電磁離合器在汽車發(fā)電機(jī)上的應(yīng)用

馮應(yīng)超

上汽通用五菱股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 引言

離合器是軸系傳動(dòng)中最常用的連接部件，涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的眾多領(lǐng)域，被廣泛用于印染、紡織、食品、包裝、印刷、輕工、起重、汽車、精密機(jī)械、電機(jī)等機(jī)械產(chǎn)品和裝置中，國(guó)內(nèi)外對(duì)離合器的開發(fā)應(yīng)用都十分重視。常見的有機(jī)械離合器和電磁離合器，電磁離合器相比于常規(guī)機(jī)械離合器有明顯的特點(diǎn)。如結(jié)構(gòu)緊湊，響應(yīng)快，壽命長(zhǎng)，操作簡(jiǎn)單，使用維護(hù)方便。本文以某汽車?yán)脦щ姶烹x合器的發(fā)電機(jī)給無人植保機(jī)的智能飛行電池充電為分析對(duì)象，對(duì)發(fā)電機(jī)電磁離合器的選型、設(shè)計(jì)開發(fā)作了分析對(duì)比，得到了相應(yīng)的結(jié)論。

2 電磁離合器發(fā)電機(jī)的布置

帶離合器的發(fā)電機(jī)的主要作用是給無人機(jī)電磁充電，只需在汽車停止時(shí)才啟動(dòng)發(fā)電，因此通過離合器來控制該發(fā)電機(jī)的工作啟停是較好的選擇。把帶離合器的發(fā)電機(jī)布置在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)前端，通過一根布置在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸皮帶輪外側(cè)的彈性多楔帶驅(qū)動(dòng)如圖所示1。不帶離合器的常規(guī)發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī)、水泵等前端附件則是由另一根布置在曲軸皮帶輪內(nèi)側(cè)的普通聚酯皮帶驅(qū)動(dòng)。

圖1 電磁離合器發(fā)電機(jī)布置圖

3 確定發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸皮帶輪、電磁離合器發(fā)電機(jī)帶輪直徑

選擇皮帶輪的直徑首先要考慮發(fā)電機(jī)功率、扭矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系（圖2），可以看出發(fā)電機(jī)高效發(fā)電轉(zhuǎn)速范圍在5000轉(zhuǎn)/分～10000轉(zhuǎn)/分，然后根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系（圖3），找到一個(gè)相對(duì)最優(yōu)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，即發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速約3600轉(zhuǎn)/分左右，從而可以發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速比為2（即發(fā)電機(jī)皮帶輪直徑和曲軸皮帶輪直徑的比值），此時(shí)當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在最優(yōu)轉(zhuǎn)速下，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為7200轉(zhuǎn)/min，滿足發(fā)電機(jī)高效發(fā)電轉(zhuǎn)速范圍，設(shè)計(jì)是合理的。從圖2可以看出發(fā)電機(jī)在工作過程中的最大扭矩23.5N.m，離合器扭矩傳遞的安全系數(shù)選1.75，所以電磁離合器傳遞扭矩必須大于23.5×1.75=41.1N.m，因此本文選擇電磁離合器皮帶輪有效直徑95，根據(jù)轉(zhuǎn)速比，得出曲軸皮帶輪有效直徑190。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系

圖2 發(fā)電機(jī)輸出功率——轉(zhuǎn)速關(guān)系

4 電磁離合器發(fā)電機(jī)皮帶的選擇

根據(jù)發(fā)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速關(guān)系、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、離合器皮帶輪直徑、曲軸皮帶輪直徑、傳動(dòng)比、發(fā)動(dòng)機(jī)角振動(dòng)數(shù)據(jù)、皮帶輪的槽型等輸入數(shù)據(jù)，計(jì)算出所需皮帶的類型、寬度以及規(guī)格長(zhǎng)度，根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇發(fā)電機(jī)皮帶尼龍線繩的彈性多楔帶，楔數(shù)為5楔。

5 電磁離合器的選擇

5.1 電磁離合器分類

電磁離合器可分為摩擦片式電磁離合器，牙嵌式電磁離合器，研粉電礎(chǔ)離合器，轉(zhuǎn)差式電磁離合器，永碰電磁離合器等。圖4所示：

圖4 電磁離合器分類

5.2 電磁離合器的優(yōu)點(diǎn)

1）可以提高傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械性能，傳動(dòng)系統(tǒng)在使用電磁離合器后，可實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)和制動(dòng)，利用電的控制方法，可調(diào)節(jié)電磁離合器的力矩上升時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)的連續(xù)平滑啟動(dòng)。

2）可以提高傳動(dòng)系統(tǒng)的操作性能，實(shí)現(xiàn)集中控制與遠(yuǎn)距離操縱，簡(jiǎn)化操作程序，減少操作時(shí)間，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

3）操作安全和具有過載保護(hù)減少誤操作和誤動(dòng)作，提高操縱安全性。除牙嵌式離合器外，其他電磁離合器均可起到過載保護(hù)作用。

4）維護(hù)方便，控制簡(jiǎn)單，電磁離合器控制線路簡(jiǎn)單，維護(hù)方便、濕式電磁離合器在正常使用中，其壽命是半水久性的。

本文選用的發(fā)電機(jī)電磁離合器是有滑環(huán)單片干式摩擦片電磁離合器。

5.3 電磁離合器的結(jié)構(gòu)組成

發(fā)電機(jī)的電磁離合器的組成只要由8個(gè)子零件組成，如圖5：

圖5 電磁離合器的組成

5.4 電磁離合器與發(fā)電機(jī)相關(guān)零件的裝配接口和工作原理

干式單片摩擦片式電磁離合器的電磁線圈總成7通過彈性擋圈8固定在發(fā)電機(jī)外殼上，圓周方向運(yùn)動(dòng)的限制通過在發(fā)電機(jī)外殼設(shè)計(jì)一個(gè)鍵槽，如圖6，線圈總成外殼上直接設(shè)計(jì)一個(gè)凸出來的鍵來限制線圈總成的圓周運(yùn)動(dòng)，皮帶輪總成5通過彈性擋圈4固定在帶輪的軸向運(yùn)動(dòng)，內(nèi)部壓裝有軸承，軸承內(nèi)孔安裝在發(fā)電機(jī)主軸的，圓周方向可以自由運(yùn)動(dòng)，吸盤總成3通過安裝螺栓固定在發(fā)電機(jī)主軸上，通過內(nèi)部花鍵與發(fā)電機(jī)主軸的花鍵（圖6）進(jìn)行傳遞扭矩，吸盤摩擦端面與皮帶輪總成摩擦側(cè)面的距離通過調(diào)整墊片2來調(diào)整，此距離稱為空氣間隙，根據(jù)離合器傳遞扭矩、輸入電流等因素來選擇。離合器輸入電流通過接插件8經(jīng)發(fā)電機(jī)繼電器與電源相連。當(dāng)接通發(fā)電模式開關(guān)時(shí)，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，發(fā)電機(jī)繼電器接通，發(fā)電機(jī)的電磁線圈通電，產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng)，使發(fā)電機(jī)的電磁離合器吸盤總成3和自由轉(zhuǎn)動(dòng)皮帶輪總成5吸合，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)開始工作，給電池發(fā)電。發(fā)電機(jī)繼電器斷電時(shí)，切斷了電磁離合器線圈的電流，磁場(chǎng)就消失，此時(shí)靠彈簧作用把從吸盤總成3和皮帶輪總成5分開，使發(fā)電機(jī)停止工作。

圖6 發(fā)電機(jī)與電磁離合器裝配接口示意圖

5.5 電磁離合器的供電

離合器的電壓按照離合器標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，離合器繞組有汽車常規(guī)的12V電池直接供電，其電壓和電流是穩(wěn)定的，所以線圈通電產(chǎn)生的磁場(chǎng)力是一致的，產(chǎn)生吸合力穩(wěn)定的，故離合器的傳遞扭矩是比較穩(wěn)定的，電路圖如圖7。

圖7 發(fā)電機(jī)與電磁離合器裝配接口示意圖

5.6 電磁離合器選用計(jì)算

離合器選擇最重要的因素是扭矩。由于不同機(jī)械特性的要求不同，受負(fù)載、慣量、頻率、轉(zhuǎn)速、時(shí)間等因素影響，必須充分地考慮適當(dāng)大的安全系數(shù)。扭矩表示所傳遞的動(dòng)力，假如摩擦片數(shù)一定，則所傳遞扭矩大小和離合器有效半徑相對(duì)應(yīng)。但在實(shí)際上，速度、溫度、摩擦片的摩損情況，污染情況都影響工作扭矩。

在設(shè)計(jì)過程中，計(jì)算扭矩是工作載荷的慣性和運(yùn)動(dòng)載荷的慣性之和，用T表示計(jì)算扭矩可用下式求出：

式中Wr---旋轉(zhuǎn)組件的重量kg ，K---旋轉(zhuǎn)組件的回轉(zhuǎn)半徑m，N---回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù) rpm ，S---工作安全系數(shù)，

WL---直線運(yùn)動(dòng)組件的重量kg，V---線性速度，R---變旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)皮帶輪的半徑m，g---9.8m/sec

t---機(jī)器起動(dòng)所需時(shí)間sec，tm---電磁離合器吸合時(shí)間sec

經(jīng)過計(jì)算，本發(fā)電機(jī)電磁離合器所需的最小扭矩要求大于41.2，因此本文選擇一款條形彈簧型吸盤的干式單片摩擦電磁離合器，其理論扭矩43.3，符合設(shè)計(jì)要求。

6 發(fā)電機(jī)皮帶計(jì)算校核

利用SimDrive3D仿真軟件校核系統(tǒng)的靜態(tài)布局參數(shù)以及及動(dòng)態(tài)參數(shù)，把發(fā)電機(jī)、皮帶以及發(fā)動(dòng)機(jī)等相關(guān)數(shù)據(jù)輸入仿真系統(tǒng)，建立仿真計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算。最終得出仿真結(jié)果，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。（系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求：1、皮帶打滑率＜2%，2、最大皮帶抖動(dòng)＜皮帶跨距的10%）。

7 發(fā)電機(jī)皮帶系統(tǒng)測(cè)試

7.1 汽車發(fā)電機(jī)給無人機(jī)電池充電過程就是，首先在汽車上點(diǎn)擊發(fā)電模式按鈕，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，等待發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)發(fā)電轉(zhuǎn)速時(shí)（3600轉(zhuǎn)/分），電磁離合器接合，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸皮帶輪驅(qū)動(dòng)電磁離合器皮帶輪，離合器皮帶輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)主軸，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)電機(jī)開始工作，給電池充電。根據(jù)這個(gè)過程，發(fā)電機(jī)皮帶的動(dòng)態(tài)測(cè)試就只需要測(cè)試電磁離合器接合以及正常發(fā)電工況下的皮帶打滑、皮帶抖動(dòng)，通過利用行業(yè)應(yīng)用較多的Rotec測(cè)試系統(tǒng)對(duì)發(fā)電機(jī)皮帶進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果皮帶最大打滑率1.98，皮帶抖動(dòng)最大6.5%，滿足6中系統(tǒng)要求。通過以上測(cè)試及驗(yàn)證可進(jìn)一步確認(rèn)電磁離合器選擇的合理性、發(fā)電機(jī)皮帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性。

8 結(jié)束語

電磁離合器應(yīng)用在發(fā)電機(jī)上，本文總結(jié)了相關(guān)設(shè)計(jì)要求，并提出了相應(yīng)的開發(fā)和驗(yàn)證流程，對(duì)于開發(fā)農(nóng)用車輛增加充電系統(tǒng)、匹配開發(fā)無人植保機(jī)而進(jìn)行汽車帶電磁離合器發(fā)電機(jī)的開發(fā)具有一定的參考價(jià)值。