汽车交流发电机轴承选择和使用探讨

姚建锋 陈骏

摘要：汽车交流发电机是汽车电气系统的重要组成部分，其工作性能与使用寿命将影响到汽车整体的可靠性。轴承是汽车交流电机的关键部件，由于轴承在使用中的工作环境问题以及复杂的运行工况使其更容易发生失效，进而导致交流发电机发生故障而不能正常运行。选择合适的轴承是保证其交流发电机正常运行的前提，只有根据工作负载、工作环境等参数合理选择轴承的类型并合理使用与做好日常维护等工作，才能有效提高轴承的可靠性从而提高汽车交流发电机的使用寿命。

关键词：汽车交流发电机;轴承;轴承选择;轴承使用

0  引言

汽车交流发电机作为汽车中的电力供给系统在电气系统中起着重要作用。然而电机系统构成部件众多且复杂，不同部件的可靠性存在差异，因此为了提高交流发电机的使用寿命需要针对其关键部件进行科学的选型与合理的运维。轴承作为电机中重要的传动部件，在汽车电机系统中应用广泛。但是长期工作在不良的运行环境以及恶劣的工况下容易发生失效，导致电机发生卡顿进而导致电机无法转动而出现故障。有些轴承无法达到其设计的寿命而提前失效。一方面是由于轴承的选型不合理，轴承的承载能力无法匹配其使用工况;另一方面是轴承缺乏良好的周期性以及预防性的维护工作。这两方面的问题将导致轴承的使用寿命大大降低，这不仅影响到汽车电机的使用性能，严重情况下轴承失效导致的问题会对电机以外的其他部件产生影响。因此有必要对轴承进行合理的选型以及合理的使用与维护。

1  汽车交流发电机的结构组成与工作原理

汽车交流发电机作为发电机的一种，其工作原理与普通电动机一样都是基于电磁感应原理。当磁通受到磁场中运动的导体切割时，在导体中会产生感应电动势。汽车发电机的基本原理是由电磁感应产生的电动势进而产生电能。铁芯上的线圈在遇到旋转磁场与之相切割时会产生较大的电动势，从而形成较大的电流。交流发电机产生的电流的方向与大小都不断变化。交流发电机主要由定子、转子、前后端盖、皮带轮、调节器、整流器等电子元件、轴承、皮带轮等部件组成。转子的主要作用是产生旋转磁场。转子主要由转子轴、爪极、磁场绕组、滑环等部件组成。定子是指电机中静止不动的部分，定子主要由定子绕组、铁芯构成，在磁场中被磁力线切割进而产生电流。整流器的主要作用是将发电机输出的三相交流电转换为直流电。调节器的作用是将电压维持到一定范围。轴承是交流电机中重要的传动部件，中心轴通过间隙配合安装与轴承上并与皮带轮连接实现动力传输。在实际应用中发动机飞轮与轴承之间的相对安装位置不同导致其受力大小不同，这对其可靠性产生了较大的影响，因此发电机厂商在布置发电机轴承位置时应当考虑到其使用寿命以及可靠性。

2  汽车交流发电机轴承的选择

2.1 轴承的受力分析

由图2中的轴承受力分析可得，转子轴所受的拉力为F，皮带轮所受的拉力为T两皮带轮之间的夹角为θ，则可以求得转子轴所受的拉力为：

式中，F为转子轴所受的拉力;T为皮带轮的拉力该拉力与皮带轮中的功率、皮带轮的转速等参数有关;θ为皮带轮的包角大小。

交流发电的转动轴通过皮带轮将发动机的动力进行传递，转动轴所受的拉力为F。根据轴承2中心为支撑点对其进行受力分析可得：

因此可以得到轴承1所受的载荷为：

其中，F为转动轴所受的载荷;Ffb为轴承1所受的载荷;Fc为转子的重力与旋转产生的离心力之和;Fab为轴承2所受的载荷。L1为皮带轮与轴承1之间的距离;L2为轴承1与转子之间的距离;L3为转子与轴承2之间的距离。

由以上公式可知转子轴所受的拉力F与皮带所受的拉力T以及皮带轮的包角θ大小相关，这些参数由设计者根据发电机的位置等参数进行设计。轴承所受的载荷与转子轴所受的拉力以及转子与轴承2之间的距离，轴承1与轴承2之间的距离相关。因此与轴承所承受的载荷相关的因素有：①发电机的安装位置（皮带轮包角θ）;②皮带轮的受力大小;③轴承之间的距离以及轴承与转子之间的距离。因此需要确定以上参数便能够计算轴承所受的载荷大小。

2.2 轴承使用寿命的计算

轴承的承载能力与其类型以及尺寸相关，一般情况下，在相同的外形条件下滚子轴承的承载能力要比深沟球轴承的承载能力高。汽车发电机轴承主要承受径向载荷。轴承的寿命与载荷之间的关系可由以下公式来进行表示：

其中，L1表示为基本额定寿命（106转），ft表示为温度系数，C为基本额定动载荷，P为当量动载荷，ε为寿命系数，当轴承为球轴承时ε=3，当轴承为滚子轴承时ε=3.33，因为相同尺寸下滚子轴承的寿命比求轴承的寿命高，因此其寿命系数相应增大。可以将其换算成小时表示如下：

其中，Lh为基本额定寿命，n为轴承的转动速度（r/min）

其中温度系数可由表1查表进行获取：

当轴承既受到径向载荷又受到轴向载荷时，可以根据当量动载荷进行转换，当量动载荷的计算公式如下：

式中P为当量动载荷，X为径向动载荷系数，Y为轴向动载荷系数，Fr为径向动载荷，Fa为轴向动载荷。

在汽车发电机寿命的计算可以根据其承受载荷的类型以及大小，所选择轴承的类型等条件进行使用寿命的计算。

3  汽车交流发电轴承的使用與维护

交流发电机相比于直流发电机来说有很多优点，比如它的重量轻，结构小，维修方便、使用寿命较长等特点，为了更好的延长其使用寿命应当了解其易损部件，并结合专业知识对其进行定期保养维护，以使其性能达到最优。

3.1 定期保养

定期进行发电机的保养工作，重点排查容易失效的部件，如轴承，检查轴承是否密封圈内是否有异物进入，避免加速磨损。用除尘设备对轴承表面的灰尘杂质进行去除，保持表面以及密封圈内无异物的环境。检查安装轴承的支座螺栓有无松动，当螺栓出现松动时会加剧轴承的振动，长期处在高频振动下会加速轴承的磨损从而缩短其使用寿命。因此，需要对电机轴承以及其他部位的紧固螺栓进行拧紧。此外为了保持交流发电机良好的工作状态，需要仔细检查发电机其他部件的状态。比如集电环的磨损状态，如果集电环表面出现污垢可以用酒精进行擦拭以消除表面的污垢。检查整流的二极管，可以使用万用表进行电阻的检查，当发现电阻不合格时，需要及时更换整流二极管。

3.2 故障分析与排查

轴承作为汽车发电机的关键部件，在实际的应用中，轴承同时承受重载、高速、高温等工作环境，导致其容易出现早期的失效模式。如果发现轴承出现早期的失效模式而又不采取措施进行维护的话，其早期故障会逐渐恶化演变为严重故障，最终导致轴承失效致使设备停机。轴承常见的失效模式有内圈故障、外圈故障、保持架故障以及滚动体故障。导致其失效模式发生的原因除了重载、高速、高温以及变速的工作条件外，多尘、潮湿等外部环境因素也是导致其失效的主要原因。因此，在定期保养时需要结合早期失效特征判断早期失效原因。具体方法如下：首先，将密封圈撬开，观察润滑脂的颜色以及湿润度，确定是否受到环境的污染，其次，将轴承进行拆套，關键零部件表面的细微状况，观察轴承内外圈滚道、滚珠表面是否出现磨损、点蚀以及其他缺陷，长期运行下滚珠以及滚道中磨损脱落的金属屑会掺杂在润滑油脂中，因此需要对轴承滚道内的润滑脂进行清理。如果发现严重的缺陷并且不可修复需要及时对轴承进行更换。

4  结论

汽车发动机轴承是该系统中的核心且易损部件，为了提高其使用寿命与可靠性。需要对轴承进行合理的选型以及科学合理的使用维护。具体方法为，在选型时需要根据安装位置，转轴受力等参数校核轴承的载荷，使所选轴承与工况相匹配，并计算该工况下的额定使用寿命，从而为轴承的使用周期提供参考，这需要设计者综合考虑到汽车发电机与发动机之间的安装位置，皮带轮的受力，皮带轮的包角等参数;在使用上需要对定期对轴承进行维护保养，定期清理灰尘杂质，对零部件表面的状态进行仔细检查，判断其是否出现早期故障，从而对其进行维护或者更换保证整体系统的性能，提高整体系统的可靠性。

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