李克难

（迪克斯汽车电器 （上海）有限公司，上海 201108）

汽车交流发电机作为内燃机电气系统中主要部件，其可靠性直接影响内燃机使用和寿命。而交流发电机的轴承问题，由文献［1］中对发电机故障树的定量分析可知：影响发电机可靠性为电机前轴承故障，占49.4%。故，在选择和使用交流发电机时，内燃机和电机厂家必须要考虑电机到使用轴承可靠性。

1 汽车交流发电机构成和原理

构成：定子、转子、端盖、电子元件、轴承和皮带轮组成。交流发电机构成如图1所示。

图1 交流发电机构成

原理：通过电机端盖与内燃机上面支架联接而固定，内燃机通过PK皮带，将内燃机的旋转机械动能传递给发电机，转子旋转切割定子而产生感生电动势，供整车用电器使用。图2所示为在内燃机上面的交流发电机。交流发电机通过内燃机上面支架联接而固定。交流发电机支架如图3所示。

图2 在内燃机上面的交流发电机

图3 交流发电机支架

实际状态，内燃机厂家对交流发电机有着不同布置方式，交流发电机布置如图4所示。正因如此，发电机转子轴承受载荷是不一样的，带来可靠性也是不一样的。所以，内燃机和电机厂家要充分考虑到轴承可靠性，使用寿命。

图4 交流发电机布置

2 汽车交流发电机转子轴承受力分析

发电机轴所受的负载计算公式 （1），交流发电机转子轴受力分析如图5所示。

式中：F——轴所受的负载，N；T——皮带轮的拉力，它与发动机的功率大小、转速、皮带多楔数相关，N；θ——皮带轮的包角， （°）。

以后轴承中心为支撑点，按力矩平衡计算：Ffb×（L2+L3）=F×（L1+L2+L3）+Fc×L3，那么，前轴承所受的负荷见计算公式 （2），交流发电机转子轴承受力分析如图6所示。

图5 交流发电机转子轴受力分析

式中：Ffb——前轴承所受负荷；Fc——转子的重力与离心力之和；Fab——后轴承所受负荷，N；L1、L2、L3——轴承间与皮带轮中心距离，mm。

图6 交流发电机转子轴承受力分析

由上述公式 （1）和公式 （2）可知，后轴承受力大小取决于：①皮带拉力T、皮带包角θ，这与内燃机厂家在布置电机安装位置和传递转矩方面是关联的；②轴承间与皮带轮中心距离和电机转子本身质量，这与电机厂家在设计电机方面相关。

3 举例说明

3.1 前轴承受力计算举例1

已知T=600N；θ=154°；Fc=13.5N （测量或计算得到）。L1＝31.1；L2＝41.2；L3＝39.6，参数测量如图7所示。求：前轴承所受的负荷Ffb值。

图7 参数测量

1）通过Matlab计算，电机轴受力：将Theta=154；T=600代入公式F=2×T×cos［（180-Theta）／2］，F=1088.9N。

2）通过Matlab计算，前轴承受力：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），Ffb=1514.6N。

3.1.1 通过计算公式 （1）可以看出

轴所受载荷随皮带轮拉力和皮带包角余弦值增大而加大。

用Matlab对包角和拉力在一定范围内加载计算。①Theta=［95∶15∶180］；T=600代入公式F=2×T×cos［（180-Theta）／2］；plot（Theta，F）。包角与轴载荷关系如图8所示。②Theta=120；T=［400∶150∶1200］代入公式F=2×T×cos［（180-Theta）／2］；plot （T，F）。拉力与轴载荷关系见图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）。拉力和包角与轴载荷关系见图10。

图8 包角与轴载荷关系

图9 拉力与轴载荷关系

图10 拉力和包角与轴载荷关系

3.1.2 通过计算公式 （2）可以看出

轴承受载荷随轴所受载荷和转子的重力与离心力之和增大而加大。

用Matlab对Fc和F在一定范围内加载计算。L1～L3基本为常数，由电机结构而定。

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，Ffb），前轴承载荷与转子的重力、离心力关系见图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，Ffb），前轴承载荷与转子轴载荷关系见图12。

图11 前轴承载荷与转子的重力、离心力关系

图12 前轴承载荷与转子轴载荷关系

3.1.3 小结

L1=31.1；L2=41.2；L3=39.6；F=［1088.9∶50∶1200］；Fc=［13.5∶-0.5∶11.5］；［F，Fc］=meshgrid （F，Fc） 代入公式Ffb=（F×L1+F×L2+F×L3+Fc×L3）／（L2+L3）；mesh （Ffb，F，Fc），前轴承载荷与转子轴载荷／转子的重力、离心力关系见图13。

通过上述图文，可知交流发电机皮带的拉力、包角和电机本身质量对电机轴承所受载荷是有影响的，并且知道影响的趋势。也可以通过Matlab基本拟合方程进行分析设计。

4 汽车交流发电机转子轴承可靠性——寿命计算

载荷到底对轴承可靠性有什么影响？

汽车交流发电机常用滚动球轴承参数以及选用原则见表1。

4.1 应用软件设计计算寿命

图13 前轴承载荷与转子轴载荷／转子的重力、离心力关系

表1 汽车发电机常用前轴承参数以及选用原则

Solidworks是一个非常实用的软件，它插件中有轴承计算器功能，比较方便得出轴承寿命数。在［Toolbox］单击［轴承计算器］后编辑参数，可得出寿命值。

例2，利用Solidworks中的［轴承计算器］对例1进行校核设计。①初选择6303，将例1中轴承载荷及轴承6303参数置于轴承计算器中；②求解寿命是524h；③显然寿命小时数524h不够安全。轴承6303计算寿命如图14所示。

例2，选用6303不能满足要求。势必会有如下情况：一是减少皮带轮拉力和优化包角，这一点除了优化包角外，减少皮带拉力可能性不大，因为内燃机要保证传递扭矩，拉力不能太小。二是更换轴承，使用能承受更大载荷轴承。比如由6303改为6304，同样利用轴承计算器设计校核。

图14 轴承6303计算寿命

例3，同例2操作。①初选择6304，将例1中轴承载荷及轴承6303参数置于轴承计算器中；②求解寿命是860h；③显然寿命小时数860h远超过500h。轴承6304计算寿命见图15。

图15 轴承6304计算寿命

实际验证：内燃机厂家台架试验700h后，经过拆卸分析和重新装配检验合格。这点与轴承计算器计是吻合的。轴承更换后试验后、报告节录见图16。

图16 轴承更换后、试验后报告节录

4.2 应用轴承设计手册计算寿命

寿命LR（R=0.99） 计算公式 （3）：

式中：n——电机转速，r／min（按交流发电机与内燃机之间传动比而计算得）：4800r／min；ft——温度系数，取0.95；C——轴承额定动载荷，见表1；fP——冲击载荷系数，取1.65；P——当量载荷。

将例1中Ffb=1514.6N带入计算：P=1514.6N。

从例3可知，虽然将6303更换为6304后能满足寿命需要，但是轴承、电机转子轴由直径17mm加大到了20mm，成本上升并且电机工艺性下降，势必要再优化设计。

结合轴承设计手册公式，优化设计见例4。从表1可知：6304p的额定载荷高于6303／6304，那么按公式 （3）进行计算设计。

例4，按公式（3）进行计算设计。利用Matlab进行计算，将已经知道的参数带入公式（3）计算，得出

Lh=1.3456e+03h，远远超过500h值。试验证明见图17，安全可靠的并控制了成本。

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

所以，选择6304p是更优的方案！

小结：利用Matlab对不同轴承，按额定载荷加载计算，可以得出寿命值。对照设计值，比如设计寿命／优化成本等来取舍轴承。不同载荷轴承寿命见图18。

图17 电机热驻留后，轴承完好

图18 不同载荷轴承寿命

5 总结

通过上面的讲述，得到以下几点。

1）内燃机厂家在布置交流发电机是要注意皮带拉力和包角控制与优化。

2）交流发电机厂家在设计电机时应注意电机质量和结构尺寸控制与优化。

3）优化后轴承设计会提高内燃机可靠性和降低电机厂家成本。