汽車交流發電機軸承選擇和使用探討

姚建鋒 陳駿

摘要：汽車交流發電機是汽車電氣系統的重要組成部分，其工作性能與使用壽命將影響到汽車整體的可靠性。軸承是汽車交流電機的關鍵部件，由于軸承在使用中的工作環境問題以及復雜的運行工況使其更容易發生失效，進而導致交流發電機發生故障而不能正常運行。選擇合適的軸承是保證其交流發電機正常運行的前提，只有根據工作負載、工作環境等參數合理選擇軸承的類型并合理使用與做好日常維護等工作，才能有效提高軸承的可靠性從而提高汽車交流發電機的使用壽命。

關鍵詞：汽車交流發電機;軸承;軸承選擇;軸承使用

0? 引言

汽車交流發電機作為汽車中的電力供給系統在電氣系統中起著重要作用。然而電機系統構成部件眾多且復雜，不同部件的可靠性存在差異，因此為了提高交流發電機的使用壽命需要針對其關鍵部件進行科學的選型與合理的運維。軸承作為電機中重要的傳動部件，在汽車電機系統中應用廣泛。但是長期工作在不良的運行環境以及惡劣的工況下容易發生失效，導致電機發生卡頓進而導致電機無法轉動而出現故障。有些軸承無法達到其設計的壽命而提前失效。一方面是由于軸承的選型不合理，軸承的承載能力無法匹配其使用工況;另一方面是軸承缺乏良好的周期性以及預防性的維護工作。這兩方面的問題將導致軸承的使用壽命大大降低，這不僅影響到汽車電機的使用性能，嚴重情況下軸承失效導致的問題會對電機以外的其他部件產生影響。因此有必要對軸承進行合理的選型以及合理的使用與維護。

1? 汽車交流發電機的結構組成與工作原理

汽車交流發電機作為發電機的一種，其工作原理與普通電動機一樣都是基于電磁感應原理。當磁通受到磁場中運動的導體切割時，在導體中會產生感應電動勢。汽車發電機的基本原理是由電磁感應產生的電動勢進而產生電能。鐵芯上的線圈在遇到旋轉磁場與之相切割時會產生較大的電動勢，從而形成較大的電流。交流發電機產生的電流的方向與大小都不斷變化。交流發電機主要由定子、轉子、前后端蓋、皮帶輪、調節器、整流器等電子元件、軸承、皮帶輪等部件組成。轉子的主要作用是產生旋轉磁場。轉子主要由轉子軸、爪極、磁場繞組、滑環等部件組成。定子是指電機中靜止不動的部分，定子主要由定子繞組、鐵芯構成，在磁場中被磁力線切割進而產生電流。整流器的主要作用是將發電機輸出的三相交流電轉換為直流電。調節器的作用是將電壓維持到一定范圍。軸承是交流電機中重要的傳動部件，中心軸通過間隙配合安裝與軸承上并與皮帶輪連接實現動力傳輸。在實際應用中發動機飛輪與軸承之間的相對安裝位置不同導致其受力大小不同，這對其可靠性產生了較大的影響，因此發電機廠商在布置發電機軸承位置時應當考慮到其使用壽命以及可靠性。

2? 汽車交流發電機軸承的選擇

2.1 軸承的受力分析

由圖2中的軸承受力分析可得，轉子軸所受的拉力為F，皮帶輪所受的拉力為T兩皮帶輪之間的夾角為θ，則可以求得轉子軸所受的拉力為：

式中，F為轉子軸所受的拉力;T為皮帶輪的拉力該拉力與皮帶輪中的功率、皮帶輪的轉速等參數有關;θ為皮帶輪的包角大小。

交流發電的轉動軸通過皮帶輪將發動機的動力進行傳遞，轉動軸所受的拉力為F。根據軸承2中心為支撐點對其進行受力分析可得：

因此可以得到軸承1所受的載荷為：

其中，F為轉動軸所受的載荷;Ffb為軸承1所受的載荷;Fc為轉子的重力與旋轉產生的離心力之和;Fab為軸承2所受的載荷。L1為皮帶輪與軸承1之間的距離;L2為軸承1與轉子之間的距離;L3為轉子與軸承2之間的距離。

由以上公式可知轉子軸所受的拉力F與皮帶所受的拉力T以及皮帶輪的包角θ大小相關，這些參數由設計者根據發電機的位置等參數進行設計。軸承所受的載荷與轉子軸所受的拉力以及轉子與軸承2之間的距離，軸承1與軸承2之間的距離相關。因此與軸承所承受的載荷相關的因素有：①發電機的安裝位置（皮帶輪包角θ）;②皮帶輪的受力大小;③軸承之間的距離以及軸承與轉子之間的距離。因此需要確定以上參數便能夠計算軸承所受的載荷大小。

2.2 軸承使用壽命的計算

軸承的承載能力與其類型以及尺寸相關，一般情況下，在相同的外形條件下滾子軸承的承載能力要比深溝球軸承的承載能力高。汽車發電機軸承主要承受徑向載荷。軸承的壽命與載荷之間的關系可由以下公式來進行表示：

其中，L1表示為基本額定壽命（106轉），ft表示為溫度系數，C為基本額定動載荷，P為當量動載荷，ε為壽命系數，當軸承為球軸承時ε=3，當軸承為滾子軸承時ε=3.33，因為相同尺寸下滾子軸承的壽命比求軸承的壽命高，因此其壽命系數相應增大。可以將其換算成小時表示如下：

其中，Lh為基本額定壽命，n為軸承的轉動速度（r/min）

其中溫度系數可由表1查表進行獲取：

當軸承既受到徑向載荷又受到軸向載荷時，可以根據當量動載荷進行轉換，當量動載荷的計算公式如下：

式中P為當量動載荷，X為徑向動載荷系數，Y為軸向動載荷系數，Fr為徑向動載荷，Fa為軸向動載荷。

在汽車發電機壽命的計算可以根據其承受載荷的類型以及大小，所選擇軸承的類型等條件進行使用壽命的計算。

3? 汽車交流發電軸承的使用與維護

交流發電機相比于直流發電機來說有很多優點，比如它的重量輕，結構小，維修方便、使用壽命較長等特點，為了更好的延長其使用壽命應當了解其易損部件，并結合專業知識對其進行定期保養維護，以使其性能達到最優。

3.1 定期保養

定期進行發電機的保養工作，重點排查容易失效的部件，如軸承，檢查軸承是否密封圈內是否有異物進入，避免加速磨損。用除塵設備對軸承表面的灰塵雜質進行去除，保持表面以及密封圈內無異物的環境。檢查安裝軸承的支座螺栓有無松動，當螺栓出現松動時會加劇軸承的振動，長期處在高頻振動下會加速軸承的磨損從而縮短其使用壽命。因此，需要對電機軸承以及其他部位的緊固螺栓進行擰緊。此外為了保持交流發電機良好的工作狀態，需要仔細檢查發電機其他部件的狀態。比如集電環的磨損狀態，如果集電環表面出現污垢可以用酒精進行擦拭以消除表面的污垢。檢查整流的二極管，可以使用萬用表進行電阻的檢查，當發現電阻不合格時，需要及時更換整流二極管。

3.2 故障分析與排查

軸承作為汽車發電機的關鍵部件，在實際的應用中，軸承同時承受重載、高速、高溫等工作環境，導致其容易出現早期的失效模式。如果發現軸承出現早期的失效模式而又不采取措施進行維護的話，其早期故障會逐漸惡化演變為嚴重故障，最終導致軸承失效致使設備停機。軸承常見的失效模式有內圈故障、外圈故障、保持架故障以及滾動體故障。導致其失效模式發生的原因除了重載、高速、高溫以及變速的工作條件外，多塵、潮濕等外部環境因素也是導致其失效的主要原因。因此，在定期保養時需要結合早期失效特征判斷早期失效原因。具體方法如下：首先，將密封圈撬開，觀察潤滑脂的顏色以及濕潤度，確定是否受到環境的污染，其次，將軸承進行拆套，關鍵零部件表面的細微狀況，觀察軸承內外圈滾道、滾珠表面是否出現磨損、點蝕以及其他缺陷，長期運行下滾珠以及滾道中磨損脫落的金屬屑會摻雜在潤滑油脂中，因此需要對軸承滾道內的潤滑脂進行清理。如果發現嚴重的缺陷并且不可修復需要及時對軸承進行更換。

4? 結論

汽車發動機軸承是該系統中的核心且易損部件，為了提高其使用壽命與可靠性。需要對軸承進行合理的選型以及科學合理的使用維護。具體方法為，在選型時需要根據安裝位置，轉軸受力等參數校核軸承的載荷，使所選軸承與工況相匹配，并計算該工況下的額定使用壽命，從而為軸承的使用周期提供參考，這需要設計者綜合考慮到汽車發電機與發動機之間的安裝位置，皮帶輪的受力，皮帶輪的包角等參數;在使用上需要對定期對軸承進行維護保養，定期清理灰塵雜質，對零部件表面的狀態進行仔細檢查，判斷其是否出現早期故障，從而對其進行維護或者更換保證整體系統的性能，提高整體系統的可靠性。

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