168 h后拆解觀察進(jìn)水痕跡。觀察對(duì)比改制件和庫(kù)存件,發(fā)現(xiàn)改制件前蓋和后蓋中的泥沙明顯比庫(kù)存件少,表明更改措施可以有效地提升起動(dòng)機(jī)的防水能力。

        零部件臺(tái)架防水試驗(yàn)和整車(chē)涉水試驗(yàn)的結(jié)果表明,優(yōu)化起動(dòng)機(jī)驅(qū)蓋、編織線、后蓋設(shè)計(jì)方案可以有效提升本車(chē)型起動(dòng)機(jī)的防水能力,措施驗(yàn)證有效。

        5 結(jié)束語(yǔ)

        在此次起動(dòng)機(jī)總成質(zhì)量攻關(guān)過(guò)程中,通過(guò)問(wèn)題定義、原因分析、措施制定及措施驗(yàn)證這個(gè)解決問(wèn)題的基本模型,排查產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷,提出產(chǎn)品改進(jìn)措施并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)方案的有效性。

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