發電機常見故障之可靠性設計

陳思超

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

發電機負擔著整個汽車電器系統和發動機電噴系統的用電，是保證汽車正常運行的重要零件。據統計，發電機市場故障率在300 r/min～500 r/min之間，不但造成市場損失也影響汽車廠口碑。發電機正常工作受電瓶電壓、線路連接、皮帶張力影響，其自身內部結構也比較復雜，因此，要降低市場發電機故障，在排除外部影響，防止發生誤判件的同時也要對發電機內部零部件采取針對性的措施，進行可靠性設計。

1 常見故障模式及外部原因

根據多平臺發動機開發經驗、市場上關于發電機的質量問題分析以及與各發電機廠家的技術交流，市場上發電機常見故障模式主要是不發電和異響。發電機工作示意電路圖如圖1所示，發電機整機布置示意圖如圖2所示，根據分析，造成故障的發電機外部原因如下。

圖1 發電機工作示意電路

圖2 發電機整機布置示意

1.1 電瓶電壓低

電瓶老化、冬季溫度低、汽車長時間放置等均可能導致電池電壓低于起動機工作電壓，造成車輛無法啟動，誤判為發電機不發電。

1.2 線路連接異常

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

1.3 皮帶張力不足

發電機依靠皮帶傳遞的發動機動力旋轉，張緊器使皮帶的張緊力保持在設計規定的范圍內。張緊器失效、皮帶異常磨損等導致皮帶張力不足出現皮帶打滑，造成不發電、異響等問題。

導致故障的發電機本體原因主要包括進泥水、電子元器件失效、軸承電蝕異響、AID輪耐久異響。本文主要針對汽車發電機本體故障的可靠性設計進行探討，相關設計方法已在部分量產車型上得到較充分的市場驗證。

2 故障規避之可靠性設計

2.1 針對進泥水的可靠性設計

泥水進入會導致發電機B+接線柱、接插件、定轉子、軸承等處產生銹蝕，造成電路連接接觸不良、異響等故障。

針對進泥水的可靠性設計主要包括發電機布置在發動機前端靠上位置，發動機機艙底部增加護板；發電機殼體增加排水孔，并且要確保在裝車狀態下，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接插件銹蝕、接觸不良、短路等故障；B+接線柱表面采用優質鍍鋅防腐蝕。

2.2 針對電子元器件失效的可靠性設計

發電機內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型號芯片，對外部異常情況導致B+L端短路產生的大電流無限制保護功能，熱堆積造成芯片損壞；發電機普遍使用雪崩二極管，其箝位電壓功能，可以保護整車用電設備不會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，雪崩二極管就會永久擊穿無法恢復，雪崩二極管抗浪涌圖如圖3所示；陶瓷基板采用的導電材料是銀漿料，該漿料須經過800 ℃～900 ℃高溫燒結才能有效固化在基板上，燒結后會留存一定量的單質銀，而單質銀穩定性極差，很容易與空氣中的硫發生化學反應，形成硫化銀，造成斷路。

圖3 雪崩二極管抗浪涌

針對電子元器件失效的可靠性設計主要包括使用AR1303芯片，當進入電流超過設計值時，線路臨時斷開，避免芯片損傷，芯片試驗對比數據如表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絲；對于14 V汽車系統，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，其導電材料是高純度銅料，而單質銅其化學穩定性較單質銀強，不會與硫直接產生化學反應形成硫化銅，解決硫化銀造成的斷路問題，鋁基板圖如圖4所示。

表1 芯片試驗對比數據

圖4 鋁基板

2.3 針對軸承電蝕異響的可靠性設計

發動機的振動、帶輪載荷、鋼球在滾道面滑動等產生的氫離子在軸承旋轉過程中，吸附在軸承油脂內，氫離子進一步侵入集中作用于滾道下應力集中部位，生成白色組織，軸承內外圈、鋼珠出現電蝕剝落，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

針對軸承電蝕異響的可靠性設計主要包括使用HAB型號油脂替換HA1型號油脂，增強其導電性；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。

2.4 針對AID輪耐久異響的可靠性設計

發電機使用AID超越皮帶輪來減少前端輪系共振異響，其離合單元是實現本身的慣性扭矩和曲軸的旋轉波動隔離開的核心零部件，AID輪內部零件圖如圖7所示。在發動機加速、減速過程中，滾針反復碾壓外軸套，初期外軸承與滾針接觸內側出現壓痕、潤滑膜被破壞，進而滾針滾動時出現輕微金屬撞擊的異響聲，外軸承實物圖如圖8所示；中期外軸承內圈工作區域、限位區域材料被碾平，金屬撞擊的異響聲更加明顯；后期滾針發藍、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輪內部零件

圖8 外軸承實物

圖9 AID離合單元失效

針對AID輪耐久異響的可靠性設計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；外軸套表面進行滲碳熱處理；滾針數量由20個增加到25個，分散碾壓應力。

3 結論

市場出現不發電、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，在確認發電機外部影響因素無問題后，鎖定故障原因為發電機，然后進一步分析出發電機本體失效零部件，最后針對失效零部件進行可靠性設計優化。不同車型市場批量售后表現顯示，使用上述可靠性優化措施可有效降低汽車發電機不發電和異響問題，故障率下降40%以上，提升了顧客對車輛質量的滿意度。