王 乾，胡志遠，邢東仕

（1.上汽集團股份有限公司技術中心，上海201206；2.同濟大學汽車學院，上海201804）

非對稱阻尼張緊器在某輕型柴油機上的應用

王 乾1，胡志遠2，邢東仕1

（1.上汽集團股份有限公司技術中心，上海201206；2.同濟大學汽車學院，上海201804）

介紹了發(fā)動機前端附件系統(tǒng)用自動張緊器的工作原理，以及對稱阻尼和非對稱阻尼張緊器的結構特點。針對某輕型柴油發(fā)動機前端附件驅動系統(tǒng)的異響問題，應用CAE和試驗測試相結合技術，分析了該機型前端附件系統(tǒng)產(chǎn)生異響的原因，應用非對稱阻尼張緊器解決了異響問題，為發(fā)動機前端輪系設計提供了參考依據(jù)。

柴油機前端附件系統(tǒng)非對稱阻尼張緊器異響

1 引言

整車前艙布置對發(fā)動機的尺寸限制越來越嚴，要求發(fā)動機前端附件傳動系統(tǒng)布置更加緊湊。同時，隨著用戶對車輛舒適性要求的提高，整車用電量及空壓機、發(fā)電機的功率消耗也不斷增加［1］。這些都對前端附件傳動系統(tǒng)的設計提出更高的要求。

雖然柴油機燃燒效率高、低速扭矩大，但是由于柴油機爆發(fā)壓力高、怠速轉速低，致使轉速波動大［2］，這對前端附件傳動系統(tǒng)的設計提出了嚴峻挑戰(zhàn)，固定式張緊器已無法滿足現(xiàn)代柴油機前端輪系的工作要求，自動張緊器逐漸成為柴油發(fā)動機前端輪系的主流型式。

本文分析了發(fā)動機前端附件系統(tǒng)用對稱阻尼張緊器和非對稱阻尼張緊器的工作原理及結構特點，并結合某新型柴油機發(fā)動機前端附件驅動系統(tǒng)的異響問題，探索分析了非對稱阻尼張緊器在該發(fā)動機上的應用并解決了該異響問題。

2 自動張緊器的工作原理

自動張緊器是保證發(fā)動機前端附件傳動系統(tǒng)正常運轉的關鍵部件，其扭矩和阻尼是自動張緊器的主要技術指標［3］。一方面，自動張緊器通過彈簧扭矩對皮帶施加張緊力，防止皮帶打滑；另一方面，張緊器提供的阻尼用于抑制皮帶抖動。如圖1所示，工作原理為：

（1）當曲軸轉速增加時，皮帶EF段有繃直趨勢，即向外運動趨勢；此時張緊器彈簧扭矩與阻尼方向一致，擺臂在扭矩和阻尼共同作用下，抑制皮帶EF段向外運動，并產(chǎn)生一定的皮帶張力，從而防止皮帶打滑。其作用力計算公式如下

其中，F(xiàn)acc為擺臂作用力，K1和K2為系數(shù)，由張緊器結構決定，T為張緊器彈簧扭矩，D為阻尼產(chǎn)生的扭矩。

（2）當曲軸轉速降低時，皮帶EF段有松弛趨勢，即向內(nèi)運動趨勢；此時張緊器彈簧扭矩與阻尼方向相反，擺臂在扭矩和阻尼共同作用下，追隨皮帶EF段向內(nèi)運動，保持一定皮帶張力，進而防止皮帶打滑。其作用力計算公式如下

圖1 張緊器的工作原理圖

從輪系的工作原理來看，加速時需要較大的阻尼，而減速時需要較小的阻尼，可以定義為“加大減小”的原則。并且在減速時，若張緊器的阻尼過大，會造成張緊器擺臂的作用力為0的情況，不能追隨皮帶EF段，因而導致皮帶打滑。所以張緊器阻尼的選擇非常重要［4］。

3 自動張緊器的類型

自動張緊器根據(jù)其阻尼特性，可分為對稱阻尼張緊器與非對稱阻尼張緊器兩種。表征自動張緊器阻尼特性的參數(shù)為非對稱因子λ，阻尼率γ，計算公式如下

式中，

DL——加載阻尼；

DR——卸載阻尼；

T——彈簧扭矩。

非對稱因子越大，其吸收能量越快，更能提高系統(tǒng)的響應性能。

對稱阻尼張緊器是在加載和卸載階段，提供相同的阻尼，其非對稱因子為1，即加載阻尼率和卸載阻尼率相等。其工作特性如圖2所示。

圖2 對稱阻尼張緊器的負載輸出特性

雖然對稱阻尼張緊器并不滿足選擇阻尼時“加大減小”的原則，但是由于其結構簡單，設計成熟和成本低廉等特點，因此在附件輪系負載較低且變化率不大的車型上有較多應用。但當對減速階段皮帶打滑率的要求提高時，對稱阻尼張緊器彈簧扭矩和阻尼都需大幅提高，此時會造成張緊器的整體結構復雜，體型過大，布置困難。

非對稱阻尼張緊器在加載和卸載階段，提供不同的阻尼，其非對稱因子大于1，即加載阻尼率大于卸載阻尼率。其工作特性如圖3所示。

圖3 非對稱阻尼張緊器的負載輸出特性

非對稱阻尼張緊器可滿足理想張緊器的“加大減小”阻尼原則。在同樣的張緊力情況下，非對稱阻尼張緊器可以有效衰減皮帶的振動能量，減少皮帶的振動，提高系統(tǒng)響應性能；同時在加速或減速時，可以更好地控制張緊力，減小動態(tài)負載［5］。圖4給出了同一發(fā)動機輪系匹配上述兩種型式張緊器方案，張緊器擺臂的位移對比［6］。

圖4對稱和非對稱阻尼張緊器的擺動對比

圖4 表明，非對稱阻尼張緊器可以很好地控制系統(tǒng)振動，對于整個輪系的運轉比較有利。

4 非對稱阻尼張緊器的結構介紹

非對稱阻尼張緊器采用兩個相同或不同阻尼的阻尼塊，張緊器加載過程中，兩個阻尼塊共同作用，張緊器減載過程中，僅有一個阻尼塊作用，因此可以在加載與減載過程中產(chǎn)生不同阻尼。采用相同的兩個阻尼塊，僅能實現(xiàn)固定的非對稱因子；而采用不同阻尼塊，則能夠實現(xiàn)加載與減載過程中阻尼非對稱因子的靈活調節(jié)。如圖5為某款發(fā)動機所應用的非對稱阻尼張緊器結構，其采用的是兩塊相同阻尼的阻尼塊。

圖5 某發(fā)動機的非對稱阻尼張緊器結構

5 非對稱阻尼張緊器在某輕型柴油機上的應用

為滿足歐洲市場需求，對某款輕型柴油機進行了升級開發(fā)。出于成本、時間及風險等多方因素考慮，該機沿用了原機的大部分系統(tǒng)，包括附件輪系。為實現(xiàn)高強化指標，該機采用了高爆發(fā)壓力設計；而為了滿足歐洲嚴苛的油耗標準，整車配置了起停功能及變排量空調壓縮機、大功率交流發(fā)電機等附件，且需控制怠速轉速以降低油耗。其前端附件系統(tǒng)布置如圖6所示。

圖6 某輕型柴油機附件驅動系統(tǒng)

5.1 問題描述

該發(fā)動機在開發(fā)試制過程中，出現(xiàn)了前端附件驅動輪系異響的故障。具體表現(xiàn)為：整車冷機啟動時，在發(fā)動機前端發(fā)出“唧唧”的聲音；暖機后，這種異響聲音消失。

5.2 問題分析及對策

圖7 “唧唧”噪聲頻譜分析

對異響聲音進行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)異響聲音的頻率主要集中在4 000 Hz和8 000 Hz左右，如圖7所示。根據(jù)經(jīng)驗判斷，該聲音應為皮帶打滑聲音。同時對發(fā)動機前端附件輪系進行了測試，結果是：冷機狀態(tài)下，曲軸角振動較大，達到7°；而暖機狀態(tài)下角振動只有3～4°［7］，所以這也是造成皮帶打滑的原因之一。

原機所采用自動張緊器為對稱阻尼張緊器，其彈簧扭矩為30 N·m，加載和卸載阻尼率均為30%。通過CAE模擬計算，張緊器的擺動幅度較大，擺幅接近10°，如圖8所示。這說明張緊器的阻尼較小，動態(tài)響應能力較低，無法迅速衰減輪系振動。顯然，原機所用張緊器的扭矩與阻尼均無法消除曲軸角振動對新開發(fā)發(fā)動機前端輪系的影響。

圖8 原設計狀態(tài)張緊器擺臂的擺動幅度

問題的解決途徑包括提高怠速轉速、增加對稱阻尼張緊器阻尼等［8］。若提高怠速轉速，可改善怠速的燃燒穩(wěn)定性，降低曲軸角振動，但會導致燃油消耗的增加。而增大對稱阻尼張緊器的扭矩與阻尼或能抑制輪系的振動，但張緊器扭矩過大又可能導致皮帶張力增大、功耗增加、磨損加劇；且阻尼加大可能會導致曲軸減速時，附件皮帶的張力為0，從而引起打滑；所以采用對稱阻尼張緊器也無法完全解決此異響問題。因此，采用非對稱阻尼張緊器應該是比較理想的選擇。

5.3 非對稱阻尼張緊器的應用效果

在該柴油機的前端輪系采用非對稱阻尼張緊器。根據(jù)CAE分析結果，將非對稱阻尼張緊器的性能指標定義為：彈簧扭矩為30 N·m，加載阻尼率為100%，減載阻尼率為50%。同時CAE分析結果顯示，張緊器擺臂的擺動幅度大幅度降低至3.1°，如圖9所示；說明采用非對稱阻尼張緊器可使附件傳動系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

圖9 新設計狀態(tài)張緊器擺臂的擺動幅度

又在發(fā)動機臺架及整車上多次進行冷態(tài)起動驗證，均未發(fā)現(xiàn)冷機起動時的“唧唧”異響，問題得以解決。

6 結論

本文分析了發(fā)動機前端附件系統(tǒng)用對稱阻尼張緊器及非對稱阻尼張緊器的工作原理及結構特點，結合某新型柴油機發(fā)動機前端附件驅動系統(tǒng)的異響問題，探索分析了非對稱阻尼張緊器在該發(fā)動機上的應用案例，為輕型柴油機前端輪系的開發(fā)提供了參考依據(jù)。

［1］岳小平.柴油機前端附件驅動系統(tǒng)的優(yōu)化設計［J］.柴油機設計與制造，2012（3）：21-24.

［2］周龍保.內(nèi)燃機學［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2003，281-288.

［3］胡見.汽車發(fā)動機前端附件驅動系統(tǒng)自動張緊器的設計及優(yōu)化［D］.華南理工大學，2013.

［4］李豐軍，劉長波.CA6110系列發(fā)動機前端多楔帶附件傳動系統(tǒng)設計與開發(fā)［J］.汽車技術，2002（11）：10-13.

［5］韓魯強.發(fā)動機輪系液壓張緊器阻尼性能研究［D］.重慶大學，2012.

［6］Gates公司技術資料介紹

［7］Sheng G，Qatu M，Narravula V R.Study of Noise of Accessory Belt under Cold Condition［C］.SAE 2011-01-0929.

［8］Michelotti A，Paza A，Maurici A，et al.Functional Testing of Alternator Pulleys in Chassis Dyna-mometer［C］.SAE 2013-36-0124.

The Application of Asymmetric Damp Tensioner on a Light Duty Diesel Engine

Wang Qian1，Hu Zhiyuan2，Xing Dongshi1
（1.SAIC Group Co.，Ltd.，Technical Center，Shanghai 201206，China；2.Tongji University，School of Automotive Studies，Shanghai 201804，China）

The structure character and working principle of symmetry damp and asymmetry damp tensioner are introduced.Focus on the abnormal noise of a light duty diesel engine's front end accessory driving（FEAD）system，find out the root cause by using the CAE and testing technique，fix the issue with the asymmetry damp tensioner.The application experience can be referenced by the FEAD system design.

diesel engine，F(xiàn)EAD，asymmetry damper，tensioner，abnormal noise

10.3969/j.issn.1671-0614.2015.04.005

來稿日期：2015-06-24基金項目：上海市科委重點研究資助項目（13dz1205400）

王乾（1977-），男，工程師，主要研究方向為發(fā)動機設計開發(fā)。