汽车车窗电动机换向器断差质量控制研究

张良勇，李西德，任小鸿，高朝祥

（1.四川化工职业技术学院，四川 泸州 646099；2.四川长江工程起重机有限责任公司，四川 泸州 646003）

0 引言

随着社会的发展，人们生活水平不断提高，汽车保有量也稳步上升。玻璃升降器作为汽车重要的功能部件，一旦出现故障，就会给车身的密封性和驾驶员的驾驶环境造成不良影响。玻璃升降系统是使用频率较高的系统，易出现玻璃升不到顶、升降阻滞及升降异响等问题[1]。某主机厂装配现场反馈，部分汽车车窗升到顶后自动下降一定距离，这影响了整车的正常使用，必须进行处理。

1 玻璃升降器故障排查

1.1 对不良产品进行测试

1.1.1 电动机基本性能测试及分析

选择3个不良产品Q1、Q2、Q3进行电动机 基本性能测试。测试电压为12 V，温度为23 ℃±5℃，其他条件和测试结果如表1所示，其中电动机堵转是电动机在转速为0 r/min时仍然输出转矩的一种情况。从测试结果可以看出，不良产品Q1、Q2、Q3在转矩、转速和电动机电流上均满足要求。

表1 电动机基本性能测试条件和测试结果

1.1.2 电动机纹波性能测试及分析

对Q1、Q2、Q3三个不良产品进行电动机纹波性能测试，表2为Q1电动机纹波测试数据。波形品质要求条件1和条件2满足其一即可，且优先考察条件1。所以电动机纹波性能均满足要求。

表2 不良产品Q1纹波测试标准和测试数据

虽然电动机纹波性能均满足要求，但在FUN/2谐波处数值存在异常。在峰值均相同的情况下，FUN/2谐波会很小，可以忽略不计；峰值有差异的情况下，会在纹波曲线上形成大的变化趋势，影响FUN/2谐波。

Q1电动机在纹波测试中上升时出现“M”波形，如图1所示，电流发生了畸变，电动机出现力矩波动，车窗上升不平稳，发生抖动或反转。对10 600件电动机纹波性能图像进行100%检测，“M”波形发生数量为562件，不合格率达5.3%。

图1 Q1电动机上升纹波图像

1.2 用交叉试验查找异常部位

电动机主要有刷架、定子、转子、齿轮箱4个部分，如图2所示。用Q1电动机和一个正常电动机做交叉试验，可以快速准确地查找到异常部位，交叉试验结果如表3所示。

图2 电动机主要部件

表3 交叉试验

试验1将Q1电动机更换正常电动机转子后进行纹波测试，纹波正常，说明原Q1电动机其他部分正常；试验5将Q1电动机转子装入其他正常电动机内进行纹波测试，纹波异常，说明Q1电动机转子异常。试验2说明Q1电动机除齿轮箱外其他部分有异常；试验6说明Q1电动机齿轮箱正常。以此类推，综合试验1～试验8的结果可以判定：电动机纹波性能异常是由转子异常导致的。用Q2、Q3做相同的交叉实验，结果相同。

1.3 对转子尺寸进行测定

从交叉实验看出，不良产品Q1电动机转子存在异常。对Q1电动机的转子尺寸进行测试，测试结果如表4所示，转子除换向器出现明显断差不良外，其他尺寸均符合要求。

表4 Q1电动机转子的测试结果

测量的轮廓根据最小二乘法计算出基准圆，所有的毛刺和凸起离开基准圆的最大距离为换向器圆度；换向器相邻2个换向片外轮廓的高度差为换向器的断差。采用专用圆度测量仪检测发现Q1电动机换向器圆度误差为2.9 μm，Q1电动机换向器存在明显断 差2.9 μm（如图3），Q2、Q3电动机情况相同。

图3 Q1电动机存在明显断差

Q1电动机更换良好的转子后进行纹波检测，图形正常，可以再次验证是转子的问题，纹波性能不良由转子换向器出现的断差过大导致。

2 故障原因分析及改进措施

2.1 故障原因分析

如图4所示，换向器的加工过程有切削、清扫、打磨、再清扫、性能（片间电阻）检测、纹波性能检测等过程。导致换向器出现断差过大的原因有很多，从人员、设备、物料、方法进行分析，其原因可能有：操作人员技能不足；换向器毛坯尺寸异常；生产工艺不合理；换向器打磨工程未能对断差进行有效打磨；换向器切削工程造成转子断差；电动机性能检查设备无法识别。

逐一验证分析，生产线为自动化生产线，如图5（a）所示，换向器切削状态由设备进行控制，生产线人员不对产品进行直接操作，故生产线人员技能及作业方法不会导致换向器切削断差异常。

对换向器毛坯单品上、中、下3个部位外径和圆跳动进行尺寸检测，从检测结果看，全部符合要求。

对比2 s（目前打磨时间）、4 s、5 s三种时间打磨效果看，换向器打磨工程对断差不良没有明显改善效果。

电动机纹波特性机没有对电动机FUN/2次谐波波形进行检测，没有该项检测数据，所以对不良电动机不良状态不能进行有效识别，属于流出原因，后续改造增加检测项目，本文不做重点介绍。

从以上分析，逐一排除，可以推断是转子换向器切削工程导致断差不良产生。

2.2 车削加工误差分析

先更换进口刀具，实践证明两种刀具切削后换向器断差无明显改善。

图5（a）为换向器转子切削加工自动化生产线，图5（b）为换向器切削加工俯视示意图，将待加工转子放在V型支架上，皮带由电动机驱动，将传动皮带逐渐靠近转子，使传动皮带与转子铁芯外圆产生压力摩擦实现转动[2]，刀具按照指示方向运动实现切削。

图5 换向器切削加工

刀具沿图示方向进给的过程中对转子有径向的推力，背吃刀量越大，背向力越大。背向力较大时，会造成转子在V型支架内受力变形，会导致不同截面因切削量不同而造成直径不同，造成某些转子换向器断差大。

2.3 换向器加工工艺改进

切削力的大小主要有解析表达式和经验公式两种表示方式[3]。由于切削过程复杂，用切削力的解析表达式计算切削力的大小不仅繁琐，而且计算结果与实际结果符合度较差[4]，因此实际应用中常常采用经验表达式来计算切削力[5]。车削切削力中，背向力Fp与各影响因素之间的关系式为

式中：CFp为决定于加工材料和切削条件的系数[6]；xFp为背吃刀量ap的指数；yFp为进给量f的指数；zFp为切削速度v的指数；KFp为实际加工条件与所求得的经验公式的条件不符时，各种因素对切削力的修正系数的积[7]。

为了减小切削力，减小背吃刀量、进给量、切削速度均可实现。但切削速度的改变会影响刀具耐用度和劳动生产率，进给量的改变会影响表面粗糙度和刀具耐用度。为了不影响劳动生产率，在粗车时仍然采用一次走刀。在其他条件不变的情况下，减小背吃刀量，即可减小径向切削力，通过正交试验法确定了新方案，调整前后方案如表5所示，切削尺寸调整前后生产图片如图6所示。

图6 切削尺寸调整前后生产图

采用电枢数控车床，自动生产实用工艺参数如下：换向器直径为15.1 mm，粗车切削速度为1350 r/min，粗车时进给量为75 mm/min，精车切削速度为1350 r/min，精车时进给量为70 mm/min。

刀具采用人造金刚石，刀具几何角度如下：粗车刀具前角为15°，后角为5°，主偏角为90°，副偏角为10°，刃倾角为0°；精车刀具前角为20°，后角为10°，主偏角为93°，副偏角为15°，刃倾角为0°。

按上述工艺参数加工5个产品，经检测，换向器尺寸仍然满足切削外径最小φ14.7 mm的要求，圆度及断差均在合格范围内，检测数据如表6所示，产品序号8断差如图7所示。

图7 产品序号8断差1.3 μm

表6 调整方案切削前后断差检测数据 μm

3 实际验证情况

将调整后方案新生产的5个产品组装电动机进行纹波特性测定，均无“M”波形，如图8所示。

图8 产品序号8切削后的上升波纹图形

小批量生产100件产品，将新生产的100个转子组装到电动机上后，测定纹波性能，测定结果为全部合格。图9为随机选取的测试结果波形图像。

图9 随机选取的测试产品上升波形图像

对后期批量生产的29 600 件产品进行选别，选别数量为10 600 件，不良产品数量为31 件，不良产品发生率为0.29%，电动机产品合格率已大大提高；未选别数量为19 000件，可能发生不良数量为55件。

4 结语

通过减小换向器断差，改变了车窗电动机纹波不良现象，有效解决了车窗上升过程中的抖动和误降问题。对换向器加工中的背吃刀量进行调整，经实际生产验证，大大提高了电动机产品合格率，不良产品率仅为0.29%。电动机换向器加工过程中，背吃刀量对零件横向推力影响较大，影响换向器断差大小，在加工参数选取时应重点考虑。