汽車發電機平板式安裝方式設計及特性概述

韓文飛，劉玉坤，許雨濤，鮑帥華 ，李 強，劉國慶，汪名月，趙福成，王瑞平，2

（1．寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，浙江 寧波 315336；2．浙江吉利羅佑發動機有限公司，浙江 寧波 315800）

汽車發電機平板式安裝方式設計及特性概述

韓文飛1，劉玉坤1，許雨濤1，鮑帥華1，李 強1，劉國慶1，汪名月1，趙福成1，王瑞平1，2

（1．寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，浙江 寧波 315336；2．浙江吉利羅佑發動機有限公司，浙江 寧波 315800）

介紹平板式安裝方式的發電機外形結構及相關設計要素，分析其優缺點和設計注意事項，并通過實例仿真數據來說明其設計特點。

掛角式安裝；平板式安裝；固有頻率；振動失效；仿真分析

傳統汽車發電機通常為掛角式安裝方式，這一方式在標準SAE J180中有明確定義，發電機安裝由上（單）下（雙）3個掛角（Hinge mount）或者上（單）下（單）2個掛角（Spool mount）安裝在專用支架上。雖然在后續發展過程中出現了雙-雙掛角（Doublehinge mount）等變形方式，但這種掛角式安裝方式確實存在振動失效的隱患，電機本體端蓋及內部零件均容易出現振動失效。

從20世紀90年代末期開始，隨著大功率發電機在高速公路商用車的應用，此種發電機振動失效比率明顯上升。由此誕生第1代采用平板安裝方式的發電機外形設計，此種設計取消了傳統采用2根螺栓通過軸向方向將上下掛角固定的安裝方式，而是采用3～4根螺栓在側向方向上將發電機安裝在支架（缸體）上的安裝方式。側向安裝方式相較于傳統掛角安裝，可以有效降低電機外伸距離，從而降低發電機遠端振動的惡劣情況；同時有利于從設計結構上提升電機的固有頻率，進一步增強其強度。這一點對于功率比較大（定子直徑大）的電機改善更為明顯。

圖1 SAE J180定義的2種掛角安裝方式

標準中安裝方式可以將下掛角采用螺栓安裝到支架上，安裝后可以類似于鉸鏈方式旋轉，因此這種結構也能為發電機驅動皮帶提供手動張緊。

后續發展過程中采用雙-雙掛角的變形形式，以增強電機本體的安裝強度，如圖2所示。

1 背景介紹

在SAE J180標準中，對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年左右開始，平板式安裝方式初次開始批量生產應用，這一改進同時伴隨著自動張緊器及多楔帶的批量應用。隨著現代汽車工業對于輪系附件壽命要求的進一步提高及維護保養的簡易化，鉸鏈式手動張緊的方式逐步淘汰，自動張緊器得到了廣泛的應用。同時隨著發電機功率要求提高，體積進一步增大及振動環境的進一步惡化，平板式安裝方式得到了越來越多的應用［2］。圖3為平板安裝方式的發電機外形。

圖3 平板式安裝方式

2 平板安裝方式

2.1 平板安裝方式的結構特點

平板安裝方式螺栓采用側向安裝，電機一側形成平面（或數個平行面）與支架（缸體）安裝面裝配在一起，通過螺栓擰緊進行固定。這樣電機安裝面的一些尺寸變得比較重要，通常會認為是電機的關鍵尺寸。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鍵尺寸

通常定義孔D2（前端蓋）為基準孔，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）；同時與前端蓋上下孔的距離公差一起確保電機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定義了電機皮帶輪在整個前端輪系中的對齊度；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定義了電機皮帶輪在整個輪系中坐標點的位置。以上這些尺寸確保電機在輪系中的安裝位置正確。安裝面的平面度（或平行度）非常關鍵：1確保電機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有產生多余的應力，避免疲勞及振動后裝配應力消失導致螺栓力矩松動造成失效。2如果因不平行導致安裝力矩過大，可能會使電機前后端蓋發生相對扭轉，其應力均會施加在連接電機前后端蓋的貫穿螺栓上，容易造成貫穿螺栓的早期失效，電機本體破損。

因為前后端蓋孔分開的設計方式在電機本體裝配上比較困難，很難保證安裝面平面度的一致性。有些設計為了確保此平面度，采用在一個端蓋上設計所有安裝孔并一次加工完成的方式（圖3右側）。這種方式對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）在振動工況下加速度產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。因此在結構設計及優化上需要著重考慮這些因素，并適當做一些調整。原則上大電機（150 A以上）推薦采用前后端蓋均帶安裝孔的布置（圖3左側），小電機（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，通常會把后安裝孔設計為腰圓孔。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程的便利性及人機學，由于平板式安裝很難保證電機孔一次對正，且采用平板式安裝的電機又相對比較大比較笨重。因此需要考慮設計一個或兩個襯套配置在電機本體上或者安裝支架上。操作人員在安裝電機時可以先將襯套與安裝面的孔配合以找正相對位置，且在電機沒有擰上螺栓時也可以提供一定的支撐，避免人員疲勞。如圖6所示。2.2 平板式安裝優缺點分析2.2.1 平板式安裝優點

圖5 一種帶腰圓孔的后掛角典型設計

1）可以提升電機整體強度，降低振動失效的概率。

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

3）減小電機在側向上伸出的長度，留出了更多空間方便整機布置。

2.2.2 平板式安裝缺點

1）安裝較繁瑣，鎖緊的工序相較于傳統增多。

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

3）在某些車型上，側向安裝的螺栓可能會與水箱模塊等產生干涉，增加了安裝維修的難度。

4）相較于傳統掛角，不利于各系列電機在多種發動機上的平臺化的統一。

因此，電機開發初期還是應當慎重選擇電機的安裝方式。

2.3 注意事項

在設計時，平板安裝方式若采用對稱尺寸的設計，則很容易造成 電機自身錯裝及電機在發動機上的錯裝。因此在電機設計時應盡量避免完全對稱的設計，或者作一些防錯設計或明顯標示，防止出現錯裝的情況。

另外，在設計初期需要對整體端蓋強度進行校核，特別是前端蓋集成所有安裝孔的設計方式。需要對貫穿螺栓部位進行專門的加強筋設計，確保整機強度及可靠性，如圖7所示。

圖6 安裝在電機本體上的襯套

圖7 貫穿螺栓附近的加強筋設計

3 設計開發及FEA分析

在設計開發一款BSG電機的過程中，經歷了由初始的掛角式安裝方式到平板式安裝方式的改變，在這一過程中使用FEA工具對電機的固有頻率等進行了仿真分析，并最終確認了電機的外形結構。

3.1 初始設計

初始采用由制造商推薦的雙-雙掛角安裝方式，并匹配了對應的支架，如圖8所示。

對電機進行固有頻率分析，結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

圖9 FEA分析結果

3.2 改進設計

針對分析結果及整車安裝位置匹配的情況，重新對整個電機的本體進行了設計。將原先的雙-雙掛角安裝方式變為平板安裝方式，如圖10所示。

對改進后的電機進行固有頻率分析，在經過一些局部的設計強化后，采用平板安裝方式的電機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

4 結論

平板安裝方式的電機外形設計，優化增強電機結構強度，降低失效發生概率效果明顯。作為一種較新的設計思路，在目前的新產品開發過程中可以成為一種較好的選擇。但同時其缺點也需要考慮，在發電機新項目開發的過程中，需要通過實際情況優化選擇最終的安裝方式及結構。

圖11 平板安裝方式電機FEA分析結果

［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，目前主要從事汽車發電機及BSG電機的開發工作。