某乘用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算與試驗(yàn)研究

肖廣朋，吳興亮，王之瑤，李昕，楊軍，王福全

（一汽轎車(chē)股份限公司，吉林 長(zhǎng)春 130000）

某乘用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算與試驗(yàn)研究

肖廣朋，吳興亮，王之瑤，李昕，楊軍，王福全

（一汽轎車(chē)股份限公司，吉林 長(zhǎng)春 130000）

發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)（FEAD）系統(tǒng)是汽車(chē)中關(guān)鍵的子系統(tǒng)，其性能的好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的輸出、附件的工作以及整車(chē)的 NVH 性能。其中自動(dòng)張緊器是FEAD系統(tǒng)的核心部件，文章基于某乘用車(chē)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)FEAD系統(tǒng)自動(dòng)張緊器結(jié)構(gòu)組成、工作原理、性能指標(biāo)、理論計(jì)算做了詳細(xì)的介紹，并對(duì)該乘用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)FEAD系統(tǒng)性能做了動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算和整車(chē)性能試驗(yàn)驗(yàn)證。計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果表明FEAD系統(tǒng)性能能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及整車(chē)性能要求。

發(fā)動(dòng)機(jī)；FEAD；自動(dòng)張緊器；多楔帶

CLC NO.: U463.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-212-04

引言

發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)（FEAD）系統(tǒng)是汽車(chē)中關(guān)鍵的子系統(tǒng)，其性能的好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的輸出、附件的工作以及整車(chē)的 NVH 性能[1-2]。其中自動(dòng)張緊器是FEAD系統(tǒng)的核心部件,本文對(duì)自動(dòng)張緊器做了系統(tǒng)的研究，并對(duì)其結(jié)構(gòu)組成、工作原理、性能指標(biāo)、理論計(jì)算做了詳細(xì)的介紹，并對(duì)某乘用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)FEAD系統(tǒng)性能做了動(dòng)態(tài)仿真和整車(chē)性能試驗(yàn)驗(yàn)證。為后續(xù)整車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中FEAD系統(tǒng)自動(dòng)張緊器匹配開(kāi)發(fā)提供了理論基礎(chǔ)與試驗(yàn)支撐。

1、自動(dòng)張緊器的結(jié)構(gòu)組成、工作原理及性能指標(biāo)

1.1 自動(dòng)張緊器結(jié)構(gòu)組成

自動(dòng)張緊器組成部件有：基座、張緊臂、帶輪、阻尼件、彈簧、銷(xiāo)軸和銷(xiāo)軸襯套等。同時(shí)，自動(dòng)張緊器表面標(biāo)記有張緊器各個(gè)工作位置標(biāo)示：更換皮帶位置、最長(zhǎng)皮帶位置、最短皮帶位置等，自動(dòng)張緊器的名義位置在最長(zhǎng)皮帶位置和最短皮帶位置中間，自動(dòng)張緊器絕大部分時(shí)間都在名義位置附近工作。如圖1所示，為某乘用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)FEAD自動(dòng)張緊器爆炸圖。

1.2 自動(dòng)張緊器工作原理

圖2.2為某乘用車(chē)自動(dòng)張緊器在FEAD系統(tǒng)中的安裝位置示意圖。

圖2 自動(dòng)張緊器安裝位置示意圖

當(dāng)自動(dòng)張緊器安裝到如圖2-2所示的位置后，多楔帶迂回繞過(guò)所有的附件帶輪，如圖中的曲軸、空調(diào)壓縮機(jī)、轉(zhuǎn)向助力泵、惰輪、發(fā)電機(jī)、自動(dòng)張緊器和水泵，而且，為了保證動(dòng)力能夠正常傳遞到各個(gè)附件上，要求帶具有一定的帶張力。由于自動(dòng)張緊器在發(fā)動(dòng)機(jī)表面固定，底座是與發(fā)動(dòng)機(jī)表面固連的，張緊臂能夠繞著銷(xiāo)軸旋轉(zhuǎn)，所以，張緊臂會(huì)在螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧的彈性勢(shì)能的作用下，沿彈簧卸載方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)張緊臂上的帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，如此，帶輪便將多楔帶張緊。

隨著FEAD系統(tǒng)的不斷運(yùn)轉(zhuǎn)，多楔帶在摩擦損耗、高溫蠕變等因素的綜合影響下，會(huì)逐漸伸長(zhǎng)，導(dǎo)致帶張力下降，自動(dòng)張緊器在螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧的作用下，會(huì)繼續(xù)驅(qū)使張緊臂向著多楔帶方向轉(zhuǎn)動(dòng)（即逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)），從而彌補(bǔ)了傳動(dòng)帶上的張力下降，繼續(xù)維持了傳動(dòng)帶的張緊[3-4]。反之，當(dāng)FEAD系統(tǒng)處在加載工況的時(shí)候，多楔帶會(huì)被進(jìn)一步的拉緊，此時(shí)，在多楔帶的驅(qū)動(dòng)下，張緊臂會(huì)繞銷(xiāo)軸沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)就把FEAD系統(tǒng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧的彈性勢(shì)能儲(chǔ)存起來(lái)，留作卸載的時(shí)候使用。

1.3 自動(dòng)張緊器的性能指標(biāo)

針對(duì)某乘用車(chē)自動(dòng)張緊器，結(jié)合FEAD系統(tǒng)的多楔帶張力、張緊臂擺角及帶-輪間滑移率等性能參數(shù)的要求，整車(chē)對(duì)自動(dòng)張緊器提出了若干條性能指標(biāo)：

（1）自動(dòng)張緊器在工作位置時(shí)的扭矩值要滿(mǎn)足整車(chē)的要求。

（2）自動(dòng)張緊器在工作位置時(shí)的阻尼值要滿(mǎn)足FEAD系統(tǒng)的要求，以達(dá)到減振、減噪的要求，對(duì)于對(duì)稱(chēng)阻尼機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，阻尼系數(shù)一般在 20%-60%的范圍內(nèi)，而對(duì)于非對(duì)稱(chēng)阻尼機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，加載方向上的阻尼系數(shù)一般在20%-100%范圍內(nèi)，卸載方向上的阻尼系數(shù)一般在 0-20%范圍內(nèi)。

（3）由于自動(dòng)張緊器最終是服務(wù)于FEAD系統(tǒng)的，所以，有些性能指標(biāo)要結(jié)合系統(tǒng)的性能來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，其他還有一些關(guān)于自動(dòng)張緊器的結(jié)構(gòu)上的性能，如：耐疲勞性能，抗污染性能，抗沖擊性能等，這些性能都需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，以確保自動(dòng)張緊器產(chǎn)品能夠符合整車(chē)的要求。

2、FEAD系統(tǒng)計(jì)算原理

由于自動(dòng)張緊器在發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)（FEAD）系統(tǒng)中的重要作用，所以，在進(jìn)行自動(dòng)張緊器設(shè)計(jì)的時(shí)候，要時(shí)刻考慮FEAD系統(tǒng)的性能要求。

發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)（FEAD）系統(tǒng)主要由3部分組成：皮帶輪、張緊器、多楔帶。在自動(dòng)張緊器系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算中最主要的設(shè)計(jì)仿真參數(shù)有：張緊臂擺角、帶-輪間滑移率、多楔帶抖動(dòng)量。下面就對(duì)這幾個(gè)主要參數(shù)的計(jì)算原理進(jìn)行簡(jiǎn)單敘述。

2.1 張緊臂擺角

張緊臂擺角計(jì)算方程如表1運(yùn)動(dòng)方程類(lèi)型所示。

表1 運(yùn)動(dòng)方程類(lèi)型

第三式中，It是張緊臂轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，θt是張緊臂擺角；Ct是張緊臂阻尼；Kt是張緊器彈簧剛度；θ0是張緊器初始轉(zhuǎn)角；Qt是張緊輪兩端帶段對(duì)張緊器支點(diǎn)的力矩。

2.2 帶-輪間滑移率

帶-輪間滑移率計(jì)算方程如下：

2.3 多楔帶抖動(dòng)量

多楔帶抖動(dòng)量的計(jì)算十分復(fù)雜，只說(shuō)明計(jì)算原理。

圖3 多楔帶抖動(dòng)量計(jì)算原理示意

多楔帶抖動(dòng)量計(jì)算原理：根據(jù)弦耦合振動(dòng)理論或梁耦合振動(dòng)理論，利用漢密爾頓積分原理，列出帶段運(yùn)動(dòng)方程式，最后借助數(shù)值積分方法（經(jīng)典四階龍格庫(kù)塔法）求解運(yùn)動(dòng)方程的數(shù)值解，并最終得到各帶段的抖動(dòng)量[5-7]。多楔帶抖動(dòng)量計(jì)算原理示意圖如圖3所示。

3、FEAD系統(tǒng)動(dòng)態(tài)計(jì)算

本文利用FEAD系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析軟件AVL EXCITE TD對(duì)某乘用車(chē)FEAD系統(tǒng)張緊臂擺角、帶-輪間滑移率、多楔帶抖動(dòng)量等參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算。

3.1 動(dòng)態(tài)計(jì)算輸入?yún)?shù)

1）輪系坐標(biāo)

FEAD系統(tǒng)中包括曲軸、空調(diào)壓縮機(jī)、轉(zhuǎn)向助力泵、惰輪、發(fā)電機(jī)、自動(dòng)張緊器和水泵，各個(gè)帶輪在輪系中的坐標(biāo)如表2所示。

表2 各個(gè)帶輪在輪系中的坐標(biāo)

2）自動(dòng)張緊器參數(shù)

FEAD系統(tǒng)自動(dòng)張緊器數(shù)據(jù)參數(shù)如表3所示。

表3 自動(dòng)張緊器數(shù)據(jù)參數(shù)

3）曲軸激振曲線(xiàn)

FEAD系統(tǒng)曲軸激振曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 曲軸激振曲線(xiàn)

4）其他附件性能曲線(xiàn)

FEAD系統(tǒng)影響動(dòng)態(tài)計(jì)算的附件還包括發(fā)電機(jī)、空壓機(jī)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵、水泵等，這些附件的性能曲線(xiàn)不再詳細(xì)列舉。

3.2 動(dòng)態(tài)計(jì)算結(jié)果分析

1）張緊臂擺角

發(fā)動(dòng)機(jī)在1500rpm全負(fù)荷時(shí)張緊臂擺角波動(dòng)最大，最大擺角波動(dòng)為4.3°，如圖5所示。

2）帶-輪間滑移率

在全負(fù)荷時(shí)，各帶輪的帶-輪間滑移率均小于3%，如圖6所示。

圖5 FEAD系統(tǒng)張緊器擺角

圖6 FEAD系統(tǒng)各帶輪滑移率

3）多楔帶抖動(dòng)量

在1800rpm全負(fù)荷時(shí)，最大皮帶抖動(dòng)量為14mm，如圖7所示。

圖7 FEAD系統(tǒng)多楔帶抖動(dòng)量

4）計(jì)算結(jié)果分析

某乘用車(chē)FEAD系統(tǒng)動(dòng)態(tài)計(jì)算具體結(jié)果分析如表4所示。

表4 計(jì)算結(jié)果分析

由計(jì)算結(jié)果可知自動(dòng)張緊器性能滿(mǎn)足FEAD系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。此計(jì)算為理論動(dòng)態(tài)計(jì)算，具體結(jié)果以整車(chē)系統(tǒng)性能試驗(yàn)為準(zhǔn)。

4、FEAD系統(tǒng)整車(chē)性能試驗(yàn)

為了更好的檢測(cè)自動(dòng)張緊器的性能，以及自動(dòng)張緊器在FEAD系統(tǒng)中的性能表現(xiàn)，必須進(jìn)行整車(chē)道路性能試驗(yàn)，將自動(dòng)張緊器樣件安裝到其匹配的整車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)上，同時(shí)安裝好其他所有附件及傳動(dòng)帶，使用德國(guó)ROTEC試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行FEAD系統(tǒng)整車(chē)性能試驗(yàn)。道路性能試驗(yàn)主要測(cè)量的參數(shù)有張緊臂的擺角、帶-輪間滑移率、多楔帶抖動(dòng)量等，試驗(yàn)工況如表5所示。

表5 道路性能試驗(yàn)工況

4.1 FEAD系統(tǒng)整車(chē)性能試驗(yàn)結(jié)果分析

1）冷啟動(dòng)時(shí)試驗(yàn)結(jié)果

某乘用車(chē)FEAD系統(tǒng)冷啟動(dòng)時(shí)性能試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 冷啟動(dòng)性能試驗(yàn)結(jié)果

2）空擋時(shí)試驗(yàn)結(jié)果

某乘用車(chē)FEAD系統(tǒng)空擋時(shí)性能試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 空擋性能試驗(yàn)結(jié)果

3）直線(xiàn)道路試驗(yàn)結(jié)果

某乘用車(chē)FEAD系統(tǒng)直線(xiàn)道路試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 直線(xiàn)道路試驗(yàn)結(jié)果

4）轉(zhuǎn)向道路試驗(yàn)結(jié)果

某乘用車(chē)FEAD系統(tǒng)轉(zhuǎn)向道路試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

5）整車(chē)性能試驗(yàn)結(jié)果分析

某乘用車(chē)FEAD系統(tǒng)整車(chē)性能試驗(yàn)具體結(jié)果分析如表6所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知自動(dòng)張緊器性能滿(mǎn)足FEAD系統(tǒng)整車(chē)性能要求。

表6 整車(chē)性能試驗(yàn)結(jié)果分析

5、結(jié)論

發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)（FEAD）系統(tǒng)是汽車(chē)中關(guān)鍵的子系統(tǒng)，其性能的好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的輸出、附件的工作以及整車(chē)的 NVH 性能。其中自動(dòng)張緊器是FEAD系統(tǒng)的核心部件，本文基于某乘用車(chē)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)FEAD系統(tǒng)自動(dòng)張緊器結(jié)構(gòu)組成、工作原理、性能指標(biāo)、理論計(jì)算做了詳細(xì)的介紹，并對(duì)該乘用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)FEAD系統(tǒng)性能做了動(dòng)態(tài)仿真和整車(chē)性能試驗(yàn)驗(yàn)證。計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果表明FEAD系統(tǒng)性能能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及整車(chē)性能要求。

[1] 王紅云. 單根多楔帶附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性建模與仿真技術(shù)[D].廣州: 華南理工大學(xué), 2010.

[2] 曾祥坤, 上官文斌, 侯之超. 發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)特性實(shí)測(cè)與計(jì)算方法的研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào), 2011, 29(04): 355-363.

[3] 吳昕. 多楔帶輪系布置、計(jì)算和壽命分析[J]. 汽車(chē)技術(shù), 1997, 02: 38-45.

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[7] 田力. 汽車(chē)自動(dòng)張緊輪設(shè)計(jì)理論及優(yōu)化[D]. 上海: 上海大學(xué), 2008.

Front of a passenger car engine accessory drive system calculation and
experimental study on

Xiao Guangpeng, Wu Xingliang, Wang Zhiyao, Li Xin, Yang Jun, Wang Fuquan
( Steamcar Company Limited, Jilin Changchun 130000 )

The engine front end accessory drive (FEAD) system is key subsystems in the vehicle, the stand or fall of its performance directly affect the work of engine power output, attachments and harshness (NVH) performance of the vehicle. Including automatic tensioner is the core component of FEAD system, based on a passenger car, the engine FEAD system automatic tensioner structure composition, working principle, performance index and the theoretical calculation is introduced in detail, and the dynamic simulation of the passenger car engine FEAD system performance calculation and performance test. The results show that the performance of FEAD system can meet the requirements of design and vehicle performance.

engine; FEAD; Automatic tensioner Wedge belt

U463.66

A

1671-7988 (2017)10-212-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.073

肖廣朋，男，（1989-），碩士研究生，就職于一汽轎車(chē)股份有限公司。研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用及發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系匹配開(kāi)發(fā)。