鄭勝，楊秋蘭，翟克嬌

上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007

0 引言

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，汽車作為普通消費品進入千家萬戶。整車的性能和零部件的可靠性，是廠家關(guān)注的重點，而安全可靠更是用戶對車輛評價的重要指標。動力總成作為汽車的核心部件，起動機能否正常工作將影響客戶日常用車，用戶頻繁抱怨對廠家的口碑將會造成一定的影響，甚至會引發(fā)車輛召回事件。

起動機常見失效模式有卡滯、異響、燒蝕等，涉及驅(qū)動齒輪、單向器、定子、轉(zhuǎn)子、電磁開關(guān)、碳刷等關(guān)鍵子零件的工藝和結(jié)構(gòu)。本文根據(jù)遇到的問題，對引起起動機失效的各種因素進行了分析和研究，通過逐項排查最終得出導(dǎo)致此次起動機異響卡滯、不工作的原因為產(chǎn)品防護能力不足，車輛涉水后泥水侵入起動機，累積達到一定程度后導(dǎo)致起動機故障。

1 問題定義樹

2019年某車型起動機售后換件量為253件，客戶抱怨極大，針對此問題進行了排查。

將24件售后退賠件安裝至起動機性能測試臺進行功能檢測，其中功能正常9件(占比37%)，功能異常15件(63%)。對功能異常樣件進行故障現(xiàn)象分類，通電運行過程中起動機異響5件、起動機驅(qū)動軸卡滯5件、上電后起動機不工作5件，問題定義樹如圖1所示。下面對功能異常樣件進行拆解，進一步分析失效原因。

圖1 起動機失效問題定義樹

2 原因分析

2.1 起動異響和驅(qū)動軸卡滯

拆解起動異響和驅(qū)動軸卡滯的故障件，發(fā)現(xiàn)起動機驅(qū)動軸表面有油污和泥沙(圖2)，起動機嚙合齒輪和驅(qū)動軸生銹(圖3)。還有部分起動機前驅(qū)蓋內(nèi)部布滿泥土(圖4)，但減速機構(gòu)密封良好，內(nèi)部無泥沙。

圖 2 驅(qū)動軸表面的油污和泥沙

圖3 齒輪和驅(qū)動軸的銹蝕

圖4 起動機前驅(qū)蓋的泥土

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

由于起動機減速機構(gòu)密封良好，結(jié)合減速機構(gòu)處于起動機中部(圖5)，表明前驅(qū)蓋內(nèi)部的泥水應(yīng)該是從起動機前驅(qū)蓋侵入。綜上，初步判斷起動機驅(qū)蓋防水能力不足，車輛在涉水過程中泥水侵入起動機，使得驅(qū)動軸有泥沙、嚙合齒輪與驅(qū)動軸銹蝕，最終導(dǎo)致起動機異響、驅(qū)動軸卡滯。應(yīng)對起動機驅(qū)蓋、嚙合齒輪和驅(qū)動軸進行設(shè)計變更，以提升防水及防銹蝕能力。

圖5 減速機構(gòu)位置

2.2 起動機不工作

起動機故障表現(xiàn)為通電后起動機電磁開關(guān)正常吸合，但電機不運轉(zhuǎn)，初步判斷為電機轉(zhuǎn)子卡滯或斷路。拆解故障件，用手轉(zhuǎn)動起動機轉(zhuǎn)子，發(fā)現(xiàn)起動機轉(zhuǎn)子可以在定子內(nèi)自由運轉(zhuǎn)，排除轉(zhuǎn)子和定子運轉(zhuǎn)不暢導(dǎo)致起動機不能正常工作。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)致起動機失效。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)，機殼內(nèi)部有泥沙且靠近起動機后蓋的機殼內(nèi)部銹蝕(圖8)，減速機構(gòu)密封良好無異常。

圖6 故障件轉(zhuǎn)子

圖7 故障件碳刷架

圖8 機殼內(nèi)部銹蝕

起動機在使用過程中，碳刷通過碳刷架上的彈簧與轉(zhuǎn)子保持貼合，實現(xiàn)電路導(dǎo)通。由于轉(zhuǎn)子表面不光滑，高速運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子會逐漸磨損碳刷，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，最終會導(dǎo)致電路斷開。

結(jié)合起動機電器原理(圖9)分析起動機工作原理，起動機采用負極搭鐵的方式裝配在汽車發(fā)動機或變速箱上，起動機B+接線柱與蓄電池連接，S端子與汽車點火鎖S/W連接。當點火鎖S/W接通時，電流從蓄電池正極經(jīng)點火鎖流向起動機電磁開關(guān)S端后，一支路從保持線圈H-coil搭鐵后回到蓄電池負極；二支路從吸拉線圈P-coil流入起動機M端，經(jīng)過電機本體再搭鐵回到蓄電池負極。此時兩線圈電流方向相同，在線圈磁力作用下使B-M觸點吸合接通，同時齒輪彈出與飛輪嚙合，蓄電池電流會直接從正極流向起動機B+端、M端、電機本體，起動機才開始正常工作。若轉(zhuǎn)子與碳刷斷路將導(dǎo)致電機的電路斷路，故障表現(xiàn)為起動機不工作，與售后故障件的故障表現(xiàn)一致。

圖9 起動機電器原理

彈簧和碳刷架生銹的主要原因為處于高濕環(huán)境或者有泥水侵入，分析碳刷材料特性若碳刷長時間處于水汽環(huán)境將會膨脹變形。由于起動機減速機構(gòu)密封良好無異常，結(jié)合減速機構(gòu)處于起動機中部(圖5)，表明碳刷架的泥水是從起動機機殼與編織線、機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)致起動機失效。

圖10 編織線&后蓋與機殼的縫隙

3 改進措施

3.1 起動異響和驅(qū)動軸卡滯改進措施

將故障車型A與客戶群體、使用環(huán)境相類似的同平臺式車型B對比，動力總成離地間隙相同，如圖11和圖12所示，表明車輛涉水時起動機遭受的泥水條件是一致的，可以借鑒車型B的設(shè)計思路。

圖11 車型A離地間隙

圖12 車型B離地間隙

對比兩款起動機的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)驅(qū)動齒輪、驅(qū)動軸的原材料相同，兩者驅(qū)蓋的結(jié)構(gòu)不同，如圖13和圖14所示。

圖13 車型A驅(qū)蓋

圖14 車型B驅(qū)蓋

車型A為有鼻式結(jié)構(gòu)，車型B為無鼻式結(jié)構(gòu)。初步判斷驅(qū)蓋結(jié)構(gòu)差異會影響起動機防水能力，且防水能力提高無須更換驅(qū)動齒輪、驅(qū)動軸的材料即可滿足使用要求。

改進措施為：將起動機驅(qū)蓋結(jié)構(gòu)由有鼻式結(jié)構(gòu)更改為無鼻式結(jié)構(gòu)(起動機驅(qū)動齒輪被動更改為懸空外露的懸臂式結(jié)構(gòu))，同時在起動機驅(qū)蓋與變速器結(jié)合面之間增加密封圈，以提升起動機的防水能力。

3.2 起動機不工作改進措施

如上所述，泥水從起動機機殼與編織線、后蓋之間的縫隙進入導(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機不工作的主要原因。

針對起動機機殼與編織線縫隙進水，初步措施為改進編織線工藝。原工藝為編織線穿過機殼橡膠密封塊與碳刷架連接，密封塊再用過盈配合的方式嵌入發(fā)動機機殼(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盈配合，泥水無法從此處進入起動機內(nèi)部，如圖16所示。

圖15 改進前的編織線工藝

圖16 改進后的編織線工藝

針對起動機機殼與后蓋縫隙進水，初步措施為改進后蓋工藝。原設(shè)計方案為起動機后蓋與機殼尾部平齊，依靠內(nèi)圈凸臺防止泥水進入，如圖17所示。

圖17 改進前的后蓋工藝

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

圖18 改進后的后蓋工藝

4 措施驗證

為驗證改進措施的可行性，根據(jù)上述幾項措施制作了改制件。下面將改制件與庫存件進行零部件臺架防水試驗和整車涉水試驗，并在試驗結(jié)束后拆解對比零件進水情況。

4.1 零部件臺架防水試驗

將改制件與庫存件進行IPX4K防水試驗，試驗參數(shù)為:水壓大于400 kPa，每個噴頭的流量大于0.6 L/min，托盤轉(zhuǎn)速3 r/min，噴淋時間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。試驗完畢后擦拭掉起動機外殼殘留水滴，再將起動機水平移動到鋪有塑料膜的起動機拆解工作臺進行拆解，如圖20所示。拆解過程中，用針筒吸取附著在起動機內(nèi)部的水滴，并注入量筒中測量殘留水量，如圖21和圖22所示。試驗結(jié)果表明，改制件的殘留水量為15、10、16 mL，庫存件殘留水量為28、29、27 mL，表明更改措施可以有效地提升起動機的防水能力。

圖19 防水試驗裝夾狀態(tài)

圖20 起動機拆解中

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存件進行IPX9K高壓噴淋試驗，試驗參數(shù)：水壓為8 000～10 000 kPa，噴頭有4個角度,分別為0°、30°、60°、90°，噴頭與零件距離為150 mm，流量為16 L/min，托盤轉(zhuǎn)速為5 r/min，試驗水溫為85 ℃，運行時間為1 min。高壓噴淋試驗結(jié)束后，將起動機靜置168 h。拆解起動機，對比發(fā)現(xiàn)庫存件機殼進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機的防水能力。

4.2 整車涉水試驗

涉水試驗在特殊路段進行，試驗用水槽水深150 mm、長度20 m，目標車速30 km/h，通過20 m水槽后重新回到起點為1個循環(huán)，重復(fù)進行100個循環(huán)。分別將3個改制件和3個庫存件搭載到試驗車上，依次進行整車涉水試驗。試驗結(jié)束后拆下起動機，靜置168 h后拆解觀察進水痕跡。觀察對比改制件和庫存件，發(fā)現(xiàn)改制件前蓋和后蓋中的泥沙明顯比庫存件少，表明更改措施可以有效地提升起動機的防水能力。

零部件臺架防水試驗和整車涉水試驗的結(jié)果表明，優(yōu)化起動機驅(qū)蓋、編織線、后蓋設(shè)計方案可以有效提升本車型起動機的防水能力，措施驗證有效。

5 結(jié)束語

在此次起動機總成質(zhì)量攻關(guān)過程中，通過問題定義、原因分析、措施制定及措施驗證這個解決問題的基本模型，排查產(chǎn)品設(shè)計缺陷，提出產(chǎn)品改進措施并通過試驗驗證改進方案的有效性。