車用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子扭振及徑向力測試與FEM 分析

張英朋，張揚(yáng)揚(yáng)

（同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804）

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12 V 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(gè)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(gè)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(shí)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(shí)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[1]；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[2];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(shí)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。

1 汽車發(fā)電機(jī)扭振測試

1.1 扭振基本理論

對于自由的剛體而言，共有6 個(gè)自由度，即三個(gè)平動自由度和三個(gè)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(gè)角速度，轉(zhuǎn)動對應(yīng)的是三個(gè)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[3]。

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；

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。

1.2 發(fā)電機(jī)扭振及輪轂力測試

1.2.1 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(gè)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(shí)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(shí)還需要一個(gè)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(shí)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。

1.2.2 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(gè)，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(gè)角度間隔便輸出一個(gè)脈沖。這時(shí)如果可以得到兩個(gè)連續(xù)脈沖的相鄰上沿或者下沿的時(shí)間差，即可獲得相應(yīng)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。如果兩個(gè)連續(xù)的脈沖對應(yīng)的時(shí)間周期是△t，則瞬時(shí)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。采集的信號流轉(zhuǎn)如圖3 所示。

圖2 測試設(shè)備與工裝爆炸圖

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(gè)通道得出平面上X 或者Y 方向上的力，然后把兩個(gè)通道的數(shù)據(jù)合成計(jì)算出輪轂力輸出。

1.2.3 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1 000 N 到5 000 N 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(xiǎn)，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。

1.3 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸FEM 分析臨界工況

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(shí)的極限工況。

1.3.1 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(shí)候根據(jù)工藝要求整個(gè)轉(zhuǎn)子會有80 NM 的鎖緊力矩，當(dāng)發(fā)電機(jī)裝配到發(fā)動機(jī)上時(shí)，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(shí)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。

1.3.2 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子FEM 邊界條件

發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)，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。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

圖7 轉(zhuǎn)子總成簡化模型

根據(jù)實(shí)際工藝控制螺栓鎖緊力矩為80 NM ，測試等效的軸向鎖緊力為27 000 N，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(shí)候軸向鎖緊力可衰減到22 000 N，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(shí)間是波動的，在仿真分析中分別研究輪轂力從1 000 N 到5 000 N 逐漸增加，然后分析各個(gè)接觸面以及零部件的受力情況。

仿真使用一個(gè)旋轉(zhuǎn)小角度仿真，最后求得皮帶輪剛開始轉(zhuǎn)動時(shí)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[4,5]。具體受力示意圖如圖8。

圖8 受力示意圖

1.3.3 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（黑色曲線）F=22 000 N 以及在正常打緊（灰色曲線）F=27 000 N 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2 000～3 000 N，此時(shí)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（圖中灰色與黑色曲線）。測試曲線高于仿真曲線時(shí)候，皮帶輪存在脫落風(fēng)險(xiǎn)，需要從設(shè)計(jì)工藝等角度改進(jìn)產(chǎn)品的質(zhì)量。

3 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。