車用發(fā)電機(jī)軸強(qiáng)度設(shè)計(jì)

1、車用發(fā)電機(jī)軸強(qiáng)度計(jì)算車用發(fā)電機(jī)軸上一般有兩個(gè)軸承， 分別支撐在驅(qū)動(dòng)端蓋和電動(dòng)端蓋上， 驅(qū)動(dòng)端帶有軸伸，通過其上裝配的皮帶輪來輸入動(dòng)力。軸的強(qiáng)度計(jì)算主要進(jìn)行以下三項(xiàng)：轉(zhuǎn)子鐵芯中心點(diǎn)的撓度、軸的臨界轉(zhuǎn)速和軸伸的疲勞強(qiáng)度。一、 撓度及臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算圖 1 車用發(fā)電機(jī)軸結(jié)構(gòu)示意圖1、發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)軸上的額定容量 P（kW ）。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸傳遞的功率除了產(chǎn)生發(fā)電機(jī)輸出電功率以外，還包括各種摩擦損耗、鐵損耗和繞組銅損耗等，它等于發(fā)電機(jī)額定輸出功率與額定轉(zhuǎn)速時(shí)工作效率的比值，即發(fā)電機(jī)額定輸入功率。發(fā)電機(jī)工作效率隨設(shè)計(jì)水平的高低而變化，可以通過試驗(yàn)手段測出。一般發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速時(shí)的效率在 40 55之間。2、發(fā)電機(jī)額定

2、轉(zhuǎn)速n（ r/min ）。3、轉(zhuǎn)子重量（包括所含轉(zhuǎn)軸部分重量）Gp（kg）。4、帶輪重量（包括所含軸伸部分重量）Gm（kg）。5、帶輪半徑 Rm（ cm）。6、轉(zhuǎn)子鐵芯外徑D（ cm）。7、轉(zhuǎn)子鐵芯長度l m（ cm）。8、單邊空氣隙（ cm），即定、轉(zhuǎn)子之間的主氣隙。9、額定負(fù)載時(shí)扭矩10、傳遞額定容量時(shí)皮帶兩側(cè)的拉力Ppem C M KP102 （N）Rm車用發(fā)電機(jī)一般歸于用V 型帶傳動(dòng)的小型電機(jī)， C 取 1.8。11、轉(zhuǎn)軸數(shù)據(jù)，計(jì)算方法見表1。表 1 轉(zhuǎn)軸的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)軸分diJixi段號(hào)(cm)(cm4)(cm)左 121半 3部xi3xi31總和 S1Ji右1右 2半總和 S2xi3xi

3、31部J i注：表中 Ji 為第 i 段軸的斷面慣性矩，對于圓柱段J d 4 64 。12、轉(zhuǎn)子重力在鐵芯中心處產(chǎn)生的撓度f PG P 2 l 22 S1l 12 S2（cm）3El對于鋼制件，取 E 2.1 106 kg/cm。13、額定負(fù)載時(shí)，皮帶拉力在鐵芯中心處產(chǎn)生的撓度Ppembl 2 S1 （cm）f pem3El 2 1.5lS0S2 l 114、轉(zhuǎn)子的初次計(jì)算偏心15、單邊磁拉力e0（N）Q0 29.4Dl m16、與單邊磁拉力成比例的轉(zhuǎn)軸撓度f 0 f pQ0（cm）9.8Gp17、因單邊磁拉力產(chǎn)生的最后撓度f mf 0（cm）f0 e0118、總撓度ff pf pemf m（

4、cm）對于同步電機(jī)，其轉(zhuǎn)軸總撓度占空氣隙的比率（f/ ）應(yīng)小于 8。19、臨界轉(zhuǎn)速（考慮單邊磁拉力的影響）式中f s9.8Gm f p e mPp e m二、 軸伸強(qiáng)度計(jì)算裝皮帶輪轉(zhuǎn)軸的危險(xiǎn)截面，一般在軸伸的過渡截面或最大彎矩處，如圖 2 中 a 截面、 b 截面。在進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮到發(fā)電機(jī)可能的過載倍數(shù)，對一般電機(jī)瞬時(shí)過載倍數(shù)K 取 2.0；疲勞計(jì)算過載倍數(shù)K p 取 1.5。2圖 2 帶傳動(dòng)軸伸計(jì)算示意圖1、 發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)軸上的額定容量P（ kW ）。2、 發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速 n（r/min ）。3、 皮帶輪半徑 Rm（cm）。4、 計(jì)算截面離皮帶輪中心的距離a、 b（ cm）。5、

5、額定負(fù)載時(shí)扭矩M KP 9550PN m 。n6、傳遞額定容量時(shí)皮帶兩側(cè)的拉力Ppem C M KP102 （N）；Rm車用發(fā)電機(jī)一般歸于用V 型帶傳動(dòng)的小型電機(jī)， C 取 1.8。7、彎矩a 截面： M K p Ppem a10 2（Nm）b 截面： M K p Ppemb10 2（Nm）8、疲勞的計(jì)算扭矩： M nK p M kp（Nm）9、相當(dāng)力矩： M xdM 22（Nm）M n式中對不逆轉(zhuǎn)的車用發(fā)電機(jī)而言，其值取0.40.6。10、抗彎截面系數(shù)純圓斷面： Wd 3；323帶鍵斷面：Wd 3bh0 dh0 20 為鍵槽的寬度和深度（ cm）。32d;b、h11、按疲勞計(jì)算的相當(dāng)應(yīng)力xd

6、10.2M xd（ kg/cm2）W計(jì)算值不得超過下表所列的數(shù)值。xd （kg/cm2 ）鍵槽或不傳力的緊配件傳力的緊配件鋼 35450390鋼 4550044012、屈服的計(jì)算扭矩： M nKM kp（Nm）。13、相當(dāng)力矩： M xdM 20.75M n 2（Nm）。14、按屈服計(jì)算的相當(dāng)應(yīng)力10.2M xd2xd（ kg/cm ）Ws15、安全系數(shù)： ns1.7 ，式中s 為材料的屈服極限。xd16、鍵的擠壓應(yīng)力j 2KM N （kg/cm2） dh0 l 0式中l(wèi) 0 為鍵槽的長度；采用鋼制鍵時(shí)，許用應(yīng)力可取1600 kg/cm2。零件截面發(fā)生突然變化的地方， 都會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，

7、在進(jìn)行軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量減少應(yīng)力集中。因此對階梯軸來說，在截面尺寸變化處應(yīng)采取圓角過渡，圓角半徑不宜過小，并盡量避免在軸上（特別是應(yīng)力大的地方）開切口或凹槽。必須開橫孔時(shí)，孔邊要倒圓。還可采用卸載槽、 過渡肩環(huán)或凹切圓角增大軸肩圓角半徑，以減小局部應(yīng)力。三、 螺紋強(qiáng)度計(jì)算發(fā)電機(jī)軸伸上的皮帶輪一般采用螺紋擰緊，這時(shí)螺紋聯(lián)接受到預(yù)緊力的作用。擰緊力矩過大會(huì)造成軸上的螺紋失效，包括滑絲、壓潰等。螺紋強(qiáng)度計(jì)算就是根據(jù)已知的擰緊力矩來驗(yàn)算選擇的螺紋公稱直徑能否滿足要求。螺紋聯(lián)接的擰緊力矩 T，用來克服螺紋副相對轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力矩 T1 和螺母支承面上的摩擦阻力矩 T2，故式中Q0預(yù)緊力；d2螺紋中徑，查螺紋

8、尺寸表可得；螺紋升角， arctgP；d 24f，f 為螺紋副之間摩擦系數(shù)，為螺紋當(dāng)量摩擦角，arctgcos牙型斜角，普通螺紋為 30 。f c螺母與被聯(lián)接件支承面之間的摩擦系數(shù)，鋼對鋼無潤滑時(shí)取0.15；rf支承面摩擦半徑， r fD1 d0，其中 D1、d0 為螺母支承面的外徑和4內(nèi)徑，見右圖所示。螺紋的危險(xiǎn)截面（螺紋小徑處）除受到預(yù)緊力Q 產(chǎn)生的拉應(yīng)力Q0外，還受到螺紋力矩 T1所引起的d124T1,當(dāng)量應(yīng)力扭切應(yīng)力d1316e 2 3 2 （N/mm 2），其值應(yīng)小于軸螺紋部分的許用應(yīng)力。螺紋的許用應(yīng)力等于軸螺紋所用材料的屈服極限s 與安全系數(shù)S 的比值，在控制擰緊力矩的情況下， S

9、 一般取 1.21.5。第二講發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)計(jì)算發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)主要是定子部件和轉(zhuǎn)子部件的設(shè)計(jì)，由于它是一種同步三相交流發(fā)電機(jī)， 故我們在普通的同步三相交流發(fā)電機(jī)計(jì)算程序基礎(chǔ)上，結(jié)合了一些實(shí)際設(shè)計(jì)過程中積累的經(jīng)驗(yàn)，作出了如下所述的車用交流發(fā)電機(jī)電磁計(jì)算方法。由于車用發(fā)電機(jī)與普通的同步三相交流發(fā)電機(jī)存在較大差異，因此電磁設(shè)計(jì)有些部分（如激磁繞組和激磁勢）比較準(zhǔn)確，而有些部分并不是很準(zhǔn)確，需要通過樣機(jī)試驗(yàn)和其它手段來進(jìn)行修正。重要的是，我們可以從計(jì)算公式中知道發(fā)電機(jī)各種電磁參數(shù)之間的相互關(guān)系和變化趨勢，進(jìn)而指導(dǎo)設(shè)計(jì)。與普通三相同步發(fā)電機(jī)相比，車用發(fā)電機(jī)有以下特點(diǎn)：51、轉(zhuǎn)子極數(shù)較多，因而定子直徑

10、較大，鐵芯長度較短；2、轉(zhuǎn)子為爪極磁極式，由一個(gè)線圈配置在轉(zhuǎn)子內(nèi)構(gòu)成多極激磁繞組；3、每極每相槽數(shù)q 很少，一般1；4、電機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍寬；5、使用壽命比普通型交流電機(jī)短，約為30005000 小時(shí)，因此其溫升可在一般電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)要求基礎(chǔ)上適當(dāng)增加；一主要尺寸的確定交流發(fā)電機(jī)的主要尺寸用D 12 L 表示（ D1 為定子鐵芯內(nèi)徑， L 為定子鐵芯長度），它的選擇關(guān)系到整個(gè)設(shè)計(jì)的水平。如選得過小，很可能造成設(shè)計(jì)失敗，電機(jī)性能達(dá)不到設(shè)計(jì)要求；如選得過大，則會(huì)造成材料的浪費(fèi)。其計(jì)算方法有多種，這里介紹其中的一種方法。1. 電磁功率 P的計(jì)算P ,K e Pnic o s式中Pni：視在輸出功率；K e：

11、電磁增填系數(shù)，應(yīng)在1.051.15 范圍內(nèi)選擇；cos ：功率因數(shù)，小于 1500W 時(shí)取 1；大于 1500W 時(shí)取 0.966；PniPnPd式中Pn：額定輸出功率；Pd ：整流二極管損耗功率Pn1.047 U n I nU n I f式中Un：額定輸出電壓；In：額定輸出電流；I f：勵(lì)磁電流；Pd2 U d I d max6式中Ud ：整流二極管壓降，約1.2V；Idmax：整流二極管最大電流；I d maxI nI f由得出：2. 電磁負(fù)荷的選擇在確定發(fā)電機(jī)主尺寸之前，首先應(yīng)對線負(fù)荷A 和氣隙磁密 B 進(jìn)行初步選擇。這兩個(gè)參數(shù)的選取對交流發(fā)電機(jī)性能和材料利用有較大影響，應(yīng)綜合考慮。

12、A 在一定程度上反映發(fā)電機(jī)電路部分的利用情況，B在一定程度上反映發(fā)電機(jī)磁路部分的利用情況。2.1 線負(fù)荷 A ：表示沿定子圓周上單位長度的安培導(dǎo)體數(shù)式中W ：每相串聯(lián)匝數(shù)；m ：相數(shù)（三相交流發(fā)電機(jī)為 3）；I ：相電流（ A）；D1：定子內(nèi)徑；由于汽車電機(jī)采用強(qiáng)制抽風(fēng)，散熱效果較好，故A 值可取較大，一般為 3550A/mm，雙風(fēng)扇電機(jī)可取5055A/mm；2.2 氣隙磁密 BB 取值應(yīng)考慮在爪極中安放勵(lì)磁線圈的空間及盡量減少漏磁，一般取較低數(shù)值 0.320.33T（特斯拉），使空載轉(zhuǎn)速盡可能小。式中 E ：滿載定子繞組每相電動(dòng)勢 （V），一般取 E =(1 1.2)U（額定相電壓） ; U

13、 =Un /2.34；f ：頻率 =np/60 ；p 為極對數(shù)，通常取 6 ；S：每極氣隙面積（m2）；K dp ：繞組系數(shù)，有兩種取法。對整節(jié)距 q=1 時(shí)一般取 1 ；或單層繞組取 0.96 ，雙層繞組取 0.92 ；72.3極弧系數(shù) 的選擇 值越大，交流發(fā)電機(jī)體積越小，但轉(zhuǎn)子爪極間漏磁增大，使交流發(fā)電機(jī)最大輸出減小，空載轉(zhuǎn)速升高。對汽車發(fā)電機(jī)而言，一般取較小的 值，為 0.60.65 。 與爪極尺寸間的關(guān)系是：bmaxbmin 或2式中 b max ：最大極寬；bmin：最小極寬；bmaxbmin 42：極距 =D1/2p ；：定轉(zhuǎn)子間的主氣隙，一般為0.30.5mm ；2.4電磁負(fù)荷選

14、擇要點(diǎn)a. 電機(jī)輸出功率一定時(shí)，提高電磁負(fù)荷可縮小電機(jī)體積和節(jié)省有效材料；b. 選擇較高的 B時(shí)，一般會(huì)增加鐵芯損耗，而降低繞組電損耗；c. 選取較高的 A 值時(shí)，繞組電損耗將增加；d. 勵(lì)磁電流標(biāo)幺值與 B /A 成正比，故選取較高的 B或較低的 A 時(shí)，勵(lì)磁電流一般要增大；3主要尺寸的確定先估算出 D12L ，然后選擇主要尺寸比 ，分別確定 D1 和 L ；的大小直接影響交流發(fā)電機(jī)的性能溫升及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。對于爪極式交流發(fā)電機(jī)而言，由于爪極間間隙較小，轉(zhuǎn)子漏抗比值較大，小的可減少勵(lì)磁安匝，改善通風(fēng)效果，使定子熱負(fù)荷AJ 選取較大的數(shù)值，從而減少用銅量，提高交流發(fā)電機(jī)的比功。通常 取 0.951

15、.15，即D12L=0.250.3 D13。根據(jù)安裝要求， 對大于 2000W 的發(fā)電機(jī)或同一定子外徑派生的產(chǎn)品，其 值可在 1.52.0 之間選擇。主要尺寸計(jì)算出后，一般要根據(jù)已有系列進(jìn)行優(yōu)選，確定合適的數(shù)8值。二定子計(jì)算1. 定子繞組匝數(shù)計(jì)算1.1 每相串聯(lián)匝數(shù) W 式中E ：相電勢；：額定負(fù)載下每極磁通 WLB m m T ；b1.2 每槽導(dǎo)體數(shù) NsN s2a m W (取整 )Z式中a：定子繞組并聯(lián)路數(shù)；Z：定子槽數(shù)2 pmq ；2. 定子繞組線徑計(jì)算2.1導(dǎo)線截面積 Ao式中 I：交流相電流0.82I d ；Nt：線圈并繞根數(shù)；J：導(dǎo)線容許電流密度。 J 選大，可使導(dǎo)線截面積減小，

16、省銅；但定子內(nèi)阻Ro 增大，電機(jī)溫升增高，效率降低。汽車發(fā)電機(jī)一般取較高的 J 值，在 2025A/mm2，熱負(fù)荷 AJ 在 6001200109A 2/mm2；雙風(fēng)扇發(fā)電機(jī)可取 2530A/mm2。2.2每根導(dǎo)線直徑 do求得的導(dǎo)線直徑須修正到標(biāo)準(zhǔn)值。3. 定子鐵芯槽形確定定子槽形尺寸時(shí)應(yīng)考慮有足夠大的槽面積安放線圈和絕緣，齒部和軛部磁通密度大小適當(dāng)，同時(shí)考慮齒部有一定的機(jī)械強(qiáng)度。3.1 齒寬 b t1式中Kc：鐵芯疊壓系數(shù)，取0.920.95；9Bt1：定子齒磁通密度，取22.5B；t1：定子齒距D1 Z ；3.2 軛高 hj1式中K1：取 0.3580.37；Bj1 ：軛磁通密度，取1.

17、52B；3.3 定子外徑一般取 1.31.37D1，再圓整，靠標(biāo)準(zhǔn)系列。二轉(zhuǎn)子計(jì)算1. 爪極形狀尺寸外徑D2 D1 2 ；計(jì)算極弧長度最大極弧長度最小極弧長度b；bmax4；bmin2bbmax ；極爪長 L pL (24)mm；磁軛長 L12L pL ；極爪端部厚度 a03 4mm；極爪根部厚度 aca0L ptg 0 ；0 取 10 15，大則端部太薄，剛性不足；小則極內(nèi)側(cè)漏磁增大。2. 極掌厚度和磁軛直徑極掌厚度 bmSm bmax ;極身截面積 SmmBm ; Bm 極身磁通密度，一般選為2.53B;轉(zhuǎn)子極軛部磁通m；磁軛直徑Dc4 pSm K ,K 取 1.1；為漏磁系數(shù)，是在所計(jì)算

18、的截面上的磁通和空氣隙磁通的比值，10一般先進(jìn)行預(yù)估，后驗(yàn)算。由于漏磁通計(jì)算相當(dāng)繁復(fù)，實(shí)際中很難求得精確的漏磁系數(shù) 值。這里，提出另一簡易方法。此方法以各主要段磁路中的磁阻大致相等為原則，即各主要磁路段的截面積基本相等。定子齒部截面積bt1 Lmpq ;爪極掌部截面積bm p ;磁軛部截面積D c2kD4 2 ，k 取 0.30，D4 為磁軛內(nèi)孔徑。4根據(jù)上述原則，得出：bmbt1Lmq；D c2D 2bmkD4 2 ；3. 激磁繞組計(jì)算3.1 導(dǎo)線截面積 SfS f135L f FBH k ；U NU b式中FBH ：磁路總磁勢；系數(shù)k 取 1.1；U b：碳刷壓降 1.5V；L f ：繞組每匝平均長度h fDc2d s ， hf 為線圈厚度， ds 為線圈架厚度或絕緣紙厚度；由于 FBH 計(jì)算很復(fù)雜，一般采用另外的簡易方法：S fI fJ f ，其中 Jf 取 610A/mm2，優(yōu)先選取低值，保證熱態(tài)有足夠輸出；激磁電流 I f 20一般 14V 發(fā)電機(jī)取 34A ；28V 發(fā)電機(jī)取 2.53.5A；（）3.2 導(dǎo)線線徑 dfd f4Sf,求得的值應(yīng)靠標(biāo)準(zhǔn)系列圓整（其值為裸徑）。選取定標(biāo)準(zhǔn)系列線徑的導(dǎo)線后，可反過來對電機(jī)所能產(chǎn)生的激磁磁勢進(jìn)行驗(yàn)算，其計(jì)算方法如下述。113.3