(內燃機可靠性國家重點實驗室，山東省濰坊市 261061；濰柴動力股份有限公司，山東省濰坊市 261061)

0 引言

節(jié)能減排已成為燃油發(fā)動機永恒發(fā)展的目標。為降低發(fā)動機前端附件能耗，確保在不同工況正常工作時，風扇可提供不同的風量需求，目前已廣泛應用搭載電磁離合器或電控硅油離合器的風扇。

電控硅油離合器結構內含硅油，具有黏性阻尼特性，換擋無沖擊，但變速傳遞動力時響應較慢，存在轉速滑差，開發(fā)成本高。而電磁離合器內含永磁渦流系統(tǒng)，換擋響應快，可通過控制電磁線圈電路通斷，控制傳遞動力路線，傳動無滑差，開發(fā)成本低；但變速傳遞動力時常伴隨有沖擊，不同轉速時，所產生的沖擊力不同。2種離合器結構各具有其不同的應用市場。

受爆發(fā)壓力、活塞的往復慣性力、外力等激勵的影響，曲軸轉速并非恒定于某一轉速，而是在某基準轉速上下波動，由此會對應不同的電磁離合器換擋時刻，進而影響發(fā)動機前端附件驅動輪系(前端輪系)動態(tài)性能。某發(fā)動機風扇搭載電磁三速離合器。本文就該發(fā)動機前端輪系，根據(jù)電磁離合器換擋時間要求、離合器摩擦片間的傳遞扭矩等，并基于發(fā)動機曲軸基準轉速上下波動對應不同的換擋時刻，從前端輪系動態(tài)性能指標、附件轉速波動、附件帶輪緊邊皮帶張緊力波動、張緊輪擺幅等維度確定出最佳的電磁離合器換擋時刻，可用于指導搭載電磁離合器結構風扇的吸合換擋時間。

1 前端輪系模型

匹配電磁離合器風扇的某直列6缸、4沖程發(fā)動機前端輪系模型包含7個模塊，分別為曲軸模塊、惰輪模塊、水泵模塊、風扇模塊、離合器模塊、自動張緊模塊和多楔帶模塊。曲軸模塊作為前端輪系的激勵源，其借助多楔帶模塊驅動風扇模塊、水泵模塊等附件系統(tǒng)，借助自動張緊模塊為系統(tǒng)提供所需的張緊力，保證系統(tǒng)正常運轉。采用Simdrive 3D軟件建立發(fā)動機前端輪系模型，如圖1所示。

1.1 激勵源輸入信息

曲軸模塊中，前端輪系中的激勵源信號主要為曲軸系扭轉振動，依據(jù)發(fā)動機動力學原理，發(fā)動機的轉速波動可按如下公式[1]計算：

(1)

式中，n0為基準轉速，r/min；j為階，j=0.5, 1, …, ∞；Aj為第j階角位移幅值，(°)；t為時間，s；φj為第j階相位角，deg。

1.2 附件功率消耗特性

風扇模塊、水泵模塊為前端輪系中主要消耗功率的附件模塊，兩者的功率消耗特性曲線如圖2所示。

1.3 自動張緊及多楔帶模塊

自動張緊模塊中的自動張緊器性能數(shù)據(jù)需從張緊輪扭轉試驗機上獲取，名義位置扭矩為22.6 Nm，采用阻尼比為15%的對稱阻尼式結構[2]。多楔帶模塊采用10PK、聚酯線繩的的傳動帶。

2 電磁離合器結構及工作原理

2.1 結構簡介

本發(fā)動機所采用的電磁三速離合器結構示意如圖3所示，主要由3個模塊組成[3]。

模塊1包含牽引管、電磁線圈、主軸、軸承及傳動盤等部件，模塊2包含小吸合盤、小彈簧片、鑄鋁承載盤、航空磁鐵及滾動軸承等部件，模塊3包含大吸合盤、大彈簧片、滾動軸承、風扇承載盤(內澆鑄有環(huán)形鋼板)等部件。當發(fā)動機出水溫度或進氣溫度處于不同的水平時，控制單元決定電磁離合器處于不同檔位[4]。

2.2 工作原理

當電磁三速離合器處于一速工作時，模塊1中的主軸帶動模塊3滾動軸承內圈轉動，在滾動軸承滾珠與內圈、外圈摩擦力的作用下，風扇承載盤帶動風扇隨滾動軸承外圈轉動，此時風扇轉速可達150～200 r/min。其動力傳遞路線如圖4所示。

處于二速工作時，模塊1中的小電磁線圈通電，在永磁渦流系統(tǒng)的作用下，傳動盤與模塊2中的小吸合盤貼合，兩者之間靠靜摩擦力傳遞動力，風扇承載盤內澆鑄的環(huán)形鋼板，切割磁感線，在電磁力作用下，驅動風扇承載盤帶動風扇隨主軸柔性轉動，實現(xiàn)動力傳遞。此換擋過程中無沖擊產生，風扇轉速可達到輸入的30%～60%。其動力傳遞路線如圖5所示。

處于三速工作時，模塊1中的大線圈通電產生電磁力，傳動盤吸合模塊3中的大吸合盤，大吸合盤與傳動盤貼合，兩者之間依靠靜摩擦力傳遞動力，因大吸合盤與風扇承載盤為剛性連接，由此實現(xiàn)動力傳遞。此換擋過程中會存在一定沖擊，為減小摩擦副磨損，換擋時間一般控制在1 s以下。其動力傳遞路線如圖6所示。

電磁三速離合器的轉速特性曲線如圖7所示。

由前文可知，電磁三速離合器在一速升二速換擋時，主軸與風扇間的動力傳遞為柔性且逐漸過渡，而二速升三速換擋時，主軸與風扇間的動力傳遞為為剛性且耗時短暫，此過程中會產生一定的沖擊力。此沖擊力與電流強度，線圈匝數(shù)，鐵芯平均長度、鐵芯的磁導率、氣隙處鐵芯的截面積、空氣中的磁導率等因素有關[5]。當沖擊力作用于大吸合盤與傳動盤之間時，即可實現(xiàn)扭矩傳遞。根據(jù)該電磁離合器的性能參數(shù)，二速換三速時，靜摩擦扭矩≥100 Nm。

3 換擋過程對前端輪系動態(tài)性能影響的分析

在Simdrive 3D軟件中，采用Friction Cluth模塊，根據(jù)電磁離合器的換擋時間及換擋吸合時可傳遞的最大扭矩值，定義基于時間的換擋規(guī)律。換擋吸合時所傳遞的最大扭矩根據(jù)1.3節(jié)附件功率消耗特性獲得。為直觀地展示電磁離合器的工作特性，假定初始時，電磁離合器為分離狀態(tài)，在某一時刻吸合，開始換擋。

3.1 不考慮曲軸轉速波動

假定曲軸以1 200 r/min恒定轉速運轉，不考慮曲軸轉速波動對前端輪系的影響，則任意時刻換擋時的風扇及其帶輪轉速波動、風扇帶輪緊邊皮帶動態(tài)張緊力如圖8所示。

可以看出，假定風扇一速為零，初始時，風扇帶輪始終以1 462.2 r/min運轉，在一速換擋至二速時，風扇帶輪轉速波動較小，最大波動率約為0.32%，最大皮帶動態(tài)張緊力增加約6.37%；在二速換擋至三速時，風扇帶輪轉速波動較大，最大波動率約為0.95%，最大皮帶動態(tài)張緊力增加約72.25%，即不同風扇帶輪轉速換擋時，引起動態(tài)張緊力波動不同。以下針對具有著火激勵諧次的曲軸轉速波動，分析不同時刻換擋對輪系動態(tài)性能的影響。

3.2 考慮著火激勵諧次的曲軸轉速波動

同樣地，假定曲軸轉速為1 200 r/min，僅考慮著火主激勵諧次時的角位移幅值及其相位角，不考慮電磁離合器換擋時，根據(jù)公式(1)得到時域內曲軸轉速波動情況。因多楔帶本體為橡膠結構，具有一定阻尼特性，且中間抗拉體為聚酯線繩，在傳動過程中，多楔帶在帶輪上會產生一定的彈性滑動，導致附件帶輪轉速與曲軸轉速相對滯后[6]。不考慮風扇帶輪速比時，風扇帶輪轉速滯后于曲軸轉速情況如圖9所示。

此種滯后現(xiàn)象會導致曲軸轉速與附件帶輪轉速不同步，則電磁離合器換擋時，對于風扇而言，存在幾種可能的換擋時刻。假定分別在等效點A處、波峰點B處、等效點C處、波谷點D處進行換擋，如圖10所示。圖中t0為風扇轉速恰好為曲軸基準轉速與風扇帶輪對應速比乘積的相對應時刻，T為風扇轉速波動周期。

下面考慮電磁離合器換擋時刻，綜合分析離合器二速換三速、三速換二速時，前端輪系的動態(tài)性能變化。

3.3 考慮曲軸轉速波動時升速換擋

電磁離合器二速換三速時，取風扇帶輪轉速變化1個周期內的4個不同時刻進行分析，即等效點A處、波峰點B處、等效點C處和波谷點D處。4個不同時刻換擋升速時的前端輪系動態(tài)性能指標對比結果如圖11所示。

考慮曲軸轉速波動，不同時刻換擋升速時，前端輪系動態(tài)性能有差異。各處換擋升速時的風扇帶輪轉速波動率、風扇帶輪緊邊皮帶動態(tài)張緊力變化率及張緊輪瞬態(tài)擺幅對比結果如表1所示。

表1 不同時刻換擋升速時前端輪系動態(tài)性能對比

可以看出，B處換擋升速時，風扇帶輪轉速波動率、風扇帶輪緊邊皮帶張緊力波動率及張緊輪擺幅均為最小。而過大的張緊力波動會導致張緊輪阻尼件產生較大的pv值(承載壓力與接觸面上的相對線速度的乘積值)，影響張緊輪應用可靠性[7]。因此，為提高前端輪系使用壽命，對于搭載有電磁離合器的前端輪系，換擋升速時需控制在B處。

3.4 考慮曲軸轉速波動時降速換擋

電磁離合器三速換二速時，同樣地，仍取風扇帶輪轉速變化1個周期內的4個不同時刻進行分析。對比分析4個不同時刻換擋時的前端輪系的動態(tài)性能指標，結果如圖12所示。

考慮曲軸轉速波動，在不同時刻換擋降速時，前端輪系動態(tài)性能亦有差異。各處換擋升速時的風扇帶輪轉速波動率、風扇帶輪緊邊皮帶動態(tài)張緊力變化率及張緊輪瞬態(tài)擺幅對比結果如表2所示。

表2 不同時刻換擋降速時前端輪系動態(tài)性能對比

可以看出，在B處換擋降速時，風扇帶輪轉速波動率、風扇帶輪緊邊皮帶張緊力波動率及張緊輪擺角均為最小，對前端輪系動態(tài)性能影響最小。因此，為提高輪系使用壽命，對于搭載有電磁離合器的前端輪系，換擋降速時亦需控制在B處。電磁離合器三速降二速對前端輪系的影響小于二速升三速。

4 結論

通過分析電磁三速離合器的結構及原理，明確在二速升三速時，對于搭載電磁離合器風扇的發(fā)動機前端附件輪系而言，換擋時刻要求相對較苛刻。另外，為保障前端輪系整體可靠性，從前端輪系動態(tài)性能指標，如附件轉速波動、附件帶輪緊邊皮帶張緊力波動、張緊輪擺幅等維度，確定出發(fā)動機曲軸轉速波動時，電磁離合器的最佳換擋時刻，應將其控制在曲軸轉速波動的波峰點，對前端輪系的動態(tài)性能影響最小，可在一定程度上提高發(fā)動機前端附件輪系的使用壽命。