某车型起动机失效问题解决方法

郑胜，杨秋兰，翟克娇

上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545007

0 引言

随着经济的不断发展，汽车作为普通消费品进入千家万户。整车的性能和零部件的可靠性，是厂家关注的重点，而安全可靠更是用户对车辆评价的重要指标。动力总成作为汽车的核心部件，起动机能否正常工作将影响客户日常用车，用户频繁抱怨对厂家的口碑将会造成一定的影响，甚至会引发车辆召回事件。

起动机常见失效模式有卡滞、异响、烧蚀等，涉及驱动齿轮、单向器、定子、转子、电磁开关、碳刷等关键子零件的工艺和结构。本文根据遇到的问题，对引起起动机失效的各种因素进行了分析和研究，通过逐项排查最终得出导致此次起动机异响卡滞、不工作的原因为产品防护能力不足，车辆涉水后泥水侵入起动机，累积达到一定程度后导致起动机故障。

1 问题定义树

2019年某车型起动机售后换件量为253件，客户抱怨极大，针对此问题进行了排查。

将24件售后退赔件安装至起动机性能测试台进行功能检测，其中功能正常9件(占比37%)，功能异常15件(63%)。对功能异常样件进行故障现象分类，通电运行过程中起动机异响5件、起动机驱动轴卡滞5件、上电后起动机不工作5件，问题定义树如图1所示。下面对功能异常样件进行拆解，进一步分析失效原因。

图1 起动机失效问题定义树

2 原因分析

2.1 起动异响和驱动轴卡滞

拆解起动异响和驱动轴卡滞的故障件，发现起动机驱动轴表面有油污和泥沙(图2)，起动机啮合齿轮和驱动轴生锈(图3)。还有部分起动机前驱盖内部布满泥土(图4)，但减速机构密封良好，内部无泥沙。

图 2 驱动轴表面的油污和泥沙

图3 齿轮和驱动轴的锈蚀

图4 起动机前驱盖的泥土

用手转动起动机转子，发现起动机转子可以在定子内自由运转，排除转子和定子运转不畅导致异响和卡滞。转子换向器表面无异常划痕，碳刷接触面光滑无异常，排除转子和碳刷摩擦产生异响。清洗掉驱动轴上的油污和泥沙并更换锈蚀的啮合齿轮和驱动轴，重新组装故障件进行功能检查，异响和卡滞现象消除，零件功能正常。表明起动机驱动轴附着泥沙、啮合齿轮及驱动轴生锈，是导致起动机异响、卡滞的直接原因。

由于起动机减速机构密封良好，结合减速机构处于起动机中部(图5)，表明前驱盖内部的泥水应该是从起动机前驱盖侵入。综上，初步判断起动机驱盖防水能力不足，车辆在涉水过程中泥水侵入起动机，使得驱动轴有泥沙、啮合齿轮与驱动轴锈蚀，最终导致起动机异响、驱动轴卡滞。应对起动机驱盖、啮合齿轮和驱动轴进行设计变更，以提升防水及防锈蚀能力。

图5 减速机构位置

2.2 起动机不工作

起动机故障表现为通电后起动机电磁开关正常吸合，但电机不运转，初步判断为电机转子卡滞或断路。拆解故障件，用手转动起动机转子，发现起动机转子可以在定子内自由运转，排除转子和定子运转不畅导致起动机不能正常工作。转子表面绝缘漆完好(图6),各绕组可以正常导通，排除转子短路导致起动机失效。碳刷架表面有泥水痕迹，弹簧和碳刷架生锈卡滞不回弹，碳刷膨胀变形与刷架卡死(图7)，机壳内部有泥沙且靠近起动机后盖的机壳内部锈蚀(图8)，减速机构密封良好无异常。

图6 故障件转子

图7 故障件碳刷架

图8 机壳内部锈蚀

起动机在使用过程中，碳刷通过碳刷架上的弹簧与转子保持贴合，实现电路导通。由于转子表面不光滑，高速运转的转子会逐渐磨损碳刷，但由于弹簧力的作用碳刷始终保持与转子处于贴合状态。故障件弹簧生锈不回弹，碳刷与碳刷架卡死，弹簧不能将磨损后的碳刷推出与转子正常贴合，最终会导致电路断开。

结合起动机电器原理(图9)分析起动机工作原理，起动机采用负极搭铁的方式装配在汽车发动机或变速箱上，起动机B+接线柱与蓄电池连接，S端子与汽车点火锁S/W连接。当点火锁S/W接通时，电流从蓄电池正极经点火锁流向起动机电磁开关S端后，一支路从保持线圈H-coil搭铁后回到蓄电池负极；二支路从吸拉线圈P-coil流入起动机M端，经过电机本体再搭铁回到蓄电池负极。此时两线圈电流方向相同，在线圈磁力作用下使B-M触点吸合接通，同时齿轮弹出与飞轮啮合，蓄电池电流会直接从正极流向起动机B+端、M端、电机本体，起动机才开始正常工作。若转子与碳刷断路将导致电机的电路断路，故障表现为起动机不工作，与售后故障件的故障表现一致。

图9 起动机电器原理

弹簧和碳刷架生锈的主要原因为处于高湿环境或者有泥水侵入，分析碳刷材料特性若碳刷长时间处于水汽环境将会膨胀变形。由于起动机减速机构密封良好无异常，结合减速机构处于起动机中部(图5)，表明碳刷架的泥水是从起动机机壳与编织线、机壳与后盖之间的缝隙(图10)侵入，使弹簧和碳刷架生锈卡滞不回弹、碳刷与碳刷架卡死，最终导致起动机失效。

图10 编织线&后盖与机壳的缝隙

3 改进措施

3.1 起动异响和驱动轴卡滞改进措施

将故障车型A与客户群体、使用环境相类似的同平台式车型B对比，动力总成离地间隙相同，如图11和图12所示，表明车辆涉水时起动机遭受的泥水条件是一致的，可以借鉴车型B的设计思路。

图11 车型A离地间隙

图12 车型B离地间隙

对比两款起动机的结构，发现驱动齿轮、驱动轴的原材料相同，两者驱盖的结构不同，如图13和图14所示。

图13 车型A驱盖

图14 车型B驱盖

车型A为有鼻式结构，车型B为无鼻式结构。初步判断驱盖结构差异会影响起动机防水能力，且防水能力提高无须更换驱动齿轮、驱动轴的材料即可满足使用要求。

改进措施为：将起动机驱盖结构由有鼻式结构更改为无鼻式结构(起动机驱动齿轮被动更改为悬空外露的悬臂式结构)，同时在起动机驱盖与变速器结合面之间增加密封圈，以提升起动机的防水能力。

3.2 起动机不工作改进措施

如上所述，泥水从起动机机壳与编织线、后盖之间的缝隙进入导致弹簧和碳刷架生锈卡滞不回弹，碳刷泡水膨胀与刷架卡死是起动机不工作的主要原因。

针对起动机机壳与编织线缝隙进水，初步措施为改进编织线工艺。原工艺为编织线穿过机壳橡胶密封块与碳刷架连接，密封块再用过盈配合的方式嵌入发动机机壳(图15)，由于编织线表面不规则，与橡胶块之间存在缝隙容易导致泥水侵入。新工艺为在密封块上过盈配合一块铜片，铜片一端与碳刷架焊接，另外一端与编织线焊接。由于铜片和密封块为过盈配合，泥水无法从此处进入起动机内部，如图16所示。

图15 改进前的编织线工艺

图16 改进后的编织线工艺

针对起动机机壳与后盖缝隙进水，初步措施为改进后盖工艺。原设计方案为起动机后盖与机壳尾部平齐，依靠内圈凸台防止泥水进入，如图17所示。

图17 改进前的后盖工艺

由于起动机后盖与机壳尾部平齐，缝隙直接暴露在外，泥水多次喷溅缝隙存在侵入风险。变更后的设计方案为采用包裹结构把机壳裹入后盖中，两者的缝隙被后盖遮挡，同时在后盖内侧设计虹吸槽，如图18所示。由于后盖与机壳的缝隙被包裹，整车涉水时泥水无法直接喷淋到缝隙上，可以有效地抵抗泥水侵入。

图18 改进后的后盖工艺

4 措施验证

为验证改进措施的可行性，根据上述几项措施制作了改制件。下面将改制件与库存件进行零部件台架防水试验和整车涉水试验，并在试验结束后拆解对比零件进水情况。

4.1 零部件台架防水试验

将改制件与库存件进行IPX4K防水试验，试验参数为:水压大于400 kPa，每个喷头的流量大于0.6 L/min，托盘转速3 r/min，喷淋时间10 min(水平放置喷淋5 min，垂直放置喷淋5 min)。零件水平放置，装夹状态如图19所示。试验完毕后擦拭掉起动机外壳残留水滴，再将起动机水平移动到铺有塑料膜的起动机拆解工作台进行拆解，如图20所示。拆解过程中，用针筒吸取附着在起动机内部的水滴，并注入量筒中测量残留水量，如图21和图22所示。试验结果表明，改制件的残留水量为15、10、16 mL，库存件残留水量为28、29、27 mL，表明更改措施可以有效地提升起动机的防水能力。

图19 防水试验装夹状态

图20 起动机拆解中

图21 针筒收集残留水滴

图22 用量筒收集残留水量

将内部涂有水显试剂的改制件与库存件进行IPX9K高压喷淋试验，试验参数：水压为8 000～10 000 kPa，喷头有4个角度,分别为0°、30°、60°、90°，喷头与零件距离为150 mm，流量为16 L/min，托盘转速为5 r/min，试验水温为85 ℃，运行时间为1 min。高压喷淋试验结束后，将起动机静置168 h。拆解起动机，对比发现库存件机壳进水痕迹相较于改制件范围更大，表明更改措施可以有效地提升起动机的防水能力。

4.2 整车涉水试验

涉水试验在特殊路段进行，试验用水槽水深150 mm、长度20 m，目标车速30 km/h，通过20 m水槽后重新回到起点为1个循环，重复进行100个循环。分别将3个改制件和3个库存件搭载到试验车上，依次进行整车涉水试验。试验结束后拆下起动机，静置168 h后拆解观察进水痕迹。观察对比改制件和库存件，发现改制件前盖和后盖中的泥沙明显比库存件少，表明更改措施可以有效地提升起动机的防水能力。

零部件台架防水试验和整车涉水试验的结果表明，优化起动机驱盖、编织线、后盖设计方案可以有效提升本车型起动机的防水能力，措施验证有效。

5 结束语

在此次起动机总成质量攻关过程中，通过问题定义、原因分析、措施制定及措施验证这个解决问题的基本模型，排查产品设计缺陷，提出产品改进措施并通过试验验证改进方案的有效性。