發(fā)電機(jī)常見故障之可靠性設(shè)計(jì)

陳思超

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

發(fā)電機(jī)負(fù)擔(dān)著整個(gè)汽車電器系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)電噴系統(tǒng)的用電，是保證汽車正常運(yùn)行的重要零件。據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)電機(jī)市場(chǎng)故障率在300 r/min～500 r/min之間，不但造成市場(chǎng)損失也影響汽車廠口碑。發(fā)電機(jī)正常工作受電瓶電壓、線路連接、皮帶張力影響，其自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，因此，要降低市場(chǎng)發(fā)電機(jī)故障，在排除外部影響，防止發(fā)生誤判件的同時(shí)也要對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)部零部件采取針對(duì)性的措施，進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)。

1 常見故障模式及外部原因

根據(jù)多平臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)、市場(chǎng)上關(guān)于發(fā)電機(jī)的質(zhì)量問題分析以及與各發(fā)電機(jī)廠家的技術(shù)交流，市場(chǎng)上發(fā)電機(jī)常見故障模式主要是不發(fā)電和異響。發(fā)電機(jī)工作示意電路圖如圖1所示，發(fā)電機(jī)整機(jī)布置示意圖如圖2所示，根據(jù)分析，造成故障的發(fā)電機(jī)外部原因如下。

圖1 發(fā)電機(jī)工作示意電路

圖2 發(fā)電機(jī)整機(jī)布置示意

1.1 電瓶電壓低

電瓶老化、冬季溫度低、汽車長(zhǎng)時(shí)間放置等均可能導(dǎo)致電池電壓低于起動(dòng)機(jī)工作電壓，造成車輛無法啟動(dòng)，誤判為發(fā)電機(jī)不發(fā)電。

1.2 線路連接異常

連接部件蓄電池接線螺母、發(fā)電機(jī)B+端螺母、車身接地螺母等松動(dòng)，接插件未裝配到位、針腳歪斜，保險(xiǎn)絲熔斷，連接金屬表面采用了影響導(dǎo)電的達(dá)克羅鍍層等原因均會(huì)影響線路的正常連通。

1.3 皮帶張力不足

發(fā)電機(jī)依靠皮帶傳遞的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力旋轉(zhuǎn)，張緊器使皮帶的張緊力保持在設(shè)計(jì)規(guī)定的范圍內(nèi)。張緊器失效、皮帶異常磨損等導(dǎo)致皮帶張力不足出現(xiàn)皮帶打滑，造成不發(fā)電、異響等問題。

導(dǎo)致故障的發(fā)電機(jī)本體原因主要包括進(jìn)泥水、電子元器件失效、軸承電蝕異響、AID輪耐久異響。本文主要針對(duì)汽車發(fā)電機(jī)本體故障的可靠性設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，相關(guān)設(shè)計(jì)方法已在部分量產(chǎn)車型上得到較充分的市場(chǎng)驗(yàn)證。

2 故障規(guī)避之可靠性設(shè)計(jì)

2.1 針對(duì)進(jìn)泥水的可靠性設(shè)計(jì)

泥水進(jìn)入會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)B+接線柱、接插件、定轉(zhuǎn)子、軸承等處產(chǎn)生銹蝕，造成電路連接接觸不良、異響等故障。

針對(duì)進(jìn)泥水的可靠性設(shè)計(jì)主要包括發(fā)電機(jī)布置在發(fā)動(dòng)機(jī)前端靠上位置，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙底部增加護(hù)板；發(fā)電機(jī)殼體增加排水孔，并且要確保在裝車狀態(tài)下，排水孔豎直朝下，以便于排水；接插件采用防水接插件，防止泥水沿著線束浸濕接插件引發(fā)接插件銹蝕、接觸不良、短路等故障；B+接線柱表面采用優(yōu)質(zhì)鍍鋅防腐蝕。

2.2 針對(duì)電子元器件失效的可靠性設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)內(nèi)部電子元器件主要失效的部件為單功能芯片、二極管、陶瓷基板。

單功能芯片如AR0102型號(hào)芯片，對(duì)外部異常情況導(dǎo)致B+L端短路產(chǎn)生的大電流無限制保護(hù)功能，熱堆積造成芯片損壞；發(fā)電機(jī)普遍使用雪崩二極管，其箝位電壓功能，可以保護(hù)整車用電設(shè)備不會(huì)被異常高壓擊穿燒毀，但B+端虛接等外部高壓脈沖能量超過雪崩二極管承受能量時(shí)，雪崩二極管就會(huì)永久擊穿無法恢復(fù)，雪崩二極管抗浪涌圖如圖3所示；陶瓷基板采用的導(dǎo)電材料是銀漿料，該漿料須經(jīng)過800 ℃～900 ℃高溫?zé)Y(jié)才能有效固化在基板上，燒結(jié)后會(huì)留存一定量的單質(zhì)銀，而單質(zhì)銀穩(wěn)定性極差，很容易與空氣中的硫發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成硫化銀，造成斷路。

圖3 雪崩二極管抗浪涌

針對(duì)電子元器件失效的可靠性設(shè)計(jì)主要包括使用AR1303芯片，當(dāng)進(jìn)入電流超過設(shè)計(jì)值時(shí)，線路臨時(shí)斷開，避免芯片損傷，芯片試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)如表1所示；B+端使用帶有自鎖功能的螺母、B+打緊力矩由14 Nm～15 Nm增加至18 Nm～20 Nm防止虛接；整車增加低于雪崩二極管承受能力的防高壓保險(xiǎn)絲；對(duì)于14 V汽車系統(tǒng)，使用24 V～32 V中伏雪崩二極管代替原低伏雪崩二極管，提高其抗浪涌能力；采用鋁基板，其導(dǎo)電材料是高純度銅料，而單質(zhì)銅其化學(xué)穩(wěn)定性較單質(zhì)銀強(qiáng)，不會(huì)與硫直接產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)形成硫化銅，解決硫化銀造成的斷路問題，鋁基板圖如圖4所示。

表1 芯片試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)

圖4 鋁基板

2.3 針對(duì)軸承電蝕異響的可靠性設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)、帶輪載荷、鋼球在滾道面滑動(dòng)等產(chǎn)生的氫離子在軸承旋轉(zhuǎn)過程中，吸附在軸承油脂內(nèi)，氫離子進(jìn)一步侵入集中作用于滾道下應(yīng)力集中部位，生成白色組織，軸承內(nèi)外圈、鋼珠出現(xiàn)電蝕剝落，軸承氫離子侵入示意圖如圖5所示，電蝕失效圖如圖6所示。

圖5 軸承氫離子侵入示意

圖6 電蝕失效

針對(duì)軸承電蝕異響的可靠性設(shè)計(jì)主要包括使用HAB型號(hào)油脂替換HA1型號(hào)油脂，增強(qiáng)其導(dǎo)電性；增加軸承尺寸，降低軸承接觸面壓；選擇合適游隙，軸承使用CM電機(jī)專用游隙；使用OAP或OAD輪和彈性皮帶，減小皮帶張力，降低振動(dòng)。

2.4 針對(duì)AID輪耐久異響的可靠性設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)使用AID超越皮帶輪來減少前端輪系共振異響，其離合單元是實(shí)現(xiàn)本身的慣性扭矩和曲軸的旋轉(zhuǎn)波動(dòng)隔離開的核心零部件，AID輪內(nèi)部零件圖如圖7所示。在發(fā)動(dòng)機(jī)加速、減速過程中，滾針反復(fù)碾壓外軸套，初期外軸承與滾針接觸內(nèi)側(cè)出現(xiàn)壓痕、潤(rùn)滑膜被破壞，進(jìn)而滾針滾動(dòng)時(shí)出現(xiàn)輕微金屬撞擊的異響聲，外軸承實(shí)物圖如圖8所示；中期外軸承內(nèi)圈工作區(qū)域、限位區(qū)域材料被碾平，金屬撞擊的異響聲更加明顯；后期滾針發(fā)藍(lán)、離合支架融化，離合單元徹底喪失閉鎖功能，AID離合單元失效圖如圖9所示。

圖7 AID輪內(nèi)部零件

圖8 外軸承實(shí)物

圖9 AID離合單元失效

針對(duì)AID輪耐久異響的可靠性設(shè)計(jì)主要包括外軸套使用BJS15C材料代替原1010 SAE材料，提高芯部硬度；外軸套表面進(jìn)行滲碳熱處理；滾針數(shù)量由20個(gè)增加到25個(gè)，分散碾壓應(yīng)力。

3 結(jié)論

市場(chǎng)出現(xiàn)不發(fā)電、異響問題，首先需排查電瓶電壓、線路連接、皮帶張力是否異常，在確認(rèn)發(fā)電機(jī)外部影響因素?zé)o問題后，鎖定故障原因?yàn)榘l(fā)電機(jī)，然后進(jìn)一步分析出發(fā)電機(jī)本體失效零部件，最后針對(duì)失效零部件進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化。不同車型市場(chǎng)批量售后表現(xiàn)顯示，使用上述可靠性優(yōu)化措施可有效降低汽車發(fā)電機(jī)不發(fā)電和異響問題，故障率下降40%以上，提升了顧客對(duì)車輛質(zhì)量的滿意度。