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汽車發(fā)電機(jī)作為發(fā)動機(jī)前端輪系的子零件，在工作時候具有傳動比大，轉(zhuǎn)速變化區(qū)間大，轉(zhuǎn)速高等特點(diǎn)。本文首先利用帶有光柵編碼器的特殊結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)測試出發(fā)電機(jī)在發(fā)動機(jī)不同工況下的角加速度，其次通過橋式電路采集到發(fā)電機(jī)輪轂上的輪轂力，最后通過有限元技術(shù)分析出產(chǎn)品使用過程中的工況極限，避免皮帶輪脫落，整合實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果可以指導(dǎo)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與匹配，對實(shí)際生產(chǎn)具有非常重要的意義。

 

前言

 

汽車發(fā)電機(jī)作為整車供電的核心部件主要由端蓋、轉(zhuǎn)子、定子以及整流裝置等組成。其工作原理可以簡述如下：車上12V直流電給轉(zhuǎn)子中的銅線勵磁使得轉(zhuǎn)子前后爪機(jī)分別勵磁為N極以及S極，磁路經(jīng)過轉(zhuǎn)子軸到某個爪極N極到定轉(zhuǎn)子氣隙然后通過定子鐵心經(jīng)過氣隙最終回到另外一個爪極的S極 ，最終形成閉合回路。當(dāng)發(fā)電機(jī)被發(fā)動機(jī)通過皮帶拖動的時候就形成了定子中的銅線切割勵磁感應(yīng)線，從而定子中產(chǎn)生交流電，再經(jīng)過二極管整流后，直流電可以給電瓶充電或者供應(yīng)其他用電設(shè)備。

 

由于發(fā)電機(jī)一直受發(fā)動機(jī)的拖動，發(fā)電機(jī)的振動完全受發(fā)動機(jī)的工況影響。目前各大主機(jī)廠都在執(zhí)行節(jié)能減排方案，三缸發(fā)動機(jī)目前也成為新興的主流減排方案。由于三缸機(jī)不平衡的先天缺陷性導(dǎo)致相對于四缸機(jī)有更大的扭振，考慮到發(fā)電機(jī)相對于發(fā)動機(jī)的增速比大，工作區(qū)間寬廣，發(fā)動機(jī)的各種復(fù)雜振動扭轉(zhuǎn)對發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性以及可靠性影響很大，所以研究發(fā)電機(jī)的扭振非常有必要。

 

目前國內(nèi)對汽車發(fā)電機(jī)扭振的論文比較少，北京科技大學(xué)的張偉利用AMEsim分析一維扭振模型同時利用LMSSCADAS對礦用自卸車發(fā)動機(jī)上的發(fā)電機(jī)進(jìn)行了扭振研究測試，但是對于高轉(zhuǎn)速多變化的小型汽油機(jī)三維真實(shí)情況沒有研究；北京理工大學(xué)的陳星研究了車用永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子扭振特性;本文主要開發(fā)了在小型汽油機(jī)上測試發(fā)電機(jī)不同工況下的扭振以及徑向輪轂力的方法，同時結(jié)合有限元方法確定產(chǎn)品的使用環(huán)境極限，為產(chǎn)品的匹配更改以及新產(chǎn)品的開發(fā)制定了標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)方法。

 

汽車發(fā)電機(jī)扭振測試

 

01扭振基本理論

 

對于自由的剛體而言，共有6個自由度，即三個平動自由度和三個轉(zhuǎn)動自由度。利用牛頓第二定律來表示，平動對應(yīng)的是三個角速度，轉(zhuǎn)動對應(yīng)的是三個角加速度。扭轉(zhuǎn)振動指的是旋轉(zhuǎn)部件沿旋轉(zhuǎn)方向的扭轉(zhuǎn)振動，也稱角振動，角振動一般是研究旋轉(zhuǎn)零部件結(jié)構(gòu)的。

對于單自由度的扭轉(zhuǎn)振動，其基本運(yùn)動方程為：

 

 

式中:

J—轉(zhuǎn)動慣量；

—扭轉(zhuǎn)剛度；

—角加速度；

—扭轉(zhuǎn)角度；

M(t)—扭矩。

角振動對應(yīng)的扭轉(zhuǎn)頻率公式為：

 

 

從如上公式可以看出，扭轉(zhuǎn)剛度越大，抗扭頻率越高，轉(zhuǎn)動慣量越小，抗扭頻率也越高。

 

02發(fā)電機(jī)扭振機(jī)輪轂力測試

 

1.測試電機(jī)

扭振及輪轂力測試需要準(zhǔn)備一臺電機(jī)以及外置式光電編碼器、光電轉(zhuǎn)速傳感器、特殊皮帶輪、壓力式應(yīng)變傳感器、旋轉(zhuǎn)型信號傳輸器、前置放大電路板、數(shù)據(jù)采集儀等。本文首次使用創(chuàng)新性的方式成功實(shí)現(xiàn)了整車的發(fā)電機(jī)角加速度以及輪轂力測試。具體測試系統(tǒng)及電機(jī)在某型號車型上發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的布置如圖1所示。

 

 

圖1 測試現(xiàn)場布置圖

 

對測試電機(jī)的準(zhǔn)備有如下幾個難點(diǎn)：

第一 發(fā)動機(jī)艙空間狹小，在合理布置光柵編碼器的時候不能跟其他零部件干涉

第二 在皮帶輪高速轉(zhuǎn)動的情況下測得皮帶輪上輪轂力，需要設(shè)計(jì)特殊的皮帶輪對接傳感器以及方便引線的穿出，同時還需要一個工作原理類似于離合器的的旋轉(zhuǎn)型信號傳輸器。

第三在標(biāo)定設(shè)備的時候考慮到測試設(shè)備的噪音信號，需要將一塊特殊設(shè)計(jì)的前置電路放大板鑲嵌到旋轉(zhuǎn)型信號傳輸器中，主要用來對信號進(jìn)行過濾、放大和降噪，從而提高測試的精度。

 

2.測試原理介紹

1)角加速度的測試原理如下：

光電編碼器每轉(zhuǎn)接受的脈沖信號為N個，相當(dāng)于360°劃分為N份，角度間隔為360/N，而轉(zhuǎn)速傳感器每經(jīng)過一個角度間隔便輸出一個脈沖。這時如果可以得到兩個連續(xù)脈沖的相鄰上沿或者下沿的時間差，即可獲得相應(yīng)的瞬時轉(zhuǎn)速。如果兩個連續(xù)的脈沖對應(yīng)的時間周期是△t，則瞬時轉(zhuǎn)速為：

 

 

如果用弧度來表示轉(zhuǎn)速，則轉(zhuǎn)速可以如下表述:

 

 

本論文所采用的碼盤為60齒，所以公式（4）可以簡化為 如下公式（5）所示：

 

 

對如上公式進(jìn)行求導(dǎo)即可得到角加速度的數(shù)學(xué)公式，最后用所得到的處理后的角加速度乘上轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，可以推導(dǎo)出皮帶作用到帶輪上的扭矩。

 

2)輪轂力的測試原理如下：

主要使用電阻應(yīng)變效應(yīng)采用全橋電路測試輪轂力。具體電機(jī)與特殊工裝如圖2所示。

 

 

圖2 測試設(shè)備與工裝爆炸圖

 

采集的信號流轉(zhuǎn)如圖3所示：

 

 

圖3 數(shù)據(jù)采集流程

 

環(huán)形應(yīng)變片信號首先經(jīng)過前置放大電路板然后經(jīng)過旋轉(zhuǎn)型信號傳輸器最終送達(dá)數(shù)據(jù)采集儀器中，每個通道得出平面上X或者Y方向上的力，然后把兩個通道的數(shù)據(jù)合成計(jì)算出輪轂力輸出。

 

3. 測試結(jié)果分析

對于角加速度與輪轂力的測試，根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)需要測試如下工況：發(fā)動機(jī)啟動，發(fā)動機(jī)熄火，怠速，加速工況等四大類。

當(dāng)發(fā)動機(jī)啟動狀態(tài)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及角加速度的測試曲線如圖4所示。

 

 

圖4 啟動工況電機(jī)速度與角加速度曲線

 

測試發(fā)動機(jī)加速情況下的輪轂力如圖5所示。

 

 

圖5加速工況下輪轂力示意圖

 

綜合考慮在輪轂力從1000N到5000N之間找到各種工況下測試的最大扭矩如圖6所示。

 

 

圖6測試極限工況

 

用此測試的極限工況來對標(biāo)仿真計(jì)算的極限工況，如果測試數(shù)據(jù)大于仿真數(shù)據(jù) 則存在皮帶輪脫落風(fēng)險，如果測試數(shù)據(jù)小于仿真極限數(shù)據(jù) 則證明產(chǎn)品設(shè)計(jì)安全。

 

03發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸FEM分析臨街工況

 

本節(jié)主要是通過FEM技術(shù)，分析發(fā)電機(jī)皮帶輪在承受扭振和輪轂力共同作用下找到皮帶輪開始打滑瞬間時的極限工況。

 

1.發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械失效模式

汽車發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子總成主要由皮帶輪、螺母、軸、軸承、爪極等通過螺紋連接的方式結(jié)合在一起。

由于發(fā)電機(jī)出廠的時候根據(jù)工藝要求整個轉(zhuǎn)子會有80NM的鎖緊力矩，當(dāng)發(fā)電機(jī)裝配到發(fā)動機(jī)上時，隨著發(fā)動機(jī)工況的波動，發(fā)電機(jī)皮帶輪會受到發(fā)動機(jī)傳遞過來的輪轂力同時要承受發(fā)動機(jī)急加速以及急減速等情況下的扭轉(zhuǎn)振動。目前發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械失效模式比較多的是皮帶輪脫落，失效現(xiàn)象是皮帶輪與軸承內(nèi)圈失去接觸，軸以及皮帶輪軸向端面磨損嚴(yán)重。

 

2.發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子FEM邊界條件

發(fā)電機(jī)正常工作時，轉(zhuǎn)子主要承受螺栓鎖緊力，來自發(fā)動機(jī)的輪轂力以及作用到皮帶輪上的扭振。這使得發(fā)電機(jī)軸系在拉伸彎曲以及扭轉(zhuǎn)等復(fù)雜工況下工作，對轉(zhuǎn)子的可靠性要求非常高。

為了簡化研究對象利用FEM 可以把模型簡化如圖7所示。

 

 

圖7 轉(zhuǎn)子總成簡化模型

轉(zhuǎn)子總成材料的列表如表1所示。

 

表1 轉(zhuǎn)子總成材料性能

 

 

根據(jù)實(shí)際工藝控制螺栓鎖緊力矩為80NM ，測試等效的軸向鎖緊力為27000N，當(dāng)存在螺牙尺寸公差超差或者打緊工藝出現(xiàn)問題的時候軸向鎖緊力可衰減到22000N，以上數(shù)據(jù)都考慮了批量測試情況下減去3σ后得到的。

 

由于發(fā)動機(jī)上輪轂力隨時間是波動的，在仿真分析中分別研究輪轂力從1000N 到5000N 逐漸增加，然后分析各個接觸面以及零部件的受力情況。

 

仿真使用一個旋轉(zhuǎn)小角度仿真，最后求得皮帶輪剛開始轉(zhuǎn)動時候的設(shè)計(jì)極限扭矩，對比設(shè)計(jì)極限扭矩與測試扭矩。如果極限扭矩小于測試扭矩則容易發(fā)生滑動現(xiàn)象，如果極限扭矩大于測試扭矩則設(shè)計(jì)安全可以抵抗外部扭矩的波動。具體受力示意圖如圖8。

 

 

圖8 受力示意圖

 

3.發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子FEM分析結(jié)果

通過大量的打滑力矩測試以及仿真分析可以發(fā)現(xiàn)皮帶輪與軸承接觸面為轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)最薄弱環(huán)節(jié)。在綜合考慮如上三種力的作用下，皮帶輪與軸承接觸端面逐漸失效直至完全打滑的示意圖如圖9。

 

 

圖9 皮帶輪打滑示意圖

 

通過分析不同發(fā)動機(jī)工況下，在對比考慮到正常與非正常打緊工藝下張力的正態(tài)分布情況，減去3σ，得出產(chǎn)品在非正常打緊力(藍(lán)色曲線)F=22000N 以及在正常打緊（橙色曲線）F=27000N情況下的皮帶輪想要發(fā)生滑動的臨界狀態(tài)，如圖10所示。

 

 

圖10 轉(zhuǎn)子軸皮帶輪打滑的極限設(shè)計(jì)工況

 

實(shí)測車上數(shù)據(jù)根據(jù)同一種輪轂力情況下找到發(fā)動機(jī)在啟動，怠速以及急加減速等工況下最大的瞬態(tài)扭矩，對比仿真與實(shí)測的曲線如圖11所示。

 

 

圖11 仿真數(shù)據(jù)與測試數(shù)據(jù)對比

 

對比仿真與測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)非正常打緊情況下的曲線與測試曲線有交叉點(diǎn)，輪轂力大約在兩千牛到三千牛之間，此時一般發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)四千到五千轉(zhuǎn)。當(dāng)產(chǎn)品的特性曲線一定的情況下（圖中橙色與藍(lán)色曲線）。測試曲線高于仿真曲線時候，皮帶輪存在脫落風(fēng)險，需要從設(shè)計(jì)工藝等角度改進(jìn)產(chǎn)品的質(zhì)量。

 

總結(jié)

 

本文主要研究開發(fā)了汽車發(fā)電機(jī)的扭振及輪轂力的測試方法以及開發(fā)FEM仿真方法，通過測驗(yàn)與仿真的有序結(jié)合，找出產(chǎn)品的受力極限，為新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)以及產(chǎn)品使用過程中皮帶輪脫落提供了新的解決思路。本文的重點(diǎn)可以總結(jié)如下兩點(diǎn)：

（1）研究制作特殊電機(jī)以及工裝采集汽車發(fā)電機(jī)扭轉(zhuǎn)振動以及輪轂力能力的建設(shè)。

（2）采用FEM技術(shù)開發(fā)新的計(jì)算方法，預(yù)測產(chǎn)品在復(fù)雜工況下的機(jī)械穩(wěn)定性，為新產(chǎn)品的開發(fā)以及售后問題的分析提供了新方法。

 

引用本文：

 

張英朋，張揚(yáng)揚(yáng).車用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子扭振及徑向力測試與FEM分析[J].環(huán)境技術(shù),2022,40(03):53-57+69.