车用发电机轴强度设计.doc

1车用发电机轴强度计算车用发电机轴强度计算 车用发电机轴上一般有两个轴承，分别支撑在驱动端盖和电动端盖上，驱动 端带有轴伸，通过其上装配的皮带轮来输入动力轴的强度计算主要进行以下三项： 转子铁芯中心点的挠度、轴的临界转速和轴伸的疲劳强度 一、一、 挠度及临界转速计算挠度及临界转速计算图 1 车用发电机轴结构示意图 1、发电机在转轴上的额定容量 P（kW） 发电机转轴传递的功率除了产生发 电机输出电功率以外，还包括各种摩擦损耗、铁损耗和绕组铜损耗等，它等于发电 机额定输出功率与额定转速时工作效率的比值，即发电机额定输入功率发电机工 作效率随设计水平的高低而变化，可以通过试验手段测出一般发电机额定转速时 的效率在 40％～55％之间 2、发电机额定转速 n（r/min） 3、转子重量（包括所含转轴部分重量）Gp（kg） 4、带轮重量（包括所含轴伸部分重量）Gm（kg） 5、带轮半径 Rm（cm） 6、转子铁芯外径 D（cm） 7、转子铁芯长度 lm（cm） 8、单边空气隙（cm） ，即定、转子之间的主气隙 9、额定负载时扭矩 mNnPMKP 955010、传递额定容量时皮带两侧的拉力（N）210mKP pemRMCP车用发电机一般归于用 V 型带传动的小型电机，C 取 1.8。

11、转轴数据，计算方法见表 1表 1 转轴的数据2转轴分 段号di (cm)Ji (cm4)xi (cm)3 ix3 13 iixxiii Jxx3 13 2 ix2 12 iixxiii Jxx2 12 1 2 3左 半 部总和iii JxxS3 1311 2右 右 半 部总和iii JxxS3 132iii JxxS2 120注：表中 Ji为第 i 段轴的断面惯性矩，对于圆柱段644dJ＝12、转子重力在铁芯中心处产生的挠度（cm）22 112 223SlSlElGfP P对于钢制件，取 E＝2.1106 kg/cm 13、额定负载时，皮带拉力在铁芯中心处产生的挠度（cm）1212025 . 13SllSlSElbPfpem pem14、转子的初次计算偏心pemfe1 . 0015、单边磁拉力（N）0 04 .29eDlQm16、与单边磁拉力成比例的转轴挠度（cm）ppGQff8 . 90 017、因单边磁拉力产生的最后挠度（cm）000 1efffm18、总挠度（cm）mpempffff对于同步电机，其转轴总挠度占空气隙的比率（f/）应小于 8％。

19、临界转速（考虑单边磁拉力的影响）3spkpffefn001300式中 pempemm sPfGf8 . 9二、二、 轴伸强度计算轴伸强度计算 装皮带轮转轴的危险截面，一般在轴伸的过渡截面或最大弯矩处，如图 2 中 a 截面、b 截面在进行疲劳强度计算时，应考虑到发电机可能的过载倍数，对一 般电机瞬时过载倍数 K 取 2.0；疲劳计算过载倍数 Kp取 1.5图 2 带传动轴伸计算示意图 1、 发电机在转轴上的额定容量 P（kW） 2、 发电机额定转速 n（r/min） 3、 皮带轮半径 Rm（cm） 4、 计算截面离皮带轮中心的距离 a、b（cm） 5、 额定负载时扭矩mNnPMKP 95506、传递额定容量时皮带两侧的拉力（N） ；210mKP pemRMCP车用发电机一般归于用 V 型带传动的小型电机，C 取 1.8 7、弯矩a 截面： （Nm）210aPKMpemp＝b 截面： （Nm）210bPKMpemp48、疲劳的计算扭矩： （Nm）kppnMKM9、相当力矩： （Nm）22 nxdMMM式中  对不逆转的车用发电机而言，其值取 0.4～0.6。

10、抗弯截面系数纯圆断面：；323dW带键断面：;b、h0为键槽的宽度和深度（cm）  dhdbhdW2 0033211、按疲劳计算的相当应力（kg/cm2）WMxd xd2 .10计算值不得超过下表所列的数值 xd （kg/cm2）键槽或不传力的紧配件传力的紧配件 钢 35450390 钢 4550044012、屈服的计算扭矩： （Nm） kpnKMM'13、相当力矩： （Nm） 2'2'75. 0nxdMMM14、按屈服计算的相当应力（kg/cm2）WMxd xd2 .10'15、安全系数：，式中s为材料的屈服极限7 . 1'xds sn16、键的挤压应力（kg/cm2）002 ldhKMN j式中 l0为键槽的长度；采用钢制键时，许用应力可取 1600 kg/cm2 零件截面发生突然变化的地方，都会产生应力集中现象，在进行轴结构设计 时，应尽量减少应力集中因此对阶梯轴来说，在截面尺寸变化处应采取圆角过渡， 圆角半径不宜过小，并尽量避免在轴上（特别是应力大的地方）开切口或凹槽必 须开横孔时，孔边要倒圆还可采用卸载槽、过渡肩环或凹切圆角增大轴肩圆角半 径，以减小局部应力。

三、三、 螺纹强度计算螺纹强度计算 发电机轴伸上的皮带轮一般采用螺纹拧紧，这时螺纹联接受到预紧力的作用 拧紧力矩过大会造成轴上的螺纹失效，包括滑丝、压溃等螺纹强度计算就是根据5已知的拧紧力矩来验算选择的螺纹公称直径能否满足要求 螺纹联接的拧紧力矩 T，用来克服螺纹副相对转动的阻力矩 T1和螺母支承面 上的摩擦阻力矩 T2，故fcrQftgdQTTT0'20 212式中 Q0－预紧力；d2－螺纹中径，查螺纹尺寸表可得；－螺纹升角，；2dParctg＝’－当量摩擦角，，f 为螺纹副之间摩擦系数，为螺纹cos'farctg牙型斜角，普通螺纹为 30fc－螺母与被联接件支承面之间的摩擦系数，钢对钢无润滑时取 0.15；rf－支承面摩擦半径，，其中 D1、d0为螺母支承面的外径和401dDrf内径，见右图所示螺纹的危险截面（螺 纹小径处）除受到预紧力 Q 产生的拉应力外，还受到螺纹力矩 T1所引起42 10 dQ 的扭切应力,当量应力163 11 dT ＝（N/mm2） ，其值应小于轴223e螺纹部分的许用应力 螺纹的许用应力等于轴螺纹所用材料 的屈服极限s与安全系数 S 的比值，在控 制拧紧力矩的情况下，S 一般取 1.2～1.5。

第二讲第二讲 发电机的电磁设计计算发电机的电磁设计计算发电机的电磁设计主要是定子部件和转子部件的设计，由于它是一种同步三相交流发电机，故我们在普通的同步三相交流发电机计算程序基础上，结合了一些实际设计过程中积累的经验，作出了如下所述的车用交流发电机电磁计算方法由于车用发电机与普通的同步三相交流发电机存在较大差异，因此电磁设计有些部分（如激磁绕组和激磁势）比较6准确，而有些部分并不是很准确，需要通过样机试验和其它手段来进行修正重要的是，我们可以从计算公式中知道发电机各种电磁参数之间的相互关系和变化趋势，进而指导设计与普通三相同步发电机相比，车用发电机有以下特点：1、转子极数较多，因而定子直径较大，铁芯长度较短；2、转子为爪极磁极式，由一个线圈配置在转子内构成多极激磁绕组；3、每极每相槽数 q 很少，一般1；4、电机工作转速范围宽；5、使用寿命比普通型交流电机短，约为 3000～5000 小时，因此其温升可在一般电机标准要求基础上适当增加；一．一．主要尺寸的确定主要尺寸的确定交流发电机的主要尺寸用 D12 L 表示（D1 为定子铁芯内径，L 为定子铁芯长度） ，它的选择关系到整个设计的水平。

如选得过小，很可能造成设计失败，电机性能达不到设计要求；如选得过大，则会造成材料的浪费其计算方法有多种，这里介绍其中的一种方法1. 电磁功率电磁功率 P’ 的计算的计算①cos,niePKP 式中 Pni ：视在输出功率；Ke ：电磁增填系数，应在 1.05~1.15 范围内选择；cosψ ：功率因数，小于 1500W 时取 1；大于 1500W 时取0.966； ②dnniPPP式中 Pn ：额定输出功率；ΔPd ：整流二极管损耗功率7③fnnnnIUIUP047. 1式中 Un ：额定输出电压；In ：额定输出电流；If ：励磁电流；④max2dddIUP式中 ΔUd ：整流二极管压降，约 1.2V；Idmax ：整流二极管最大电流；⑤ fndIIImax由②．③．④．⑤ 得出： fndfnnnniIIUIUIUP2047. 12. 电磁负荷的选择电磁负荷的选择在确定发电机主尺寸之前，首先应对线负荷 A 和气隙磁密 Bδ 进行初步选择这两个参数的选取对交流发电机性能和材料利用有较大影响，应综合考虑。

A 在一定程度上反映发电机电路部分的利用情况，Bδ在一定程度上反映发电机磁路部分的利用情况2.1 线负荷 A：表示沿定子圆周上单位长度的安培导体数12DImWA式中 Wφ ：每相串联匝数；m ：相数（三相交流发电机为 3） ；Iφ ：相电流（A） ；D1 ：定子内径；由于汽车电机采用强制抽风，散热效果较好，故 A 值可取较大，一般为 35~50A/mm，双风扇电机可取 50~55A/mm；2.2 气隙磁密 Bδ8Bδ 取值应考虑在爪极中安放励磁线圈的空间及尽量减少漏磁，一般取较低数值 0.32~0.33T（特斯拉） ，使空载转速尽可能小SKfWEBdp22式中 Eφ：满载定子绕组每相电动势（V） ，一般取 Eφ=(1～1.2)Uφ（额定相电压）; Uφ=Un/2.34；f：频率=np/60；p 为极对数，通常取 6；Sδ：每极气隙面积（m2） ；Kdp：绕组系数，有两种取法对整节距 q=1 时一般取 1；或单层绕组取 0.96，双层绕组取 0.92；2.3 极弧系数 αδ的选择αδ值越大，交流发电机体积越小，但转子爪极间漏磁增大，使交流发电机最大输出减小，空载转速升高。

对汽车发电机而言，一般取较小的 αδ值，为 0.6~0.65αδ与爪极尺寸间的关系是：或 2minmaxbb 24minmaxbb式中 bmax ：最大极宽；bmin ：最小极宽；τ ：极距=πD1/2p； δ ：定．转子间的主气隙，一般为 0.3~0.5mm；2.4 电磁负荷选择要点a. 电机输出功率一定时，提高电磁负荷可缩小电机体积和节省有效材料；b. 选择较高的 Bδ时，一般会增加铁芯损耗，而降低绕组电损耗；c. 选取较高的 A 值时，绕组电损耗将增加；d. 励磁电流标幺值与 Bδ/A 成正比，故选取较高的 Bδ或较低的 A 时，9励磁电流一般要增大；3．主要尺寸的确定．主要尺寸的确定先估算出 D12L，然后选择主要尺寸比 λ，分别确定 D1和 L；   min3 2 1,101 . 63rNTmAkWmnBAPLD12 DpLL λ 的大小直接影响交流发电机的性能．温升及经济指标对于爪极式交流发电机而言，由于爪极间间隙较小，转子漏抗比值较大，小的 λ 可减少励磁安匝，改善通风效果，使定子热负荷 AJ 选取较大的数值，从而减少用铜量，提高交流发电机的比功。

通常 λ 取0.95~1.15，即 D12L=0.25~0.3 D13根据安装要求，对大于 2000W 的发电机或同一定子外径派生的产品，其 λ 值可在 1.5~2.0 之间选择主要尺寸计算出后，一般要根据已有系列进行优选，确定合适的数值二．定子计算二．定子计算1. 定子绕组匝数计算定子绕组匝数计算1.1 每相串联匝数 Wφ fEW44. 4式中 Eφ：相电势；φ：额定负载下每极磁通 ；。