整車耐久試驗(yàn)發(fā)電機(jī)燒蝕失效機(jī)制分析

袁涌, 葉欣，張星，范韜

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司試驗(yàn)認(rèn)證部,上海 200120)

0 引言

汽車發(fā)電機(jī)作為汽車電源系統(tǒng)的主要供電裝置，為汽車點(diǎn)火系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等各大系統(tǒng)供電，尤其是智能啟停汽車技術(shù)、新能源汽車技術(shù)、電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展對發(fā)電機(jī)的依賴越來越明顯[1]。發(fā)電機(jī)在售后市場上主要的失效形式是發(fā)電機(jī)輸出電壓不穩(wěn)、發(fā)電機(jī)損壞不發(fā)電以及發(fā)電機(jī)軸承磨損異響等[2-3]。而在整車耐久腐蝕試驗(yàn)中，某款發(fā)電機(jī)卻常發(fā)生燒蝕失效，失效形式與售后表現(xiàn)不符。作者探究了該款發(fā)電機(jī)在整車耐久腐蝕試驗(yàn)中的失效機(jī)制，并給予試驗(yàn)驗(yàn)證，最后針對失效模式與試驗(yàn)方法，給出了改進(jìn)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)方法的建議。

1 發(fā)電機(jī)燒蝕失效現(xiàn)象

以某款發(fā)電機(jī)為例，一般交流發(fā)電機(jī)是由轉(zhuǎn)子、定子、整流器、風(fēng)扇葉輪等組成[3]，如圖1所示。在整車耐久試驗(yàn)中，如果不帶腐蝕，發(fā)電機(jī)不會(huì)發(fā)生燒蝕失效；而如果帶腐蝕試驗(yàn)(腐蝕試驗(yàn)主要包括鹽水侵入、鹽霧噴灑、高溫高濕環(huán)境艙等)，則發(fā)電機(jī)會(huì)頻繁失效。

發(fā)電機(jī)的主要失效形式有兩種：一種是定子與轉(zhuǎn)子卡死，另一種是發(fā)電機(jī)內(nèi)部線圈絕緣層融化且燒蝕。對于第一種失效形式，主要出現(xiàn)在試驗(yàn)車輛經(jīng)過腐蝕之后，由于其他原因長時(shí)間未啟動(dòng)，定轉(zhuǎn)子線圈腐蝕膨脹導(dǎo)致。這種失效模式出現(xiàn)比較少。而絕大多數(shù)的失效模式是第二種，駕駛員在行車過程中突然發(fā)現(xiàn)蓄電池故障燈會(huì)點(diǎn)亮，在車內(nèi)會(huì)聞到焦糊味，發(fā)電機(jī)不發(fā)電，拆解下來的燒蝕失效的發(fā)電機(jī)見圖2。

圖1 某款發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖

圖2 發(fā)電機(jī)燒蝕

發(fā)電機(jī)在耐久試驗(yàn)中的失效里程分布如圖3所示，它顯示了某款發(fā)電機(jī)在不同車型上的失效里程情況。可知：失效里程主要集中在1 000～25 000 km的試驗(yàn)里程，但也存在早期失效(1 000 km以下)或者長期失效(25 000 km以上)。而在1 000～25 000 km中的分布情況也相對均勻，這表明了發(fā)電機(jī)失效里程的一定的隨機(jī)性。

圖3 發(fā)電機(jī)失效里程分布

2 根本原因分析

從上面的分析來看，發(fā)電機(jī)的失效可能并非受到單一因素影響。為了找出發(fā)電機(jī)失效的主要原因，圖4分析了可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)失效的現(xiàn)象和潛在失效原因。

圖4 發(fā)電機(jī)失效根本原因分析

發(fā)電機(jī)第一種失效的原因非常清楚，腐蝕車輛長期停放導(dǎo)致定、轉(zhuǎn)子線圈腐蝕膨脹，進(jìn)而定、轉(zhuǎn)子咬死。而絕大多數(shù)失效是定子線圈絕緣層融化且燒蝕。發(fā)電機(jī)正常工作溫度在200 ℃以內(nèi)，超過200 ℃以上線圈絕緣層迅速融化，所以異常高溫是導(dǎo)致該類失效的直接因素。而高溫產(chǎn)生的可能性有兩種:(1)鹽顆粒進(jìn)入定、轉(zhuǎn)子線圈而磨損表面涂層產(chǎn)生高溫；(2)發(fā)電機(jī)先短路，然后產(chǎn)生了短路高溫。為了驗(yàn)證整車試驗(yàn)中的發(fā)電機(jī)升溫情況以及判斷異常高溫來源，下面設(shè)計(jì)了2種試驗(yàn)來證實(shí)與判斷。

2.1 整車耐久腐蝕發(fā)電機(jī)溫升試驗(yàn)

為了跟蹤全過程耐久試驗(yàn)的發(fā)電機(jī)溫度，將熱電偶埋于發(fā)電機(jī)內(nèi)部，將溫度信號與CAN總線信號通過4G技術(shù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)胶笈_(tái)，實(shí)現(xiàn)全過程發(fā)電機(jī)溫度跟蹤。試驗(yàn)策略如圖5所示。

裝載相同發(fā)電機(jī)的兩輛某相同車型，同時(shí)開始試驗(yàn)，裝發(fā)電機(jī)1的車輛執(zhí)行耐久腐蝕試驗(yàn)(主要工況為壞路、高速、腐蝕試驗(yàn)、坡道等)，裝發(fā)電機(jī)2的車輛執(zhí)行不帶腐蝕的整車耐久試驗(yàn)。兩輛車的工況完全相同，通過熱電偶記錄發(fā)電機(jī)各個(gè)工況下的溫度，利用遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)將車輛的工況數(shù)據(jù)予以記錄，試驗(yàn)直至任一發(fā)電機(jī)損壞為止。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖5 發(fā)電機(jī)溫升試驗(yàn)對比方法

發(fā)電機(jī)型號試驗(yàn)規(guī)范試驗(yàn)里程試驗(yàn)時(shí)間是否失效鹽濺路次數(shù)發(fā)電機(jī)1整車耐久腐蝕試驗(yàn)5600km14天是42次發(fā)電機(jī)2整車耐久試驗(yàn)5600km14天否NA

兩個(gè)發(fā)電機(jī)經(jīng)過14天的試驗(yàn)，發(fā)電機(jī)1燒蝕，發(fā)電機(jī)2正常工作。圖6對比了兩個(gè)試驗(yàn)的發(fā)電機(jī)全過程的試驗(yàn)溫度分布：發(fā)電機(jī)2的溫度分布整體穩(wěn)定，趨近正態(tài)分布，主要分布在60～120 ℃之間，屬于正常工作溫度；發(fā)電機(jī)1的溫度整體趨向相對較高的偏態(tài)分布，主要分布在60～160 ℃之間，并在失效的時(shí)刻達(dá)到了300 ℃，最終導(dǎo)致發(fā)電機(jī)燒蝕。

圖6 發(fā)電機(jī)整車溫升試驗(yàn)溫度對比

而結(jié)合車輛工況和發(fā)電機(jī)的溫度數(shù)據(jù)來看，當(dāng)車輛進(jìn)入低速工況的時(shí)候，發(fā)電機(jī)的溫度顯著升高，而在車輛以中高速行駛的過程中，發(fā)電機(jī)的溫度在下降。圖7顯示了兩個(gè)發(fā)電機(jī)在低速工況下的日均溫升情況。從結(jié)果來看，發(fā)電機(jī)1和發(fā)電機(jī)2在試驗(yàn)初期低速工況下溫升處于相對穩(wěn)定且是同一個(gè)水平。但是隨試驗(yàn)時(shí)間的增加，尤其是第12天之后，發(fā)電機(jī)1的溫度在低速工況下顯著升高。

圖7 整車低速工況下發(fā)電機(jī)的溫升情況

對比兩種試驗(yàn)工況可知：不帶腐蝕的耐久試驗(yàn)，發(fā)電機(jī)可以跑完整個(gè)試驗(yàn)而不發(fā)生失效，所以腐蝕工況是發(fā)電機(jī)是否失效的前提條件；而腐蝕試驗(yàn)中，發(fā)電機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)也同樣有鹽霧噴灑試驗(yàn)，并且發(fā)電機(jī)能夠通過臺(tái)架試驗(yàn)；但是車輛快速通過鹽濺路所濺起的大量鹽水會(huì)侵入發(fā)電機(jī)內(nèi)部而積累大量鹽顆粒。所以可以判斷為鹽水入侵產(chǎn)生高溫，從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)失效。為了進(jìn)一步判斷鹽水侵入和產(chǎn)生高溫之間的關(guān)系，需要進(jìn)一步用臺(tái)架試驗(yàn)加以驗(yàn)證。

2.2 發(fā)電機(jī)鹽水侵入臺(tái)架試驗(yàn)

為了探索發(fā)電機(jī)失效的原因是發(fā)電機(jī)短路導(dǎo)致的高溫失效，還是發(fā)電機(jī)內(nèi)部鹽顆粒摩擦產(chǎn)生高溫致使絕緣層融化線圈短路導(dǎo)致的失效，需要設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)架，并布置熱電偶和電壓檢測裝置。臺(tái)架試驗(yàn)的核心是判斷高溫和短路哪一個(gè)現(xiàn)象先于對方發(fā)生。

如圖8所示：電動(dòng)機(jī)1通過皮帶2帶動(dòng)發(fā)電機(jī)4轉(zhuǎn)動(dòng)，用于模擬發(fā)電機(jī)通過皮帶被發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)；水泵5將鹽水槽6的鹽水泵出，通過鹽水噴頭3噴鹽水給發(fā)電機(jī)4；發(fā)電機(jī)4產(chǎn)生的電流被負(fù)載8所消耗。發(fā)電機(jī)置于環(huán)境艙7中，用于模擬整車發(fā)動(dòng)機(jī)艙的溫度。發(fā)電機(jī)鹽水侵入臺(tái)架試驗(yàn)現(xiàn)場如圖9所示。試驗(yàn)條件見表2。

臺(tái)架試驗(yàn)條件的參數(shù)設(shè)置原則是模擬整車保持低速行駛，然后每隔固定間隔時(shí)間通過鹽濺路工況。加載上述試驗(yàn)條件之后，發(fā)電機(jī)溫度變化過程如圖10所示，正常溫度基本穩(wěn)定在104 ℃左右，當(dāng)鹽水噴灑上發(fā)電機(jī)(圖中t=2.5 h附近)，發(fā)電機(jī)溫度迅速降低至60 ℃左右，然后緩慢升至原溫度。

圖8 發(fā)電機(jī)鹽水侵入臺(tái)架試驗(yàn)原理圖

圖9 發(fā)電機(jī)鹽水侵入臺(tái)架試驗(yàn)

臺(tái)架試驗(yàn)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定值電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速/(r·min-1)2000負(fù)載電流/A70環(huán)境艙溫度/℃70鹽水噴灑頻率/(次·天-1)3鹽水噴灑間隔時(shí)間/h2.5噴灑鹽水持續(xù)時(shí)間/s2

圖10 發(fā)電機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)溫度變化

在上述過程中，發(fā)電機(jī)溫度按照圖10不斷重復(fù)，所測的電壓信號始終正常。經(jīng)過14天的試驗(yàn)，發(fā)電機(jī)燒蝕，發(fā)電機(jī)失效時(shí)刻的發(fā)電機(jī)溫度和電壓信號對比如圖11所示。

圖11 發(fā)電機(jī)失效時(shí)刻溫度和電壓信號對比

由圖11可以看出：在試驗(yàn)時(shí)間t=114.52 h左右(途中虛線處)，交流電壓信號開始波動(dòng)，此時(shí)表明發(fā)電機(jī)已經(jīng)開始間歇性短路，而此時(shí)對應(yīng)的發(fā)電機(jī)溫度則為90 ℃，沒有達(dá)到發(fā)電機(jī)內(nèi)部線圈絕緣層融化的溫度，并且從溫度的變化斜率來看，發(fā)電機(jī)開始短路的時(shí)刻前后發(fā)電機(jī)溫升的斜率有著明顯的不同，這表明發(fā)電機(jī)鹽水入侵失效，最根本的失效原因是發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路，而高溫是發(fā)電機(jī)短路產(chǎn)生的附屬現(xiàn)象。

2.3 整車試驗(yàn)與臺(tái)架試驗(yàn)發(fā)電機(jī)拆解對比

發(fā)電機(jī)在整車耐久腐蝕試驗(yàn)和臺(tái)架鹽水入侵試驗(yàn)下，同樣經(jīng)歷14天的試驗(yàn)時(shí)間，發(fā)電機(jī)都產(chǎn)生了失效，通過兩種試驗(yàn)，明確了發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路是發(fā)電機(jī)失效的根本原因。為了進(jìn)一步明確何種內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了短路，以及驗(yàn)證兩種試驗(yàn)的發(fā)電機(jī)是同一種失效模式，需要對兩種試驗(yàn)下失效的發(fā)電機(jī)進(jìn)行拆解，拆解實(shí)圖如圖12所示。

圖12 失效發(fā)電機(jī)拆解對比

從拆解圖中看出：兩個(gè)失效的發(fā)電機(jī)同樣都是整流橋的正極位置產(chǎn)生了燒蝕或者銅綠，整流橋的電路已經(jīng)短路，而正極表面與發(fā)電機(jī)殼體負(fù)極的間隙不足2 mm，表面和附近都積攢了大量鹽顆粒，說明此處正是發(fā)電機(jī)短路的位置。發(fā)電機(jī)在高溫下被鹽水入侵，鹽水在高溫下迅速蒸發(fā)，而鹽顆粒不斷積累在發(fā)電機(jī)整流橋的較小間隙處。當(dāng)鹽顆粒不斷填滿間隙或者鹽水入侵的瞬間，在整流橋正極和發(fā)電機(jī)殼體負(fù)極處產(chǎn)生了短路，短路產(chǎn)生了高溫，高溫進(jìn)一步融化內(nèi)部線圈絕緣層，加劇了發(fā)電機(jī)失效的速度。

3 發(fā)電機(jī)短路失效解決措施建議

從根本原因分析來看，該發(fā)電機(jī)有此類短路失效，直接原因是鹽水入侵，根本原因是發(fā)電機(jī)整流橋與殼體的間隙太小，容易累積鹽粒。解決方式可以在兩者之間增加絕緣涂層或者絕緣結(jié)構(gòu)[4]，如圖13所示。

圖13 發(fā)電機(jī)加涂層整流橋

考核發(fā)電機(jī)的試驗(yàn)方式應(yīng)該側(cè)重發(fā)電機(jī)的防鹽水短路特性。目前臺(tái)架試驗(yàn)只有鹽霧噴灑試驗(yàn)或者清水入侵實(shí)驗(yàn)，沒有環(huán)境溫度的影響，也沒有鹽水的侵入，都無法復(fù)現(xiàn)整車耐久腐蝕試驗(yàn)中的腐蝕短路問題。

為了在開發(fā)過程中早期發(fā)現(xiàn)問題，應(yīng)該改進(jìn)發(fā)電機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的方式，除了發(fā)電機(jī)現(xiàn)有的性能試驗(yàn)，還需要增加高溫、高濕和高鹽的試驗(yàn)考核方式，用于覆蓋中國最嚴(yán)苛的用戶使用環(huán)境。發(fā)電機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)需要增加如圖14所示的試驗(yàn)認(rèn)證方式。

圖14 發(fā)電機(jī)腐蝕試驗(yàn)認(rèn)證方式

發(fā)電機(jī)應(yīng)該通過鹽水侵入臺(tái)架試驗(yàn)、整車耐久腐蝕試驗(yàn)以及海南夏季試驗(yàn)的考核。而整車耐久腐蝕試驗(yàn)中的濕度、溫度與鹽度應(yīng)該覆蓋實(shí)際的嚴(yán)苛的客戶使用；鹽水入侵臺(tái)架試驗(yàn)條件應(yīng)該由整車對發(fā)電機(jī)的工況輸入；最后，根據(jù)各項(xiàng)試驗(yàn)的結(jié)果對發(fā)電機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

4 結(jié)論

(1)總結(jié)了某款發(fā)電機(jī)在整車耐久腐蝕試驗(yàn)中的失效現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)了過早燒蝕失效，且與試驗(yàn)里程關(guān)系不大。

(2)對比了不帶腐蝕和帶腐蝕的整車耐久試驗(yàn)的發(fā)電機(jī)溫升情況，結(jié)果表明：在腐蝕的輸入下，發(fā)電機(jī)失效前溫度明顯升高。

(3)按照整車試驗(yàn)輸入，設(shè)計(jì)了鹽水侵入臺(tái)架試驗(yàn)，同時(shí)檢測發(fā)電機(jī)電壓和溫升信號，結(jié)果表明：發(fā)電機(jī)短路在前，顯

著溫升在后，是短路引起了高溫。

(4)拆解了整車耐久腐蝕試驗(yàn)和鹽水侵入臺(tái)架試驗(yàn)的失效發(fā)電機(jī)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：兩者的失效模式都是整流橋短路且燒蝕。

(5)最后，給出了發(fā)電機(jī)優(yōu)化方法，并驗(yàn)證了該優(yōu)化方法的可靠性。給出了發(fā)電機(jī)應(yīng)該增加的考核體系建議。

參考文獻(xiàn):

[1]陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京：人民交通出版社，2005.

[2]周鉉,張奇峰.汽車發(fā)電機(jī)的可靠性建模與分析[J].中國工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2013,11(1)：31-35.

ZHOU X,ZHANG Q F.Reliability Modeling and Analysis on Automotive Alternators[J].Chinese Journal of Construction Machinery,2013,11(1)：31-35.

[3]徐立金,董翠.汽車發(fā)電機(jī)防泥水技術(shù)的研究[J].中小企業(yè)管理與科技，2015(26)：280.

[4]何玲.汽車發(fā)電機(jī)整流電路故障分析及應(yīng)急處理[J].兵工自動(dòng)化，2006,25(7)：82-83.

HE L.Malfunction Analysis and Urgency Solution of Automobile Alternator Rectifier Circuitry[J].Ordnance Industry Automation,2006,25(7)：82-83.

[5]樊曉玲,邱俠,拾景華,等.怎樣提高交流發(fā)電機(jī)用整流橋可靠性[J].汽車電器,2010(2):6-8.

FAN X L,QIU X,SHI J H,et al.How to Improve the Reliability of Rectifier for Alternator[J].Auto Electric Parts,2010(2):6-8.