李克難

（迪克斯汽車電器 （上海）有限公司，上海 201108）

汽車交流發(fā)電機作為內(nèi)燃機電氣系統(tǒng)中主要部件，其可靠性直接影響內(nèi)燃機使用和壽命。而交流發(fā)電機的軸承問題，由文獻［1］中對發(fā)電機故障樹的定量分析可知：影響發(fā)電機可靠性為電機前軸承故障，占49.4%。故，在選擇和使用交流發(fā)電機時，內(nèi)燃機和電機廠家必須要考慮電機到使用軸承可靠性。

1 汽車交流發(fā)電機構(gòu)成和原理

構(gòu)成：定子、轉(zhuǎn)子、端蓋、電子元件、軸承和皮帶輪組成。交流發(fā)電機構(gòu)成如圖1所示。

圖1 交流發(fā)電機構(gòu)成

原理：通過電機端蓋與內(nèi)燃機上面支架聯(lián)接而固定，內(nèi)燃機通過PK皮帶，將內(nèi)燃機的旋轉(zhuǎn)機械動能傳遞給發(fā)電機，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)切割定子而產(chǎn)生感生電動勢，供整車用電器使用。圖2所示為在內(nèi)燃機上面的交流發(fā)電機。交流發(fā)電機通過內(nèi)燃機上面支架聯(lián)接而固定。交流發(fā)電機支架如圖3所示。

圖2 在內(nèi)燃機上面的交流發(fā)電機

圖3 交流發(fā)電機支架

實際狀態(tài)，內(nèi)燃機廠家對交流發(fā)電機有著不同布置方式，交流發(fā)電機布置如圖4所示。正因如此，發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸承受載荷是不一樣的，帶來可靠性也是不一樣的。所以，內(nèi)燃機和電機廠家要充分考慮到軸承可靠性，使用壽命。

圖4 交流發(fā)電機布置

2 汽車交流發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸承受力分析

發(fā)電機軸所受的負載計算公式 （1），交流發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸受力分析如圖5所示。

式中：F——軸所受的負載，N；T——皮帶輪的拉力，它與發(fā)動機的功率大小、轉(zhuǎn)速、皮帶多楔數(shù)相關(guān)，N；θ——皮帶輪的包角， （°）。

以后軸承中心為支撐點，按力矩平衡計算：Ffb×（L2+L3）=F×（L1+L2+L3）+Fc×L3，那么，前軸承所受的負荷見計算公式 （2），交流發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸承受力分析如圖6所示。

圖5 交流發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸受力分析

式中：Ffb——前軸承所受負荷；Fc——轉(zhuǎn)子的重力與離心力之和；Fab——后軸承所受負荷，N；L1、L2、L3——軸承間與皮帶輪中心距離，mm。

圖6 交流發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸承受力分析

由上述公式 （1）和公式 （2）可知，后軸承受力大小取決于：①皮帶拉力T、皮帶包角θ，這與內(nèi)燃機廠家在布置電機安裝位置和傳遞轉(zhuǎn)矩方面是關(guān)聯(lián)的；②軸承間與皮帶輪中心距離和電機轉(zhuǎn)子本身質(zhì)量，這與電機廠家在設計電機方面相關(guān)。

3 舉例說明

3.1 前軸承受力計算舉例1

已知T=600N；θ=154°；Fc=13.5N （測量或計算得到）。L1＝31.1；L2＝41.2；L3＝39.6，參數(shù)測量如圖7所示。求：前軸承所受的負荷Ffb值。

圖7 參數(shù)測量

1）通過Matlab計算，電機軸受力：將Theta=154；T=600代入公式F=2×T×cos［（180-Theta）／2］，F(xiàn)=1088.9N。

2）通過Matlab計算，前軸承受力：L1=31.1；L2=41.2；L3=39.6；F=1088.9；Fc=13.5代入公式Ffb=（F×L1+F×L2+F×L3+Fc×L3） ／（L2+L3），F(xiàn)fb=1514.6N。

3.1.1 通過計算公式 （1）可以看出

軸所受載荷隨皮帶輪拉力和皮帶包角余弦值增大而加大。

用Matlab對包角和拉力在一定范圍內(nèi)加載計算。①Theta=［95∶15∶180］；T=600代入公式F=2×T×cos［（180-Theta）／2］；plot（Theta，F(xiàn)）。包角與軸載荷關(guān)系如圖8所示。②Theta=120；T=［400∶150∶1200］代入公式F=2×T×cos［（180-Theta）／2］；plot （T，F(xiàn)）。拉力與軸載荷關(guān)系見圖9。③Theta=95∶15∶180；T=400∶150∶1200；［Theta，T］=meshgrid（Theta，T）代入公式F=2×T×cos （180-Theta）／2；mesh （Theta，T，F(xiàn)）。拉力和包角與軸載荷關(guān)系見圖10。

圖8 包角與軸載荷關(guān)系

圖9 拉力與軸載荷關(guān)系

圖10 拉力和包角與軸載荷關(guān)系

3.1.2 通過計算公式 （2）可以看出

軸承受載荷隨軸所受載荷和轉(zhuǎn)子的重力與離心力之和增大而加大。

用Matlab對Fc和F在一定范圍內(nèi)加載計算。L1～L3基本為常數(shù)，由電機結(jié)構(gòu)而定。

①L1=31.1；L2=41.2；L3=39.6；F=1088.9；Fc=［13.5∶-0.5∶11.5］代入公式Ffb=（F×L1+F×L2+F×L3+Fc×L3）／（L2+L3）；Plot（Fc，F(xiàn)fb），前軸承載荷與轉(zhuǎn)子的重力、離心力關(guān)系見圖11。②L1=31.1；L2=41.2；L3=39.6；F=［1088.9∶50∶1200］；Fc=13.5代入公式Ffb=（F×L1+F×L2+F×L3+Fc×L3）／（L2+L3）；Plot （F，F(xiàn)fb），前軸承載荷與轉(zhuǎn)子軸載荷關(guān)系見圖12。

圖11 前軸承載荷與轉(zhuǎn)子的重力、離心力關(guān)系

圖12 前軸承載荷與轉(zhuǎn)子軸載荷關(guān)系

3.1.3 小結(jié)

L1=31.1；L2=41.2；L3=39.6；F=［1088.9∶50∶1200］；Fc=［13.5∶-0.5∶11.5］；［F，F(xiàn)c］=meshgrid （F，F(xiàn)c） 代入公式Ffb=（F×L1+F×L2+F×L3+Fc×L3）／（L2+L3）；mesh （Ffb，F(xiàn)，F(xiàn)c），前軸承載荷與轉(zhuǎn)子軸載荷／轉(zhuǎn)子的重力、離心力關(guān)系見圖13。

通過上述圖文，可知交流發(fā)電機皮帶的拉力、包角和電機本身質(zhì)量對電機軸承所受載荷是有影響的，并且知道影響的趨勢。也可以通過Matlab基本擬合方程進行分析設計。

4 汽車交流發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸承可靠性——壽命計算

載荷到底對軸承可靠性有什么影響？

汽車交流發(fā)電機常用滾動球軸承參數(shù)以及選用原則見表1。

4.1 應用軟件設計計算壽命

圖13 前軸承載荷與轉(zhuǎn)子軸載荷／轉(zhuǎn)子的重力、離心力關(guān)系

表1 汽車發(fā)電機常用前軸承參數(shù)以及選用原則

Solidworks是一個非常實用的軟件，它插件中有軸承計算器功能，比較方便得出軸承壽命數(shù)。在［Toolbox］單擊［軸承計算器］后編輯參數(shù)，可得出壽命值。

例2，利用Solidworks中的［軸承計算器］對例1進行校核設計。①初選擇6303，將例1中軸承載荷及軸承6303參數(shù)置于軸承計算器中；②求解壽命是524h；③顯然壽命小時數(shù)524h不夠安全。軸承6303計算壽命如圖14所示。

例2，選用6303不能滿足要求。勢必會有如下情況：一是減少皮帶輪拉力和優(yōu)化包角，這一點除了優(yōu)化包角外，減少皮帶拉力可能性不大，因為內(nèi)燃機要保證傳遞扭矩，拉力不能太小。二是更換軸承，使用能承受更大載荷軸承。比如由6303改為6304，同樣利用軸承計算器設計校核。

圖14 軸承6303計算壽命

例3，同例2操作。①初選擇6304，將例1中軸承載荷及軸承6303參數(shù)置于軸承計算器中；②求解壽命是860h；③顯然壽命小時數(shù)860h遠超過500h。軸承6304計算壽命見圖15。

圖15 軸承6304計算壽命

實際驗證：內(nèi)燃機廠家臺架試驗700h后，經(jīng)過拆卸分析和重新裝配檢驗合格。這點與軸承計算器計是吻合的。軸承更換后試驗后、報告節(jié)錄見圖16。

圖16 軸承更換后、試驗后報告節(jié)錄

4.2 應用軸承設計手冊計算壽命

壽命LR（R=0.99） 計算公式 （3）：

式中：n——電機轉(zhuǎn)速，r／min（按交流發(fā)電機與內(nèi)燃機之間傳動比而計算得）：4800r／min；ft——溫度系數(shù)，取0.95；C——軸承額定動載荷，見表1；fP——沖擊載荷系數(shù)，取1.65；P——當量載荷。

將例1中Ffb=1514.6N帶入計算：P=1514.6N。

從例3可知，雖然將6303更換為6304后能滿足壽命需要，但是軸承、電機轉(zhuǎn)子軸由直徑17mm加大到了20mm，成本上升并且電機工藝性下降，勢必要再優(yōu)化設計。

結(jié)合軸承設計手冊公式，優(yōu)化設計見例4。從表1可知：6304p的額定載荷高于6303／6304，那么按公式 （3）進行計算設計。

例4，按公式（3）進行計算設計。利用Matlab進行計算，將已經(jīng)知道的參數(shù)帶入公式（3）計算，得出

Lh=1.3456e+03h，遠遠超過500h值。試驗證明見圖17，安全可靠的并控制了成本。

將n=4800；Ft=0.95；fp=1.65；C=18220；P=1514.6帶入公式Lh=（1000000／（60×n））×｛［（ft×C）／（fp×P）］3｝，Lh=1.3456e+03。

所以，選擇6304p是更優(yōu)的方案！

小結(jié)：利用Matlab對不同軸承，按額定載荷加載計算，可以得出壽命值。對照設計值，比如設計壽命／優(yōu)化成本等來取舍軸承。不同載荷軸承壽命見圖18。

圖17 電機熱駐留后，軸承完好

圖18 不同載荷軸承壽命

5 總結(jié)

通過上面的講述，得到以下幾點。

1）內(nèi)燃機廠家在布置交流發(fā)電機是要注意皮帶拉力和包角控制與優(yōu)化。

2）交流發(fā)電機廠家在設計電機時應注意電機質(zhì)量和結(jié)構(gòu)尺寸控制與優(yōu)化。

3）優(yōu)化后軸承設計會提高內(nèi)燃機可靠性和降低電機廠家成本。