汽車(chē)發(fā)電機(jī)平板式安裝方式設(shè)計(jì)及特性概述

韓文飛，劉玉坤，許雨濤，鮑帥華 ，李 強(qiáng)，劉國(guó)慶，汪名月，趙福成，王瑞平，2

（1．寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司，浙江 寧波 315336；2．浙江吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，浙江 寧波 315800）

汽車(chē)發(fā)電機(jī)平板式安裝方式設(shè)計(jì)及特性概述

韓文飛1，劉玉坤1，許雨濤1，鮑帥華1，李 強(qiáng)1，劉國(guó)慶1，汪名月1，趙福成1，王瑞平1，2

（1．寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司，浙江 寧波 315336；2．浙江吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，浙江 寧波 315800）

介紹平板式安裝方式的發(fā)電機(jī)外形結(jié)構(gòu)及相關(guān)設(shè)計(jì)要素，分析其優(yōu)缺點(diǎn)和設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，并通過(guò)實(shí)例仿真數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明其設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

掛角式安裝；平板式安裝；固有頻率；振動(dòng)失效；仿真分析

傳統(tǒng)汽車(chē)發(fā)電機(jī)通常為掛角式安裝方式，這一方式在標(biāo)準(zhǔn)SAE J180中有明確定義，發(fā)電機(jī)安裝由上（單）下（雙）3個(gè)掛角（Hinge mount）或者上（單）下（單）2個(gè)掛角（Spool mount）安裝在專用支架上。雖然在后續(xù)發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)了雙-雙掛角（Doublehinge mount）等變形方式，但這種掛角式安裝方式確實(shí)存在振動(dòng)失效的隱患，電機(jī)本體端蓋及內(nèi)部零件均容易出現(xiàn)振動(dòng)失效。

從20世紀(jì)90年代末期開(kāi)始，隨著大功率發(fā)電機(jī)在高速公路商用車(chē)的應(yīng)用，此種發(fā)電機(jī)振動(dòng)失效比率明顯上升。由此誕生第1代采用平板安裝方式的發(fā)電機(jī)外形設(shè)計(jì)，此種設(shè)計(jì)取消了傳統(tǒng)采用2根螺栓通過(guò)軸向方向?qū)⑸舷聮旖枪潭ǖ陌惭b方式，而是采用3～4根螺栓在側(cè)向方向上將發(fā)電機(jī)安裝在支架（缸體）上的安裝方式。側(cè)向安裝方式相較于傳統(tǒng)掛角安裝，可以有效降低電機(jī)外伸距離，從而降低發(fā)電機(jī)遠(yuǎn)端振動(dòng)的惡劣情況；同時(shí)有利于從設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上提升電機(jī)的固有頻率，進(jìn)一步增強(qiáng)其強(qiáng)度。這一點(diǎn)對(duì)于功率比較大（定子直徑大）的電機(jī)改善更為明顯。

圖1 SAE J180定義的2種掛角安裝方式

標(biāo)準(zhǔn)中安裝方式可以將下掛角采用螺栓安裝到支架上，安裝后可以類(lèi)似于鉸鏈方式旋轉(zhuǎn)，因此這種結(jié)構(gòu)也能為發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)皮帶提供手動(dòng)張緊。

后續(xù)發(fā)展過(guò)程中采用雙-雙掛角的變形形式，以增強(qiáng)電機(jī)本體的安裝強(qiáng)度，如圖2所示。

1 背景介紹

在SAE J180標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)2種掛角式安裝做出了明確定義［1］，如圖1所示。

圖2 雙-雙掛角的一些形式

從1998年左右開(kāi)始，平板式安裝方式初次開(kāi)始批量生產(chǎn)應(yīng)用，這一改進(jìn)同時(shí)伴隨著自動(dòng)張緊器及多楔帶的批量應(yīng)用。隨著現(xiàn)代汽車(chē)工業(yè)對(duì)于輪系附件壽命要求的進(jìn)一步提高及維護(hù)保養(yǎng)的簡(jiǎn)易化，鉸鏈?zhǔn)绞謩?dòng)張緊的方式逐步淘汰，自動(dòng)張緊器得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)隨著發(fā)電機(jī)功率要求提高，體積進(jìn)一步增大及振動(dòng)環(huán)境的進(jìn)一步惡化，平板式安裝方式得到了越來(lái)越多的應(yīng)用［2］。圖3為平板安裝方式的發(fā)電機(jī)外形。

圖3 平板式安裝方式

2 平板安裝方式

2.1 平板安裝方式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

平板安裝方式螺栓采用側(cè)向安裝，電機(jī)一側(cè)形成平面（或數(shù)個(gè)平行面）與支架（缸體）安裝面裝配在一起，通過(guò)螺栓擰緊進(jìn)行固定。這樣電機(jī)安裝面的一些尺寸變得比較重要，通常會(huì)認(rèn)為是電機(jī)的關(guān)鍵尺寸。這些尺寸的定義及特性如圖4所示。

圖4 平板式安裝方式的關(guān)鍵尺寸

通常定義孔D2（前端蓋）為基準(zhǔn)孔，后端蓋上的孔D1與其需定義距離尺寸公差（或者以位置度的形式定義）；同時(shí)與前端蓋上下孔的距離公差一起確保電機(jī)各孔能夠與安裝位置上各孔位有效配合。前端蓋上孔與皮帶輪槽的距離L2定義了電機(jī)皮帶輪在整個(gè)前端輪系中的對(duì)齊度；前端蓋上孔到皮帶輪中心的距離L5及安裝面到皮帶輪的距離L4定義了電機(jī)皮帶輪在整個(gè)輪系中坐標(biāo)點(diǎn)的位置。以上這些尺寸確保電機(jī)在輪系中的安裝位置正確。安裝面的平面度（或平行度）非常關(guān)鍵：1確保電機(jī)安裝面與支架安裝面能夠有效配合，在安裝螺栓擰緊后兩平面之間配合沒(méi)有產(chǎn)生多余的應(yīng)力，避免疲勞及振動(dòng)后裝配應(yīng)力消失導(dǎo)致螺栓力矩松動(dòng)造成失效。2如果因不平行導(dǎo)致安裝力矩過(guò)大，可能會(huì)使電機(jī)前后端蓋發(fā)生相對(duì)扭轉(zhuǎn)，其應(yīng)力均會(huì)施加在連接電機(jī)前后端蓋的貫穿螺栓上，容易造成貫穿螺栓的早期失效，電機(jī)本體破損。

因?yàn)榍昂蠖松w孔分開(kāi)的設(shè)計(jì)方式在電機(jī)本體裝配上比較困難，很難保證安裝面平面度的一致性。有些設(shè)計(jì)為了確保此平面度，采用在一個(gè)端蓋上設(shè)計(jì)所有安裝孔并一次加工完成的方式（圖3右側(cè)）。這種方式對(duì)于尺寸的一致性保證較好，但由于后端蓋屬于懸空的方式，僅依靠電機(jī)貫穿螺栓鎖緊在前端蓋上。因此后端蓋上的零部件（包括電器總成、端蓋、線束等）在振動(dòng)工況下加速度產(chǎn)生的沖擊均施加于貫穿螺栓及前端蓋上，較易造成前端蓋的失效。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化上需要著重考慮這些因素，并適當(dāng)做一些調(diào)整。原則上大電機(jī)（150 A以上）推薦采用前后端蓋均帶安裝孔的布置（圖3左側(cè)），小電機(jī)（150 A以下）可以采用安裝孔均布置在前端蓋上的方式。

一般情況下，為確保安裝尺寸的有效性及尺寸鏈的累積，通常會(huì)把后安裝孔設(shè)計(jì)為腰圓孔。特別是前后端蓋分別有安裝孔的情況，這樣安裝便利，如圖5所示。

另外需要注意的是：考慮到安裝及拆卸過(guò)程的便利性及人機(jī)學(xué)，由于平板式安裝很難保證電機(jī)孔一次對(duì)正，且采用平板式安裝的電機(jī)又相對(duì)比較大比較笨重。因此需要考慮設(shè)計(jì)一個(gè)或兩個(gè)襯套配置在電機(jī)本體上或者安裝支架上。操作人員在安裝電機(jī)時(shí)可以先將襯套與安裝面的孔配合以找正相對(duì)位置，且在電機(jī)沒(méi)有擰上螺栓時(shí)也可以提供一定的支撐，避免人員疲勞。如圖6所示。2.2 平板式安裝優(yōu)缺點(diǎn)分析2.2.1 平板式安裝優(yōu)點(diǎn)

圖5 一種帶腰圓孔的后掛角典型設(shè)計(jì)

1）可以提升電機(jī)整體強(qiáng)度，降低振動(dòng)失效的概率。

2）可以取消原來(lái)的專用支架，甚至可以將張緊器等安裝在電機(jī)本體上，降低了成本。

3）減小電機(jī)在側(cè)向上伸出的長(zhǎng)度，留出了更多空間方便整機(jī)布置。

2.2.2 平板式安裝缺點(diǎn)

1）安裝較繁瑣，鎖緊的工序相較于傳統(tǒng)增多。

2）整體加工難度增大。端蓋的加工方式及設(shè)備需要有較大的更新，總裝時(shí)加大了裝配和檢驗(yàn)的難度。

3）在某些車(chē)型上，側(cè)向安裝的螺栓可能會(huì)與水箱模塊等產(chǎn)生干涉，增加了安裝維修的難度。

4）相較于傳統(tǒng)掛角，不利于各系列電機(jī)在多種發(fā)動(dòng)機(jī)上的平臺(tái)化的統(tǒng)一。

因此，電機(jī)開(kāi)發(fā)初期還是應(yīng)當(dāng)慎重選擇電機(jī)的安裝方式。

2.3 注意事項(xiàng)

在設(shè)計(jì)時(shí)，平板安裝方式若采用對(duì)稱尺寸的設(shè)計(jì)，則很容易造成 電機(jī)自身錯(cuò)裝及電機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)上的錯(cuò)裝。因此在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免完全對(duì)稱的設(shè)計(jì)，或者作一些防錯(cuò)設(shè)計(jì)或明顯標(biāo)示，防止出現(xiàn)錯(cuò)裝的情況。

另外，在設(shè)計(jì)初期需要對(duì)整體端蓋強(qiáng)度進(jìn)行校核，特別是前端蓋集成所有安裝孔的設(shè)計(jì)方式。需要對(duì)貫穿螺栓部位進(jìn)行專門(mén)的加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)，確保整機(jī)強(qiáng)度及可靠性，如圖7所示。

圖6 安裝在電機(jī)本體上的襯套

圖7 貫穿螺栓附近的加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)

3 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及FEA分析

在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一款BSG電機(jī)的過(guò)程中，經(jīng)歷了由初始的掛角式安裝方式到平板式安裝方式的改變，在這一過(guò)程中使用FEA工具對(duì)電機(jī)的固有頻率等進(jìn)行了仿真分析，并最終確認(rèn)了電機(jī)的外形結(jié)構(gòu)。

3.1 初始設(shè)計(jì)

初始采用由制造商推薦的雙-雙掛角安裝方式，并匹配了對(duì)應(yīng)的支架，如圖8所示。

對(duì)電機(jī)進(jìn)行固有頻率分析，結(jié)果顯示不能滿足一階固有頻率大于300 Hz的要求，如圖9所示。

圖8 雙-雙掛角安裝方式的BSG電機(jī)

圖9 FEA分析結(jié)果

3.2 改進(jìn)設(shè)計(jì)

針對(duì)分析結(jié)果及整車(chē)安裝位置匹配的情況，重新對(duì)整個(gè)電機(jī)的本體進(jìn)行了設(shè)計(jì)。將原先的雙-雙掛角安裝方式變?yōu)槠桨灏惭b方式，如圖10所示。

對(duì)改進(jìn)后的電機(jī)進(jìn)行固有頻率分析，在經(jīng)過(guò)一些局部的設(shè)計(jì)強(qiáng)化后，采用平板安裝方式的電機(jī)能夠滿足一階固有頻率的要求，如圖11所示。

圖10 平板安裝方式的電機(jī)

4 結(jié)論

平板安裝方式的電機(jī)外形設(shè)計(jì)，優(yōu)化增強(qiáng)電機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，降低失效發(fā)生概率效果明顯。作為一種較新的設(shè)計(jì)思路，在目前的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中可以成為一種較好的選擇。但同時(shí)其缺點(diǎn)也需要考慮，在發(fā)電機(jī)新項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，需要通過(guò)實(shí)際情況優(yōu)化選擇最終的安裝方式及結(jié)構(gòu)。

圖11 平板安裝方式電機(jī)FEA分析結(jié)果

［1］ SAE J180 Revised JAN200［S］．

［2］ Dave Schweikert，Charlie Groeller，William Klein，Et al．Pad Mount Alternators：Benefits&Advantages and Specification Proposal［J］.SAE Technical Paper Series，2002-01-1281．

（編輯 心 翔）

Pad Mount Alternator：Design and Features Summary

HAN Wen-fei1，LIU Yu-kun1，XU Yu-tao1，BAO Shuai-hua1，LI Qiang1，Liu Guo-qing1，WANG Ming-yue1，ZHAO Fu-cheng1，WANG Rui-ping1,2
（1. Ningbo Geely Royal Engine Components Co.，Ltd.，Ningbo 315336；2. Zhejiang Geely Royal Engine Co.，Ltd.，Ningbo 315800，China）

This paper will introduces pad mount alternator outline structure and design elements，analyzes its advantages and disadvantages，and lists some key points of design. Then its design features are demonstrated based FEA.

hinge mount； pad mount；natural frequency；vibration failure；FEA

U464.142.1

A

1003-8639（2017）10-0041-03

2017-01-04；

2017-04-04

韓文飛（1984-），男，湖北武漢人，目前主要從事汽車(chē)發(fā)電機(jī)及BSG電機(jī)的開(kāi)發(fā)工作。