冯应超

上汽通用五菱股份有限公司 广西柳州市 545007

1 引言

离合器是轴系传动中最常用的连接部件，涉及国民经济的众多领域，被广泛用于印染、纺织、食品、包装、印刷、轻工、起重、汽车、精密机械、电机等机械产品和装置中，国内外对离合器的开发应用都十分重视。常见的有机械离合器和电磁离合器，电磁离合器相比于常规机械离合器有明显的特点。如结构紧凑，响应快，寿命长，操作简单，使用维护方便。本文以某汽车利用带电磁离合器的发电机给无人植保机的智能飞行电池充电为分析对象，对发电机电磁离合器的选型、设计开发作了分析对比，得到了相应的结论。

2 电磁离合器发电机的布置

带离合器的发电机的主要作用是给无人机电磁充电，只需在汽车停止时才启动发电，因此通过离合器来控制该发电机的工作启停是较好的选择。把带离合器的发电机布置在汽车发动机前端，通过一根布置在发动机曲轴皮带轮外侧的弹性多楔带驱动如图所示1。不带离合器的常规发电机、压缩机、水泵等前端附件则是由另一根布置在曲轴皮带轮内侧的普通聚酯皮带驱动。

图1 电磁离合器发电机布置图

3 确定发动机曲轴皮带轮、电磁离合器发电机带轮直径

选择皮带轮的直径首先要考虑发电机功率、扭矩与转速的关系（图2），可以看出发电机高效发电转速范围在5000转/分～10000转/分，然后根据发动机输出扭矩与转速的关系（图3），找到一个相对最优发动机转速，即发动机转速约3600转/分左右，从而可以发电机的转速比为2（即发电机皮带轮直径和曲轴皮带轮直径的比值），此时当发动机在最优转速下，发电机的转速为7200转/min，满足发电机高效发电转速范围，设计是合理的。从图2可以看出发电机在工作过程中的最大扭矩23.5N.m，离合器扭矩传递的安全系数选1.75，所以电磁离合器传递扭矩必须大于23.5×1.75=41.1N.m，因此本文选择电磁离合器皮带轮有效直径95，根据转速比，得出曲轴皮带轮有效直径190。

图3 发动机输出扭矩与转速关系

图2 发电机输出功率——转速关系

4 电磁离合器发电机皮带的选择

根据发电机的功率和转速关系、转动惯量、离合器皮带轮直径、曲轴皮带轮直径、传动比、发动机角振动数据、皮带轮的槽型等输入数据，计算出所需皮带的类型、宽度以及规格长度，根据计算结果选择发电机皮带尼龙线绳的弹性多楔带，楔数为5楔。

5 电磁离合器的选择

5.1 电磁离合器分类

电磁离合器可分为摩擦片式电磁离合器，牙嵌式电磁离合器，研粉电础离合器，转差式电磁离合器，永碰电磁离合器等。图4所示：

图4 电磁离合器分类

5.2 电磁离合器的优点

1）可以提高传动系统的机械性能，传动系统在使用电磁离合器后，可实现快速启动和制动，利用电的控制方法，可调节电磁离合器的力矩上升时间，以实现传动系统的连续平滑启动。

2）可以提高传动系统的操作性能，实现集中控制与远距离操纵，简化操作程序，减少操作时间，易实现自动化控制。

3）操作安全和具有过载保护减少误操作和误动作，提高操纵安全性。除牙嵌式离合器外，其他电磁离合器均可起到过载保护作用。

4）维护方便，控制简单，电磁离合器控制线路简单，维护方便、湿式电磁离合器在正常使用中，其寿命是半水久性的。

本文选用的发电机电磁离合器是有滑环单片干式摩擦片电磁离合器。

5.3 电磁离合器的结构组成

发电机的电磁离合器的组成只要由8个子零件组成，如图5：

图5 电磁离合器的组成

5.4 电磁离合器与发电机相关零件的装配接口和工作原理

干式单片摩擦片式电磁离合器的电磁线圈总成7通过弹性挡圈8固定在发电机外壳上，圆周方向运动的限制通过在发电机外壳设计一个键槽，如图6，线圈总成外壳上直接设计一个凸出来的键来限制线圈总成的圆周运动，皮带轮总成5通过弹性挡圈4固定在带轮的轴向运动，内部压装有轴承，轴承内孔安装在发电机主轴的，圆周方向可以自由运动，吸盘总成3通过安装螺栓固定在发电机主轴上，通过内部花键与发电机主轴的花键（图6）进行传递扭矩，吸盘摩擦端面与皮带轮总成摩擦侧面的距离通过调整垫片2来调整，此距离称为空气间隙，根据离合器传递扭矩、输入电流等因素来选择。离合器输入电流通过接插件8经发电机继电器与电源相连。当接通发电模式开关时，汽车发动机启动，发电机继电器接通，发电机的电磁线圈通电，产生较强的磁场，使发电机的电磁离合器吸盘总成3和自由转动皮带轮总成5吸合，从而驱动发电机主轴旋转，发电机开始工作，给电池发电。发电机继电器断电时，切断了电磁离合器线圈的电流，磁场就消失，此时靠弹簧作用把从吸盘总成3和皮带轮总成5分开，使发电机停止工作。

图6 发电机与电磁离合器装配接口示意图

5.5 电磁离合器的供电

离合器的电压按照离合器标准参数，离合器绕组有汽车常规的12V电池直接供电，其电压和电流是稳定的，所以线圈通电产生的磁场力是一致的，产生吸合力稳定的，故离合器的传递扭矩是比较稳定的，电路图如图7。

图7 发电机与电磁离合器装配接口示意图

5.6 电磁离合器选用计算

离合器选择最重要的因素是扭矩。由于不同机械特性的要求不同，受负载、惯量、频率、转速、时间等因素影响，必须充分地考虑适当大的安全系数。扭矩表示所传递的动力，假如摩擦片数一定，则所传递扭矩大小和离合器有效半径相对应。但在实际上，速度、温度、摩擦片的摩损情况，污染情况都影响工作扭矩。

在设计过程中，计算扭矩是工作载荷的惯性和运动载荷的惯性之和，用T表示计算扭矩可用下式求出：

式中Wr---旋转组件的重量kg ，K---旋转组件的回转半径m，N---回转转数 rpm ，S---工作安全系数，

WL---直线运动组件的重量kg，V---线性速度，R---变旋转运动为直线运动皮带轮的半径m，g---9.8m/sec

t---机器起动所需时间sec，tm---电磁离合器吸合时间sec

经过计算，本发电机电磁离合器所需的最小扭矩要求大于41.2，因此本文选择一款条形弹簧型吸盘的干式单片摩擦电磁离合器，其理论扭矩43.3，符合设计要求。

6 发电机皮带计算校核

利用SimDrive3D仿真软件校核系统的静态布局参数以及及动态参数，把发电机、皮带以及发动机等相关数据输入仿真系统，建立仿真计算模型进行计算。最终得出仿真结果，满足系统设计要求。（系统设计要求：1、皮带打滑率＜2%，2、最大皮带抖动＜皮带跨距的10%）。

7 发电机皮带系统测试

7.1 汽车发电机给无人机电池充电过程就是，首先在汽车上点击发电模式按钮，发动机启动，等待发动机转速到达发电转速时（3600转/分），电磁离合器接合，发动机曲轴皮带轮驱动电磁离合器皮带轮，离合器皮带轮带动发电机主轴，转子转动，发电机开始工作，给电池充电。根据这个过程，发电机皮带的动态测试就只需要测试电磁离合器接合以及正常发电工况下的皮带打滑、皮带抖动，通过利用行业应用较多的Rotec测试系统对发电机皮带进行测试，测试结果皮带最大打滑率1.98，皮带抖动最大6.5%，满足6中系统要求。通过以上测试及验证可进一步确认电磁离合器选择的合理性、发电机皮带系统设计的可靠性。

8 结束语

电磁离合器应用在发电机上，本文总结了相关设计要求，并提出了相应的开发和验证流程，对于开发农用车辆增加充电系统、匹配开发无人植保机而进行汽车带电磁离合器发电机的开发具有一定的参考价值。