王俊然，李雪峰，賈紅杰，曾超，劉倫倫，段良坤

(1.內(nèi)燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061；2.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061)

0 前言

前端附件驅(qū)動(FEAD)系統(tǒng)是汽車發(fā)動機的重要組成部分。現(xiàn)有FEAD系統(tǒng)常采用多楔帶驅(qū)動附件，且配備適當(dāng)?shù)淖詣訌埦o器來維持穩(wěn)定的帶段張力。多楔帶輪比V形帶輪結(jié)構(gòu)簡單、布局緊湊、傳動能力強、皮帶壽命長并且噪聲-振動-聲振粗糙度(NVH)性能較好。FEAD系統(tǒng)的可靠性直接影響到整車安全性和舒適性，因此，對FEAD系統(tǒng)進行優(yōu)化，可提升車輛的產(chǎn)品質(zhì)量。

曾祥坤[1]通過對發(fā)動機前端附件驅(qū)動系統(tǒng)進行研究，發(fā)現(xiàn)增加帶段初始張力，可提高帶段橫向振動的固有頻率，避免在發(fā)動機常用轉(zhuǎn)速區(qū)間產(chǎn)生共振，并可有效降低張緊臂擺角，提高前端輪系的可靠性，但同時會增加各輪輪轂載荷，從而縮短曲軸軸承的使用壽命。王德成等[2-3]研究發(fā)現(xiàn)，由于發(fā)電機等效轉(zhuǎn)動慣量較大，其對前端輪系的可靠性有較大影響，采用具有減振作用的發(fā)電機皮帶輪[4-6]，可以提高前端輪系的可靠性。研究表明，非對稱阻尼張緊器[7]和液壓張緊器[8]具有較大的阻尼比，能夠有效降低張緊臂擺動，提高前端輪系的可靠性。以上方案主要通過改進優(yōu)化附件帶輪、張緊器和皮帶等措施，提高前端輪系的可靠性，但并不能徹底解決前端輪系的動態(tài)性能問題。

本文針對某6缸柴油機已開發(fā)設(shè)計的曲軸解耦皮帶輪，通過主動降低曲軸皮帶輪的轉(zhuǎn)速波動(即降低發(fā)動機前端輪系的激勵源)，來改善輪系動態(tài)性能。同時，采用仿真方法和臺架試驗，驗證曲軸解耦皮帶輪對前端輪系的改善效果。

1 曲軸的角振動

扭轉(zhuǎn)振動[9-10]是曲軸等旋轉(zhuǎn)零部件的固有特性。發(fā)動機在工作過程中，曲軸受缸壓和慣性力等呈周期性變化的激勵載荷作用，容易引起曲軸的扭轉(zhuǎn)振動。扭轉(zhuǎn)振動包括扭振和滾振。扭振的主要特點是曲軸系各截面間存在幅值和相位差，扭振過大會使曲軸損壞；滾振的主要特點是曲軸系各截面間都以相同的振幅作同步的來回轉(zhuǎn)動，不發(fā)生相對扭轉(zhuǎn)，滾振對曲軸的破壞性較小，但對從曲軸直接獲取動力的前端輪系有較大影響。本文所研究的某直列6缸發(fā)動機的角位移和相位角表達(dá)式如下：

(1)

式中：n(t)為t時刻的轉(zhuǎn)速；n0為基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速；j為階數(shù)；Aj為第j階的角位移幅值；t為角位移時間；φj為第j階的相位角。

曲軸皮帶輪作為前端輪系的主動輪，是前端附件系統(tǒng)的激勵源，曲軸系的角振動即轉(zhuǎn)速不均勻性會通過皮帶傳遞至前端附件，進而影響整個前端輪系。由于曲軸系的角振動具有周期性，會造成皮帶張力不斷變化和張緊輪往復(fù)擺動。當(dāng)曲軸系的滾振越大，前端輪系的需求張力就越大，會導(dǎo)致系統(tǒng)的張力變化趨勢和張緊輪擺動幅值增大。這一方面會加劇張緊輪和皮帶的磨損，影響前端輪系的可靠性[11]；另一方面也會增加各附件的摩擦功損失，影響發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性。

2 曲軸解耦皮帶輪

曲軸解耦皮帶輪的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括皮帶輪和螺旋彈簧等。螺旋彈簧與彈性塊(剛度遠(yuǎn)比螺旋彈簧的大)相連接，彈性塊起限位作用，防止螺旋彈簧變形過大而與皮帶輪發(fā)生干摩擦。

圖1 曲軸解耦皮帶輪結(jié)構(gòu)圖

曲軸解耦皮帶輪的性能曲線如圖2所示。在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速時[12]，曲軸帶動螺旋彈簧轉(zhuǎn)動，皮帶輪相對曲軸的旋轉(zhuǎn)角度較小，通過彈簧和內(nèi)部阻尼元件吸收曲軸轉(zhuǎn)速不均勻產(chǎn)生的能量，進而降低皮帶輪的轉(zhuǎn)速波動。在發(fā)動機高轉(zhuǎn)速時，皮帶輪的旋轉(zhuǎn)角度增大，此時螺旋彈簧被進一步壓縮，從而提供較大的剛度以傳遞增大的輸出扭矩。在超負(fù)荷區(qū)域，隨著輸出扭矩的繼續(xù)增加，旋轉(zhuǎn)角度進一步增大，此時螺旋彈簧剛度會急劇增加，與剛性皮帶輪近似。綜上所述，曲軸解耦皮帶輪主要是降低了發(fā)動機低轉(zhuǎn)速區(qū)間的轉(zhuǎn)速波動，從而提高發(fā)動機前端輪系的可靠性。

圖2 曲軸解耦皮帶輪性能曲線

3 設(shè)計仿真

所研究的發(fā)動機前端輪系包括風(fēng)扇-水泵層和空調(diào)-發(fā)電機層，其輪系布局如圖3所示。由于該系統(tǒng)的自動張緊輪存在一定故障率，因此開發(fā)了曲軸解耦皮帶輪以優(yōu)化輪系性能，改善輪系指標(biāo)，提高輪系可靠性。

圖3 前端輪系布局圖

3.1 現(xiàn)有前端輪系仿真

通過SimDrive軟件對現(xiàn)有狀態(tài)FEAD系統(tǒng)進行計算分析，系統(tǒng)中各附件的幾何參數(shù)見表1。所研究的機型為直列6缸發(fā)動機，其曲軸主激勵為3諧次，對應(yīng)的角位移曲線如圖4所示，計算時以曲軸皮帶輪的3諧次角位移作為激勵源。

圖4 曲軸3諧次角位移曲線

表1 FEAD系統(tǒng)附件幾何參數(shù)

經(jīng)測試，獲得該機型FEAD系統(tǒng)的主要驅(qū)動風(fēng)扇、水泵、空調(diào)和發(fā)電機等附件的功耗，結(jié)果如圖5所示。張緊器的扭轉(zhuǎn)性能曲線如圖6所示，其中風(fēng)扇-水泵層和空調(diào)-發(fā)電機層的名義扭矩分別為33.1 N·m和19.2 N·m。

圖5 FEAD系統(tǒng)附件功耗曲線

圖6 自動張緊器性能曲線

通過張緊臂擺角可以評估張緊器的壽命，張緊臂擺角越小，其使用壽命越長。經(jīng)計算風(fēng)扇-水泵層的張緊臂擺角最大值為3.20°，空調(diào)-發(fā)電機層的張緊臂擺角最大值為5.70°，如圖7所示。

圖7 張緊臂擺角圖

帶段的皮帶張力可用來評估皮帶壽命，帶段張力越小，皮帶壽命長，且?guī)Ф螐埩p小，可以減小附件之間的摩擦，提高零部件的可靠性，同時提升燃油經(jīng)濟性。為方便對比，用惰輪受力代替帶段張力，受力圖如圖8所示。風(fēng)扇-水泵層的惰輪受力最大值為1 409 N，空調(diào)-發(fā)電機層的惰輪受力最大值為875 N。其中風(fēng)扇-水泵層的張力波動(惰輪受力最大值與最小值的差值)為1 264 N，空調(diào)-發(fā)電機層的張力波動為633 N。

圖8 惰輪受力圖

3.2 采用曲軸解耦皮帶的輪前端輪系仿真

采用曲軸解耦器可以有效隔離曲軸系的振動，降低曲軸皮帶輪的轉(zhuǎn)速波動，提升輪系可靠性。在仿真過程中，采用SimDrive軟件自帶的Inline Spring Block單元模擬曲軸解耦皮帶輪的剛度和阻尼。

搭載曲軸解耦皮帶輪后，計算得出曲軸皮帶的3諧次角位移降低為0.16°，比原狀態(tài)降低0.63°(見圖9)。搭載曲軸解耦皮帶輪后的張緊臂擺角和惰輪受力分別如圖10和圖11所示。風(fēng)扇-水泵層的張緊臂擺角最大值為0.60°，空調(diào)-發(fā)電機層的張緊臂擺角最大值為1.10°。風(fēng)扇-水泵層的惰輪受力最大值為871 N，空調(diào)-發(fā)電機層的惰輪受力最大值為649 N；其中風(fēng)扇-水泵層的張力波動為456 N，空調(diào)-發(fā)電機層的張力波動為198 N。

圖9 曲軸3諧次角位移圖對比

圖10 采用曲軸解耦器后的張緊臂擺角圖

圖11 采用曲軸解耦器后的惰輪受力圖

根據(jù)上述計算結(jié)果表明，曲軸的各項指標(biāo)均得到明顯改善，通過減小張緊器扭矩和皮帶張力，可提高皮帶壽命和燃油經(jīng)濟性。

分別將張緊器扭矩減小至21.0 N·m和9.4 N·m，再進行輪系仿真計算，結(jié)果見表2。新狀態(tài)輪系(搭載曲軸解耦皮帶輪和小扭矩張緊器)的計算結(jié)果優(yōu)于原狀態(tài)輪系(搭載剛性皮帶輪和大扭矩張緊器)，其中張緊臂擺角的平均降幅為77%，惰輪受力最大值平均降幅為53.8%，張力波動的平均降幅為72.3%。由此可見，搭載曲軸解耦皮帶輪可有效改善前端輪系性能，提高前端輪系的可靠性。

表2 搭載曲軸解耦器仿真計算對比

4 試驗驗證

為驗證曲軸解耦器的有效性，進行臺架對比試驗，測試曲軸皮帶輪的轉(zhuǎn)速波動和前端輪系各項指標(biāo)。通過加速度傳感器測量張緊臂擺角，利用輪轂載荷傳感器(特制的惰輪)測試惰輪受力，前端輪系的測試狀態(tài)如圖12所示。

圖12 臺架測試現(xiàn)場

發(fā)動機臺架試驗結(jié)果見表3。搭載曲軸解耦皮帶輪后曲軸皮帶輪的滾振顯著降低，其3諧次角位移由0.79°降為0.15°。新狀態(tài)輪系測試結(jié)果優(yōu)于原狀態(tài)輪系，其中張緊臂擺角的平均降幅為76.3%，惰輪受力最大值平均降幅為43.2%，張力波動的平均降幅為53.3%。臺架試驗結(jié)果與仿真分析結(jié)果一致，進一步說明對發(fā)動機前端附件系統(tǒng)的優(yōu)化改進是有效的。

表3 搭載曲軸解耦器試驗結(jié)果對比

5 結(jié)論

本文針對某6缸發(fā)動機前端附件驅(qū)動系統(tǒng)，開發(fā)設(shè)計了曲軸解耦皮帶輪，通過主動降低曲軸皮帶輪的轉(zhuǎn)速波動，改善了輪系動態(tài)性能。通過對優(yōu)化后的前端輪系進行仿真分析和臺架試驗，得到以下結(jié)論。

(1)建立了搭載曲軸解耦皮帶輪的前端輪系，并采用臺架試驗驗證其有效性，得出曲軸解耦皮帶輪可以有效隔離曲軸的轉(zhuǎn)速波動，降低曲軸皮帶輪的滾振。

(2)搭載曲軸解耦皮帶輪能夠有效地減小張緊臂擺角，提高張緊器壽命和前端輪系可靠性。

(3)曲軸解耦皮帶輪可以減小前端輪系的皮帶張力波動，減少皮帶與帶輪之間的摩擦以及附件的內(nèi)部磨損，進而減小摩擦功，提升燃油經(jīng)濟性。