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(jì)的不斷發(fā)展，汽車作為普通消費(fèi)品進(jìn)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(diǎn)，而安全可靠更是用戶對車輛評價(jià)的重要指標(biāo)。動(dòng)力總成作為汽車的核心部件，起動(dòng)機(jī)能否正常工作將影響客戶日常用車，用戶頻繁抱怨對廠家的口碑將會(huì)造成一定的影響，甚至?xí)l(fā)車輛召回事件。

起動(dòng)機(jī)常見失效模式有卡滯、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(dòng)機(jī)失效的各種因素進(jìn)行了分析和研究，通過逐項(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 問題定義樹

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

將24件售后退賠件安裝至起動(dòng)機(jī)性能測試臺(tái)進(jìn)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(jìn)行故障現(xiàn)象分類，通電運(yùn)行過程中起動(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，問題定義樹如圖1所示。下面對功能異常樣件進(jìn)行拆解，進(jìn)一步分析失效原因。

圖1 起動(dòng)機(jī)失效問題定義樹

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(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，車輛在涉水過程中泥水侵入起動(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)在使用過程中，碳刷通過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。

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

將故障車型A與客戶群體、使用環(huán)境相類似的同平臺(tái)式車型B對比，動(dòng)力總成離地間隙相同，如圖11和圖12所示，表明車輛涉水時(shí)起動(dòng)機(jī)遭受的泥水條件是一致的，可以借鑒車型B的設(shè)計(jì)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(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(huì)影響起動(dòng)機(jī)防水能力，且防水能力提高無須更換驅(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機(jī)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(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(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，依靠內(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，整車涉水時(shí)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(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。下面將改制件與庫存件進(jìn)行零部件臺(tái)架防水試驗(yàn)和整車涉水試驗(yàn)，并在試驗(yàn)結(jié)束后拆解對比零件進(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)，對比發(fā)現(xiàn)庫存件機(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、長度20 m，目標(biāo)車速30 km/h，通過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)庫存件搭載到試驗(yàn)車上，依次進(jìn)行整車涉水試驗(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(dòng)機(jī)的防水能力。

零部件臺(tái)架防水試驗(yàn)和整車涉水試驗(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型起動(dòng)機(jī)的防水能力，措施驗(yàn)證有效。

5 結(jié)束語

在此次起動(dòng)機(jī)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(yàn)證這個(gè)解決問題的基本模型，排查產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷，提出產(chǎn)品改進(jìn)措施并通過試驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)方案的有效性。