非對(duì)稱阻尼張緊器在某輕型柴油機(jī)上的應(yīng)用

王 乾，胡志遠(yuǎn)，邢東仕

（1.上汽集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海201206；2.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海201804）

非對(duì)稱阻尼張緊器在某輕型柴油機(jī)上的應(yīng)用

王 乾1，胡志遠(yuǎn)2，邢東仕1

（1.上汽集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海201206；2.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海201804）

介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件系統(tǒng)用自動(dòng)張緊器的工作原理，以及對(duì)稱阻尼和非對(duì)稱阻尼張緊器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。針對(duì)某輕型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的異響問(wèn)題，應(yīng)用CAE和試驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合技術(shù)，分析了該機(jī)型前端附件系統(tǒng)產(chǎn)生異響的原因，應(yīng)用非對(duì)稱阻尼張緊器解決了異響問(wèn)題，為發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

柴油機(jī)前端附件系統(tǒng)非對(duì)稱阻尼張緊器異響

1 引言

整車前艙布置對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸限制越來(lái)越嚴(yán)，要求發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件傳動(dòng)系統(tǒng)布置更加緊湊。同時(shí)，隨著用戶對(duì)車輛舒適性要求的提高，整車用電量及空壓機(jī)、發(fā)電機(jī)的功率消耗也不斷增加［1］。這些都對(duì)前端附件傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出更高的要求。

雖然柴油機(jī)燃燒效率高、低速扭矩大，但是由于柴油機(jī)爆發(fā)壓力高、怠速轉(zhuǎn)速低，致使轉(zhuǎn)速波動(dòng)大［2］，這對(duì)前端附件傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，固定式張緊器已無(wú)法滿足現(xiàn)代柴油機(jī)前端輪系的工作要求，自動(dòng)張緊器逐漸成為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系的主流型式。

本文分析了發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件系統(tǒng)用對(duì)稱阻尼張緊器和非對(duì)稱阻尼張緊器的工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并結(jié)合某新型柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的異響問(wèn)題，探索分析了非對(duì)稱阻尼張緊器在該發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用并解決了該異響問(wèn)題。

2 自動(dòng)張緊器的工作原理

自動(dòng)張緊器是保證發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件傳動(dòng)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件，其扭矩和阻尼是自動(dòng)張緊器的主要技術(shù)指標(biāo)［3］。一方面，自動(dòng)張緊器通過(guò)彈簧扭矩對(duì)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(dòng)。如圖1所示，工作原理為：

（1）當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速增加時(shí)，皮帶EF段有繃直趨勢(shì)，即向外運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)；此時(shí)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(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生一定的皮帶張力，從而防止皮帶打滑。其作用力計(jì)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(jié)構(gòu)決定，T為張緊器彈簧扭矩，D為阻尼產(chǎn)生的扭矩。

（2）當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速降低時(shí)，皮帶EF段有松弛趨勢(shì)，即向內(nèi)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)；此時(shí)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(yùn)動(dòng)，保持一定皮帶張力，進(jìn)而防止皮帶打滑。其作用力計(jì)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(lái)看，加速時(shí)需要較大的阻尼，而減速時(shí)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(shí)，若張緊器的阻尼過(guò)大，會(huì)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(dǎo)致皮帶打滑。所以張緊器阻尼的選擇非常重要［4］。

3 自動(dòng)張緊器的類型

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

式中，

DL——加載阻尼；

DR——卸載阻尼；

T——彈簧扭矩。

非對(duì)稱因子越大，其吸收能量越快，更能提高系統(tǒng)的響應(yīng)性能。

對(duì)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(duì)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(duì)稱阻尼張緊器的負(fù)載輸出特性

雖然對(duì)稱阻尼張緊器并不滿足選擇阻尼時(shí)“加大減小”的原則，但是由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)成熟和成本低廉等特點(diǎn)，因此在附件輪系負(fù)載較低且變化率不大的車型上有較多應(yīng)用。但當(dāng)對(duì)減速階段皮帶打滑率的要求提高時(shí)，對(duì)稱阻尼張緊器彈簧扭矩和阻尼都需大幅提高，此時(shí)會(huì)造成張緊器的整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體型過(guò)大，布置困難。

非對(duì)稱阻尼張緊器在加載和卸載階段，提供不同的阻尼，其非對(duì)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(duì)稱阻尼張緊器的負(fù)載輸出特性

非對(duì)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(duì)稱阻尼張緊器可以有效衰減皮帶的振動(dòng)能量，減少皮帶的振動(dòng)，提高系統(tǒng)響應(yīng)性能；同時(shí)在加速或減速時(shí)，可以更好地控制張緊力，減小動(dòng)態(tài)負(fù)載［5］。圖4給出了同一發(fā)動(dòng)機(jī)輪系匹配上述兩種型式張緊器方案，張緊器擺臂的位移對(duì)比［6］。

圖4對(duì)稱和非對(duì)稱阻尼張緊器的擺動(dòng)對(duì)比

圖4 表明，非對(duì)稱阻尼張緊器可以很好地控制系統(tǒng)振動(dòng)，對(duì)于整個(gè)輪系的運(yùn)轉(zhuǎn)比較有利。

4 非對(duì)稱阻尼張緊器的結(jié)構(gòu)介紹

非對(duì)稱阻尼張緊器采用兩個(gè)相同或不同阻尼的阻尼塊，張緊器加載過(guò)程中，兩個(gè)阻尼塊共同作用，張緊器減載過(guò)程中，僅有一個(gè)阻尼塊作用，因此可以在加載與減載過(guò)程中產(chǎn)生不同阻尼。采用相同的兩個(gè)阻尼塊，僅能實(shí)現(xiàn)固定的非對(duì)稱因子；而采用不同阻尼塊，則能夠?qū)崿F(xiàn)加載與減載過(guò)程中阻尼非對(duì)稱因子的靈活調(diào)節(jié)。如圖5為某款發(fā)動(dòng)機(jī)所應(yīng)用的非對(duì)稱阻尼張緊器結(jié)構(gòu)，其采用的是兩塊相同阻尼的阻尼塊。

圖5 某發(fā)動(dòng)機(jī)的非對(duì)稱阻尼張緊器結(jié)構(gòu)

5 非對(duì)稱阻尼張緊器在某輕型柴油機(jī)上的應(yīng)用

為滿足歐洲市場(chǎng)需求，對(duì)某款輕型柴油機(jī)進(jìn)行了升級(jí)開發(fā)。出于成本、時(shí)間及風(fēng)險(xiǎn)等多方因素考慮，該機(jī)沿用了原機(jī)的大部分系統(tǒng)，包括附件輪系。為實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)化指標(biāo)，該機(jī)采用了高爆發(fā)壓力設(shè)計(jì)；而為了滿足歐洲嚴(yán)苛的油耗標(biāo)準(zhǔn)，整車配置了起停功能及變排量空調(diào)壓縮機(jī)、大功率交流發(fā)電機(jī)等附件，且需控制怠速轉(zhuǎn)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(jī)附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

5.1 問(wèn)題描述

該發(fā)動(dòng)機(jī)在開發(fā)試制過(guò)程中，出現(xiàn)了前端附件驅(qū)動(dòng)輪系異響的故障。具體表現(xiàn)為：整車?yán)錂C(jī)啟動(dòng)時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)前端發(fā)出“唧唧”的聲音；暖機(jī)后，這種異響聲音消失。

5.2 問(wèn)題分析及對(duì)策

圖7 “唧唧”噪聲頻譜分析

對(duì)異響聲音進(jìn)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(yàn)判斷，該聲音應(yīng)為皮帶打滑聲音。同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件輪系進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果是：冷機(jī)狀態(tài)下，曲軸角振動(dòng)較大，達(dá)到7°；而暖機(jī)狀態(tài)下角振動(dòng)只有3～4°［7］，所以這也是造成皮帶打滑的原因之一。

原機(jī)所采用自動(dòng)張緊器為對(duì)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(guò)CAE模擬計(jì)算，張緊器的擺動(dòng)幅度較大，擺幅接近10°，如圖8所示。這說(shuō)明張緊器的阻尼較小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力較低，無(wú)法迅速衰減輪系振動(dòng)。顯然，原機(jī)所用張緊器的扭矩與阻尼均無(wú)法消除曲軸角振動(dòng)對(duì)新開發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系的影響。

圖8 原設(shè)計(jì)狀態(tài)張緊器擺臂的擺動(dòng)幅度

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

5.3 非對(duì)稱阻尼張緊器的應(yīng)用效果

在該柴油機(jī)的前端輪系采用非對(duì)稱阻尼張緊器。根據(jù)CAE分析結(jié)果，將非對(duì)稱阻尼張緊器的性能指標(biāo)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(shí)CAE分析結(jié)果顯示，張緊器擺臂的擺動(dòng)幅度大幅度降低至3.1°，如圖9所示；說(shuō)明采用非對(duì)稱阻尼張緊器可使附件傳動(dòng)系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

圖9 新設(shè)計(jì)狀態(tài)張緊器擺臂的擺動(dòng)幅度

又在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架及整車上多次進(jìn)行冷態(tài)起動(dòng)驗(yàn)證，均未發(fā)現(xiàn)冷機(jī)起動(dòng)時(shí)的“唧唧”異響，問(wèn)題得以解決。

6 結(jié)論

本文分析了發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件系統(tǒng)用對(duì)稱阻尼張緊器及非對(duì)稱阻尼張緊器的工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合某新型柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的異響問(wèn)題，探索分析了非對(duì)稱阻尼張緊器在該發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用案例，為輕型柴油機(jī)前端輪系的開發(fā)提供了參考依據(jù)。

［1］岳小平.柴油機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2012（3）：21-24.

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

［3］胡見.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)張緊器的設(shè)計(jì)及優(yōu)化［D］.華南理工大學(xué)，2013.

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［6］Gates公司技術(shù)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(lái)稿日期：2015-06-24基金項(xiàng)目：上海市科委重點(diǎn)研究資助項(xiàng)目（13dz1205400）

王乾（1977-），男，工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)。