張英朋,張揚(yáng)揚(yáng)
(同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院,上海 201804)
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(jiǎn)述如下:車上12 V 直流電給轉(zhuǎn)子中的銅線勵(lì)磁使得轉(zhuǎn)子前后爪機(jī)分別勵(lì)磁為N 極以及S 極,磁路經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子軸到某個(gè)爪極N 極到定轉(zhuǎn)子氣隙然后通過(guò)定子鐵心經(jīng)過(guò)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(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶拖動(dòng)的時(shí)候就形成了定子中的銅線切割勵(lì)磁感應(yīng)線,從而定子中產(chǎn)生交流電,再經(jīng)過(guò)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(dòng)機(jī)的拖動(dòng),發(fā)電機(jī)的振動(dòng)完全受發(fā)動(dòng)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(dòng)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(duì)于四缸機(jī)有更大的扭振,考慮到發(fā)電機(jī)相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的增速比大,工作區(qū)間寬廣,發(fā)動(dòng)機(jī)的各種復(fù)雜振動(dòng)扭轉(zhuǎn)對(duì)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(guó)內(nèi)對(duì)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(duì)礦用自卸車發(fā)動(dòng)機(jī)上的發(fā)電機(jī)進(jìn)行了扭振研究測(cè)試,但是對(duì)于高轉(zhuǎn)速多變化的小型汽油機(jī)三維真實(shí)情況沒(méi)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(kāi)發(fā)了在小型汽油機(jī)上測(cè)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(kāi)發(fā)制定了標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)方法。
對(duì)于自由的剛體而言,共有6 個(gè)自由度,即三個(gè)平動(dòng)自由度和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。利用牛頓第二定律來(lái)表示,平動(dòng)對(duì)應(yīng)的是三個(gè)角速度,轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的是三個(gè)角加速度。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)指的是旋轉(zhuǎn)部件沿旋轉(zhuǎn)方向的扭轉(zhuǎn)振動(dòng),也稱角振動(dòng),角振動(dòng)一般是研究旋轉(zhuǎn)零部件結(jié)構(gòu)的[3]。
對(duì)于單自由度的扭轉(zhuǎn)振動(dòng),其基本運(yùn)動(dòng)方程為:
式中:
J—轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;
M(t)—扭矩。
角振動(dòng)對(duì)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(dòng)慣量越小,抗扭頻率也越高。
1.2.1 測(cè)試電機(jī)
扭振及輪轂力測(cè)試需要準(zhǔn)備一臺(tái)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(hào)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(cè)試。具體測(cè)試系統(tǒng)及電機(jī)在某型號(hào)車型上發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的布置如圖1 所示。
圖1 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)布置圖
對(duì)測(cè)試電機(jī)的準(zhǔn)備有如下幾個(gè)難點(diǎn):
第一 發(fā)動(dòng)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(dòng)的情況下測(cè)得皮帶輪上輪轂力,需要設(shè)計(jì)特殊的皮帶輪對(duì)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(hào)傳輸器。
第三在標(biāo)定設(shè)備的時(shí)候考慮到測(cè)試設(shè)備的噪音信號(hào),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(hào)傳輸器中,主要用來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾、放大和降噪,從而提高測(cè)試的精度。
1.2.2 測(cè)試原理介紹
1)角加速度的測(cè)試原理如下:
光電編碼器每轉(zhuǎn)接受的脈沖信號(hào)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(guò)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(duì)應(yīng)的時(shí)間周期是△t,則瞬時(shí)轉(zhuǎn)速為
如果用弧度來(lái)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(jiǎn)化為如下公式 (5)所示:
對(duì)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(dòng)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(cè)試原理如下:
主要使用電阻應(yīng)變效應(yīng)采用全橋電路測(cè)試輪轂力。具體電機(jī)與特殊工裝如圖2 所示。采集的信號(hào)流轉(zhuǎn)如圖3 所示。
圖2 測(cè)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(hào)首先經(jīng)過(guò)前置放大電路板然后經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)型信號(hào)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(cè)試結(jié)果分析
對(duì)于角加速度與輪轂力的測(cè)試,根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)需要測(cè)試如下工況:發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng),發(fā)動(dòng)機(jī)熄火,怠速,加速工況等四大類。
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)狀態(tài),發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及角加速度的測(cè)試曲線如圖4 所示。
圖4 啟動(dòng)工況電機(jī)速度與角加速度曲線
測(cè)試發(fā)動(dòng)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(cè)試的最大扭矩如圖6 所示。
圖6 測(cè)試極限工況
用此測(cè)試的極限工況來(lái)對(duì)標(biāo)仿真計(jì)算的極限工況,如果測(cè)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(cè)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。
本節(jié)主要是通過(guò)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(kāi)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(guò)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(huì)有80 NM 的鎖緊力矩,當(dāng)發(fā)電機(jī)裝配到發(fā)動(dòng)機(jī)上時(shí),隨著發(fā)動(dòng)機(jī)工況的波動(dòng),發(fā)電機(jī)皮帶輪會(huì)受到發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞過(guò)來(lái)的輪轂力同時(shí)要承受發(fā)動(dòng)機(jī)急加速以及急減速等情況下的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。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(lái)自發(fā)動(dòng)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(duì)轉(zhuǎn)子的可靠性要求非常高。
為了簡(jiǎn)化研究對(duì)象利用FEM 可以把模型簡(jiǎn)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(jiǎn)化模型
根據(jù)實(shí)際工藝控制螺栓鎖緊力矩為80 NM ,測(cè)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(wèn)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(cè)試情況下減去3σ后得到的。
由于發(fā)動(dòng)機(jī)上輪轂力隨時(shí)間是波動(dòng)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(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)候的設(shè)計(jì)極限扭矩,對(duì)比設(shè)計(jì)極限扭矩與測(cè)試扭矩。如果極限扭矩小于測(cè)試扭矩則容易發(fā)生滑動(dòng)現(xiàn)象,如果極限扭矩大于測(cè)試扭矩則設(shè)計(jì)安全可以抵抗外部扭矩的波動(dòng)[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(guò)大量的打滑力矩測(cè)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(guò)分析不同發(fā)動(dòng)機(jī)工況下,在對(duì)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(dòng)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(cè)車上數(shù)據(jù)根據(jù)同一種輪轂力情況下找到發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng),怠速以及急加減速等工況下最大的瞬態(tài)扭矩,對(duì)比仿真與實(shí)測(cè)的曲線如圖11 所示。
圖11 仿真數(shù)據(jù)與測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比
對(duì)比仿真與測(cè)試結(jié)果,發(fā)現(xiàn)非正常打緊情況下的曲線與測(cè)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(dòng)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(cè)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。
本文主要研究開(kāi)發(fā)了汽車發(fā)電機(jī)的扭振及輪轂力的測(cè)試方法以及開(kāi)發(fā)FEM 仿真方法,通過(guò)測(cè)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(guò)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(dòng)以及輪轂力能力的建設(shè)。
2)采用FEM 技術(shù)開(kāi)發(fā)新的計(jì)算方法,預(yù)測(cè)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(kāi)發(fā)以及售后問(wèn)題的分析提供了新方法。