大功率車載取力自發電系統結構研究

張太林 孫宏艷 曹金牛 楊帆

遼寧陸平機器股份有限公司 遼寧鐵嶺 112001

1 前言

越野裝備在特定的野戰環境下工作，需要對上裝設備提供電源保障，滿足裝備的作戰使用需求。裝備在野外作業時，通常采用發電機組或車載取力發電的方式對設備進行供電，兩種模式都已經過多種裝備的實際使用驗證，都是成熟模式，可以提供穩定電源保障。

采用發電機組供電模式，用電功率較小時，可以在方艙的某個位置預留安裝空間；用電功率較大時，需在車載平臺上單獨預留安裝空間；用電設備功率過大時，需單獨配備電源車。車載取力自發電系統，不占用或較少占用方艙及平臺的空間，增大了整車的空間利用率。整個系統只需配置一臺發電機及少量附件即可，大大減輕了整個發電系統的質量，提高了裝備的機動性，同時也減少了裝車成本，各構件和器件簡單，安裝、維修方便。

筆者研制的項目需要為系統中的設備提供不低于80 kW電源保障，針對系統的供電要求，擬制了靜音電源車和車載取力自發電兩種供電技術方案，擇優確定方案。

2 供電電源模式優選

2.1 80 kW靜音電源車

采用靜音電源車發電的形式，結構示意見圖1。靜音電源車選用某品牌二類汽車底盤作為承載平臺，加裝副車架和5.5 m方艙。內裝布局進行一艙四室設計，主要包括操控室、進風室、發電室和排風室。艙內外安裝80 kW柴油發電機組、電氣智能控制系統、配電網絡、吸音降噪系統、降溫排氣系統，以及附屬設備設施、隨車工具等。

圖1 80 kW靜音電源車

80 kW靜音電源車最大外形尺寸（長×寬×高）為9150 mm×2500 mm×3405 mm，外廓尺寸符合GB 1589-2016的規定，滿足公路運輸要求[1]。方艙外形尺寸（長×寬×高）為5500 mm×2460 mm×2000 mm，為滿足鐵路運輸機車車輛限界要求，艙體進行削角設計，角度為120°，削角高度315 mm。

經初步估算，運載平臺質量10000 kg，艙體質量1300 kg，發電機組質量1300 kg，其它附屬設備及附件質量1900 kg，80 kW靜音電源車總質量G=14500 kg。

2.2 80 kW車載取力自發電

采用車載取力發電的形式，原理見圖2。車載取力自發電系統，是將機械能轉變為電能的一種專用裝置，利用汽車發動機的動力，采用合適的取力形式，通過機械傳動裝置驅動發電機發電，由電子調速系統控制、調節，進行駐車發電。車載取力自發電系統，有可靠性好、機動靈活、方便快捷的特點，特別適用于通信、指揮、電力、建筑、維修、搶修、維穩、安保、救援、醫療等各種涉及野外作業的行業和領域。

圖2 車載取力發電原理

方案設計時，在駕駛室后、運載平臺前部設置專用安裝區域，采用隨艙體安裝的方式，利用艙體結構形成封閉式電機安裝空間，同時利用底盤的部分空間，發電機外形尺寸（長×寬×高）：1000/850 mm×500 mm×500 mm，安裝區域艙體最大外形尺寸（長×寬×高）：2150 mm×1700 mm×900 mm，結構示意見圖3。

圖3 車載取力發電方案

經初步估算，安裝結構質量100 kg，傳動裝置質量90 kg，發電機質量620 kg，電子調速系統及附件質量50 kg，80 kW車載取力自發電系統總質量G=860 kg。

2.3 小結

針對兩種技術方案，依據項目的功能需求和對電源品質、技術參數的要求，綜合分析、比較兩種技術方案的體積、質量、性能、成本等因素，考慮項目實施的可行性和主要設備的可靠性、維修性，確定采用80 kW車載取力自發電的供電模式。

3 系統組成及總體結構布局

發電機的相數、功率等級、額定轉數等因素，直接關系到發電機的外形尺寸和質量，傳統車載軸帶取力自發電系統，其功率等級不大于30 kW，發電機可以安裝在汽車底盤縱梁之間。大功率車載取力自發電系統，功率等級大于30 kW，汽車底盤縱梁之間沒有足夠的安裝空間，同時，其安裝方式、防護等級、防護形式、機體散熱形式等都與傳統車載軸帶發電機有較大的差別，因此，需要設計新的傳動結構和安裝結構。

大功率車載取力自發電系統主要由機械傳動系統、取力控制系統、電子調速系統、通風散熱系統、軸帶發電機、電機安裝平臺及附件等組成，組成框圖見圖4。其中，機械傳動系統、軸帶發電機、電機安裝平臺和通風散熱系統是系統中的重要結構。大功率車載取力自發電系統，發動機的動力通過取力器帶動傳動軸驅動中間傳動裝置，再通過傳動帶驅動發電機運轉，系統的總體結構布局主要是結構形式的確定、傳動級數的確定、傳動軸角度的確定、中間傳動裝置的布置和安裝平臺的布置。

圖4 取力發電系統組成框圖

為縮小安裝空間，提高結構的緊湊性，傳動軸、中間傳動裝置、發電機和安裝平臺依次縱向并列排布在底盤兩縱梁的中間和上方。與傳統軸帶自發電系統相比，大功率車載取力自發電系統主要組成結構的體積、質量和外形尺寸增加的幅度較大，汽車底盤縱梁之間的安裝空間已經不能滿足安裝需要。因此，采取空間立體結構的布置形式，取力輸出的動力，通過中間傳動裝置再傳遞。發電機安裝在底盤縱梁上方。

根據空間結構，為保證布局的緊湊性，機械傳動系統采用二級傳動形式，通過傳動軸傳動和帶傳動的組合傳動模式實現動力傳遞。取力器與中間傳動裝置之間為第一級，采用傳動軸傳動；中間傳動裝置與發電機之間為第二級，采用傳動帶傳動。傳動系的合理布置可以預防噪音和振動，為了獲得較好的同步性，傳動軸兩端鉸接頭必須具有相同的傾角（β1=β2），傾角過大或過小及凸緣角度有誤差（β1≠β2）都可導致傳動系產生振動和噪音，并且要避免過大的角度，以免影響自身組件和兩端傳動裝置的使用壽命。傳動軸系的布置主要有兩種方案，Z形布置方案見圖5（a），W形布置方案見圖5（b），通常Z形布置方案優于W形布置方案，可以避免取力器和中間傳動裝置的軸承承受較大的載荷。

圖5 傳動軸系布置

中間傳動裝置的安裝位置和角度，決定傳動軸的工作長度和鉸接頭的傾角，影響發電機的安裝位置，決定傳動帶的工作長度和松緊度的調整。因此，中間傳動裝置設計成可微量調整結構。

安裝平臺作為發電機的基礎安裝底座，兼顧中間傳動裝置的安裝底座，在滿足剛強度的前提下，進行輕量化設計，其結構設計成可轉動調整結構，保證可調整傳動帶的松緊程度。安裝平臺主要位于駕駛室后和中后橋的前面，該處的底盤縱梁和橫梁是主要受力區，承載上裝設備的主要質量，交變應力較大。因此，安裝平臺的設計，要參考汽車底盤改裝設計手冊并滿足底盤改裝規范的要求，充分考慮汽車底盤的結構，安裝位置利用底盤縱梁和橫梁作為安裝支撐梁。安裝孔的設計，要考慮以下原則：a.縱梁腹板豎直方向不得有連續安裝孔；b.嚴禁在縱梁和橫梁連接的翼緣、軸距間縱梁下翼面及縱梁變截面處鉆孔；c.充分利用已預留安裝孔或對已有的孔經擴鉆后使用；d.應盡量減小孔徑，需增大孔徑時，應增大孔間距離；e.孔位方便加工，以提高孔的加工精度。

4 系統重要結構

4.1 機械傳動系統

機械傳動系統主要用于傳遞發動機的動力，驅動發電機運轉，同時，系統結構要簡單、緊湊，能夠布置在規定的有限空間內。系統主要包括取力器、傳動軸、中間傳動裝置、傳動帶和帶輪等，主要任務是確定取力形式和系統傳動比，確定傳動軸的形式并校核，確定傳動帶的結構、類型并校核。

4.1.1 取力形式

取力器是從底盤發動機取得動力的裝置，用以驅動各種附加設備。采用的取力形式主要有變速器取力、分動器取力和發動機取力等[2]。確定取力形式，需綜合考慮系統的工況、荷載范圍、傳遞的功率和扭矩等。變速器取力和分動器取力主要用于駐車取力，發動機取力主要用于行車取力。根據筆者的設計經驗，駐車狀態取力，用于驅動發電機，額定功率不大于24～30 kW時，主要選擇變速器取力形式；額定功率大于30 kW時，主要選擇分動器取力形式。

80 kW車載取力自發電系統，取力器的體積和質量較大，變速器取力輸出口周圍沒有足夠的安裝空間，且附加于變速器殼體的力矩較大，接口強度和殼體強度不能滿足使用要求。因此，采用分動器取力形式，見圖6。

圖6 分動器取力

由于傳遞的功率較大，應考慮動力傳遞過程中的損耗和連續式的工作方式，保證取力器具有足夠的安全系數時，需按下式計算校核：

其中，P為取力器傳遞的的功率，kW；M為取力器允許傳遞扭矩，N·m；n為取力器的轉速，r/min。

4.1.2 系統傳動比

自發電系統設計時，確定所選用的取力形式以后，需要根據發電機的額定轉速確定機械傳動系統的速比和取力器的總速比，并合理分配各級傳動的速比。

根據系統的指標要求，發電機額定轉速為1500 r/min。系統布置時，傳動軸、中間傳動裝置、發電機進行縱向并列排布，以提高結構的緊湊性，縮小各傳動裝置的體積和安裝空間；因此，取力器輸出端到發電機輸入端按1：1傳動進行設計，中間傳動裝置的傳動比為1.0，中間傳動裝置輸出端和發電機輸入端均采用直徑相等的帶輪進行傳動。取力器的總速比是指取力器輸出端的轉速與發動機轉速之比，由于采用底盤廠家的取力器，因此，由底盤廠家根據分動器和取力器的結構，進行自主設計，保證取力器輸出轉速1500 r/min。

確定傳動比時，要保證發動機在彈性運行范圍內，避免在低速下運行，綜合考慮發動機的最佳經濟轉速和最大扭矩區對應的轉速范圍，以獲得較好的燃油經濟性。

4.1.3 傳動軸結構

算根據總體結構布局，機械傳動系統采用傳動軸傳動和帶傳動的組合傳動模式實現動力傳遞。受底盤空間的影響，取力器和中間傳動裝置之間的動力傳遞，傳動結構受到局限。傳動軸是汽車傳動系的重要傳動部件，由花鍵套和花鍵軸組成的滑動花鍵副來實現傳動長度的變化，其作用是連接距離變化且軸線不同心、軸線夾角時刻變化的兩傳動機構，同時傳遞扭矩和旋轉運動。因此，選擇傳動軸傳動是較好的解決措施。

為利于空間結構布置，滿足系統結構的輕量化要求，設計采用尺寸較小的BJ212傳動軸結構形式。根據汽車設計理論，當傳動軸的工作轉速接近于臨界轉速，即接近于其彎曲固有振動頻率時，會出現共振現象，由于振幅急劇增加而極易引起傳動軸折斷，為了避免在臨界轉速下發生共振現象，按下述公式計校核臨界轉速，同時考慮短時超速工作情況[3- 4]。

式中，nk為傳動軸的臨界轉速，r/min；Lc為傳動軸的支撐長度，mm；De為傳動軸軸管外徑，mm；de為傳動軸軸管內徑，mm。

考慮工作的可靠性和安全性，除應滿足臨界轉速的要求，還應保證有足夠的扭轉強度，進行扭轉應力的計算校核。

式中，τe為扭轉應力，MPa；T1為計算轉矩，N·mm；[τe] 為許用扭轉應力，MPa。

布置、安裝和使用時，傳動軸兩端鉸接頭傾角不大于11°，花鍵套和花鍵軸上兩箭頭標記對正并在同一平面，花鍵套可在花鍵軸上自由滑動，同時在圓周方向應感覺不出游隙存在，以保證傳動軸的動平衡，傳動軸布置見圖7。

圖7 傳動軸布置

4.1.4 傳動帶結構

常用傳動帶傳動主要包括平帶、V形帶、齒形同步帶等，平帶和V形帶主要依靠漲緊力和摩擦力進行傳動，容易打滑而產生丟轉現象，因此在需要精確傳遞速度的情況下，不能采用平帶和V形帶。車載取力自發電系統，需要對軸帶發電機的轉速進行精確控制，保證發電機在額定轉速允許公差范圍內運轉，輸出穩定的頻率、電壓等指標參數。

按照齒形不同，齒形同步帶可以分為梯形齒同步帶和圓弧齒同步帶兩種。梯形齒同步帶，梯形齒應力集中在齒根部位，當帶輪直徑較小時，容易出現齒形變形現象，影響與帶輪齒的嚙合，從而產生噪聲和振動，一般在轉速不高的運動傳動或小功率的動力傳動中使用。圓弧齒同步帶克服了梯形齒同步帶的缺點，均化了應力，改善了齒形嚙合。圓弧齒同步帶兼有V帶傳動、齒輪傳動及鏈傳動的優點：a.能實現較大中心距傳動，傳動比精確，無滑差；b.傳動效率高，可達98%；c.傳動平穩，能吸收振動，噪聲小；d.結構緊湊，無需特別張緊；e.不需要潤滑，能在高溫、腐蝕等惡劣環境下工作。

因此，本傳動優先采用圓弧齒同步帶。設計時，按下述公式分別計算傳動帶長度和寬度[5]。

式中，L0p為 節線長度，mm；a0為帶輪中心距，mm；d2為大帶輪節園直徑，mm；d1為小帶輪節園

式中，bs為帶寬，mm；bs0為選定型號的基準寬度，mm；Pd為設計功率，kW，Pd= KAP ；KA為工況系數；P為傳遞的功率，kW；P0為基準額定功率，kW；KL為 圓弧齒帶長系數；Kz為小帶輪嚙合齒數系數。

根據傳動功率、帶輪轉速、傳動用途和載荷性質、工況等因素，按照計算結果，采用某型圓弧齒同步帶；同時，按傳遞扭矩、轉速和尺寸要求，匹配同型號的帶輪，以提高傳動精度和傳動效率，降低傳動噪音。傳動帶安裝時，兩個帶輪須對正，帶輪的軸線所在平面須平行，以保證傳動帶均勻受

圖8 傳動帶布置

4.2 軸帶發電機

車載取力自發電系統采用的軸帶發電機，主要有無刷勵磁同步發電機和稀土永磁同步發電機兩種形式。稀土永磁同步發電機的突出優點是體積小、質量輕、結構簡單、維護成本低、運行可靠、效率高。無刷勵磁同步發電機具有穩態調壓精度高、動態反應快的特點，接近免維護，運行穩定性較高；突出優點是可以利用自動電壓調節器（A.V.R）對電壓進行調節，發電機正常工作過程中，由于負載變化、轉速變化、溫度變化等，發電機的電壓有升高或降低的趨勢時，自動電壓調節器能夠根據這一微小的電壓偏差，迅速地減少或增加勵磁電流，維持發電機的電壓近似不變。由于系統對供電設備電壓的穩定性要求較高，因此采用無刷勵磁同步發電機。

軸帶發電機的冷卻形式有風冷式和水冷式兩種形式，中、小功率的軸帶發電機主要采用風冷形式；根據使用工況的不同，較大功率的軸帶發電機可以采用風冷式或水冷式。風冷式軸帶發電機，電機尾端設有冷卻風扇，電機殼體壓鑄成型，表面設有散熱槽，采用一次性整體壓鑄成型結構，機體內部熱量通過熱傳導形式，從表面進行散熱。風冷式的優點是結構簡單，故障率低，可靠性高，維修方便。水冷式軸帶發電機，在機殼內部設置循環管路，同時，設置一套冷卻循環系統，可以選擇不同冷卻液，依靠泵站的動力，使冷卻液循環工作，快速帶走機體內部熱量。水冷式的優點是熱量交換較快，冷卻效果好；但結構較為復雜，維修時間稍長。考慮系統對可靠性指標平均故障間隔時間（MTBF）和維修性指標故障平均修復時間（MTTR）的要求，采用風冷式軸帶發電機。

為了減小體積和質量，進行一體化設計，充分利用艙體的結構，統籌考慮發電機的防塵、防水等結構，軸帶發電機的主要參數如下：

a. 基本參數指標

額定功率為80 kW；額定電壓為400 V/230 V；額定頻率為50 Hz；功率因數為0.8（滯后）；相數/線制為三相四線；額定轉速為1500 r/min；外形尺寸（長×寬×高）為1000/850 mm×500 mm×500 mm；發電機質量為600 kg。

b.主要電氣性能指標[6-7]

穩態電壓調整率為≤±1%；瞬態電壓調整率為≤±20%；電壓穩定時間為≤0.5 s；電壓波動率為≤1%；穩態頻率調整率為≤±1%；瞬態頻率調整率為≤±5%；頻率穩定時間為≤3 s；頻率波動率為≤0.5%。

4.3 電機安裝平臺

4.3.1 平臺結構

電機安裝平臺作為發電機的基礎安裝座，兼顧中間傳動裝置的安裝座；安裝平臺采用鉸接調整式結構，可以實現調整傳動帶的松緊度。電機安裝平臺主要由固定底座、活動支撐座、安裝底座、導向限位塊、鉸接軸、鎖定調整裝置等組成，見圖9。

圖9 電機安裝平臺

固定底座與底盤橫梁連接，用于承載發電機和各安裝座；活動支撐座前部和后部分別通過鎖定調整裝置和鉸接軸與固定底座連接；安裝底座螺接在活動支撐座表面，通過導向限位塊，確保傳動帶在松緊度調整和工作時，固定穩定、可靠；安裝底座用于直接固定軸帶發電機。

采用帶傳動的系統，需要設置漲緊機構，以調整傳動帶的松緊度，調整后要鎖定可靠。本傳動采用圓弧齒同步帶，而該型同步帶具有結構緊湊、無需特別漲緊的特點，降低了對漲緊機構的結構要求，同時，受底盤安裝空間的局限性，調整操作局部受限，因此，不采用復雜的漲緊機構，在保證可靠性的前提下，簡化結構，進行簡化設計，通過活動支撐座和鎖定調整裝置，操作簡單，即可實現漲緊的功能。

4.3.2 鎖定調整裝置

鎖定調整裝置采用鉸接螺旋結構，由三組構成，每組包括支座、鉸接軸、調整螺栓、墊板和上下螺母。安裝時，調節螺母正、反向旋轉，可帶動活動支撐座繞鉸接軸的逆、順時針翻轉，進而可以通過調節螺母改變兩個同步帶輪之間的中心距，達到調整傳送帶松緊程度的目的，保證發電機的正常工作。

調整螺栓的規格采用公稱直徑優先系第一系列中M20×1.5細牙螺距螺栓。常用的螺紋防松方法有摩擦防松、機械防松和永久防松三種。摩擦防松和機械防松稱為可拆卸防松，永久防松稱為不可拆卸防松，永久防松可靠性高，主要包括點焊、鉚接、粘合等，這種方法在拆卸時大多要破壞螺紋緊固件，無法重復使用。常見摩擦防松主要包括墊片、自鎖螺母及雙螺母等。鎖定調整裝置采用對頂防松螺母防松結構，雙螺母防松時產生兩個摩擦力面，第一摩擦力面是螺母與被緊固件之間，第二摩擦力面是螺母與螺母之間。安裝時，第一摩擦力面的預緊力為第二摩擦力面的80%。在沖擊和振動載荷作用時，第一摩擦力面的摩擦力會減小和消失，但同時，第一螺母會被壓縮導致第二摩擦力面的摩擦力進一步加大。螺母松退必須克服第一摩擦力和第二摩擦力，由于第一摩擦力減小的同時第二摩擦力會增大，因此，能夠獲得較好的防松效果。

設計時，按下述經驗公式計算確定螺母的擰緊力矩[8]，嚴格按照規定的扭矩進行安裝；在試驗大綱或驗收規范中，需作為重要檢驗項目。

式中，Mmax為大擰緊力矩，N·m；M為標準擰緊力矩，N·m；Mmin為 最小擰緊力矩，N·m；σs為螺紋緊固件的屈服強度，N/mm2；As為螺紋部分有效面積，mm2；d為螺紋公稱直徑，mm；As=[π/4×（d2+ d3） /2]2；d2為 螺紋中徑，mm；d3= d1–H/6，mm；d1為螺紋小徑，mm；H=0.866p，mm；p為螺距，mm。

4.4 通風散熱系統

為滿足發電機的防雨要求，兼顧整車外形，利用艙體結構進行一體化布局設計。取力發電機安裝在駕駛室后部，底盤縱梁上方，并在艙體下方設置單獨的安裝區域；側面均為艙壁，右側壁設置維修門，構成合理的封閉式安裝空間。發電機的功率較大，工作時會散發較多的熱量，如果散熱不及時就會使發電機的溫升過快，導致機體溫度過高，影響其正常工作，無法滿足發電指標要求，嚴重的會造成設備損傷。在封閉的安裝空間，為了保證熱量能夠及時快速排放，同時避免出現“窩風”現象，設置強制散熱裝置。

發電機的絕緣電阻為安全性關鍵指標，基于大功率發電機的結構特殊性，車輛行駛時需避免迸濺水。所選發電機為風冷式發電機，在發電機一側的艙底面布置敞開式進風口，與底盤下部相通，保證足夠的進風量。發電機的機體依靠自身散熱孔、散熱槽散熱；散熱孔的熱量自動排到機體之外；散熱槽的熱量，依靠機體尾端的風扇排到機體之外，并在對應的艙壁上設置防雨型散熱孔；此種結構，可以保證部分熱量，通過底盤下部空間和散熱孔進行自然散熱。

設計時，基于熱氣流膨脹上升的流動原理，采用下方自然進風，對側上方排風的方式，快速排放電機的熱量，進風口形式見圖10（a）。為加速氣流流動，在維修門上設置排風扇，排風扇形式見圖10（b），氣流流動方向見圖10（c）。排風扇采用2臺某品牌風扇，其主要參數如下：電壓為AC230 V，頻率為50 Hz，功率為125 W，轉速為2320 r/m i n，風量為1695m3/h，噪聲為70dB。

圖10 進排風形式

5 小結

大功率車載取力發電系統安裝后，需嚴格按照相關標準和規范的要求，進行調試和試驗；行駛試驗后，傳動帶松緊度、傳動軸螺栓、發電機連接螺栓和鎖緊調整裝置等要進行檢驗[9]，同時按標準和規范要求，標記相應顏色的防松標識線。

根據選用的底盤型號、發電機的功率等級和冷卻形式等因素，大功率自發電系統的結構可以進行相應改進，在額定功率30 kW、50 kW、80 kW、100 kW等系列車載取力自發電系統中，都已成功應用，見圖11（a）～（c）。

圖11 不同等級大功率自發電

5 結語

作為裝備電源的供電模式，大功率車載取力自發電系統已成功應用，充分保障了裝備的野外作業需要。隨著新技術的不斷應用，車載取力自發電系統的控制技術也在逐漸向一鍵操作模式、一體化方向發展，系統的可靠性、維修性得到了較大提高。隨著發電機向小型化，大功率方向的不斷演進，車載取力自發電的額定功率等級也會越來越高，應用領域也會越來越廣泛。大功率車載取力發電系統的結構可以提高借鑒，為更多裝備車載取力發電系統的選擇和參考的依據。