發(fā)動機附件皮帶驅(qū)動系統(tǒng)異響問題調(diào)查研究

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201)

0 引言

發(fā)動機既是汽車的動力源，也是很多異響的激勵源。發(fā)動機包含多個子系統(tǒng)，如旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運動件系統(tǒng)、起動系統(tǒng)、噴油點火系統(tǒng)、附件皮帶驅(qū)動系統(tǒng)等，每個子系統(tǒng)都有其特有的異響問題及對應(yīng)的產(chǎn)生機理。附件皮帶驅(qū)動系統(tǒng)位于發(fā)動機的前端面，包含的零件較多，主要為高速旋轉(zhuǎn)部件，比較容易產(chǎn)生異響問題；而且由于位置的原因，該系統(tǒng)的異響更容易被消費者感知到。因此，解決或改善發(fā)動機附件皮帶驅(qū)動系統(tǒng)的異響問題，對提升整車NVH水平有較大的貢獻。本文通過對某款發(fā)動機附件皮帶驅(qū)動系統(tǒng)異響問題的調(diào)查，詳細闡述了發(fā)動機附件皮帶驅(qū)動系統(tǒng)的異響種類、產(chǎn)生機理，問題調(diào)查的思路及解決措施；并針對某種異響，采取了相應(yīng)的措施，解決了問題。

1 發(fā)動機附件皮帶驅(qū)動系統(tǒng)主要異響分類

發(fā)動機附件皮帶驅(qū)動系統(tǒng)常見的異響主要包含系統(tǒng)類的異響和零部件類的異響。其中系統(tǒng)類的異響主要有皮帶打滑異響、皮帶抖動異響、皮帶不對中異響等；零部件異響主要有皮帶張緊器阻尼元件的粘滯打滑異響、皮帶輪軸承的異響等。

1.1 皮帶打滑異響

在設(shè)計皮帶張緊力時，根據(jù)各被驅(qū)動附件的負載扭矩和轉(zhuǎn)動慣量，計算出附件皮帶驅(qū)動系統(tǒng)皮帶打滑時對應(yīng)的張緊力閾值，然后再加上一定的安全系數(shù)，得到系統(tǒng)靜態(tài)皮帶張緊力。在車輛運行一定里程后，由于皮帶芯線的拉伸和皮帶齒槽部位橡膠的磨損，皮帶張緊力逐漸衰減。當(dāng)皮帶張緊力衰減到一定程度后，皮帶可能會在具有較大轉(zhuǎn)動慣量或消耗較大扭矩的附件如交流發(fā)電機、空調(diào)壓縮機等的皮帶輪上出現(xiàn)打滑異響，也可能會在包角較小的附件皮帶輪上出現(xiàn)打滑異響。如圖1所示，當(dāng)發(fā)動機減速時，相應(yīng)地曲軸皮帶輪和皮帶開始減速，而附件中交流發(fā)電機的轉(zhuǎn)動慣量較大，其角速度下降較慢，有拖動曲軸皮帶輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的趨勢，因而曲軸皮帶輪和交流發(fā)電機皮帶輪之間的皮帶跨距段被張緊，交流發(fā)電機皮帶輪和空調(diào)壓縮機皮帶輪之間的皮帶跨距段變成松邊，導(dǎo)致在交流發(fā)電機皮帶輪上出現(xiàn)打滑異響。皮帶打滑即為皮帶和皮帶輪間存在速度差，其關(guān)系如下：

η=v-r·ω

(1)

式中：η為皮帶打滑速度，m/s；v為皮帶與皮帶輪接觸弧切線處節(jié)圓上的線速度，m/s；r為皮帶輪節(jié)圓半徑，m；ω為皮帶輪的角速度，rad/s。

圖1 皮帶打滑示意

1.2 皮帶共振異響

發(fā)動機附件皮帶驅(qū)動系統(tǒng)是一個多自由度阻尼振動系統(tǒng)，系統(tǒng)的固有頻率與皮帶張緊器內(nèi)部的彈簧剛度、阻尼、皮帶芯線剛度、皮帶阻尼、附件轉(zhuǎn)動慣量等相關(guān)。4沖程內(nèi)燃機曲軸每轉(zhuǎn)2圈點火1次，其點火頻率計算如下，

(2)

式中，fi為發(fā)動機點火頻率，Hz；ne為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r/min；i為發(fā)動機缸數(shù)。

當(dāng)附件皮帶驅(qū)動系統(tǒng)1階固有頻率與發(fā)動機點火頻率交匯時，交匯點對應(yīng)的發(fā)動機轉(zhuǎn)速即為附件皮帶驅(qū)動系統(tǒng)共振產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速，如圖2所示。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速經(jīng)過此轉(zhuǎn)速點時，附件皮帶驅(qū)動系統(tǒng)可能會發(fā)生某段皮帶的橫向振動，相應(yīng)地產(chǎn)生皮帶振動異響。

圖2 附件皮帶驅(qū)動系統(tǒng)共振原理示意

1.3 皮帶不對中異響

附件皮帶驅(qū)動系統(tǒng)中，2個相鄰皮帶輪對應(yīng)的齒槽理論上是完全對中的，但在實際工程應(yīng)用中，由于零件制造誤差及安裝誤差所產(chǎn)生的誤差累積，導(dǎo)致相鄰皮帶輪的對應(yīng)齒槽有一定程度的不對中，見圖3。

圖3 不對中皮帶輪

當(dāng)這種不對中達到一定程度時，皮帶從一個皮帶輪傳動到相鄰皮帶輪的過程中會壓向帶輪的一側(cè)，并沿著該側(cè)逐漸周向上爬；同時，由于皮帶輪槽強制對齊的原因，皮帶周向上爬到一定高度后又快速墜滑回原位[1]，如圖4所示。在此過程中發(fā)生粘滯打滑及振動，從而產(chǎn)生異響問題。

圖4 皮帶墜滑落槽示意

1.4 張緊器粘滯打滑異響

皮帶張緊器的主要作用是提供合適的皮帶張緊力，以避免皮帶出現(xiàn)打滑問題，同時提供適當(dāng)?shù)淖枘醽硭p系統(tǒng)的振動。其阻尼是通過張緊器內(nèi)部零件間的干摩擦產(chǎn)生的庫侖阻尼。張緊器工作過程中，其搖臂隨著曲軸轉(zhuǎn)速的波動而往復(fù)擺動。由于張緊器彈簧力矩和阻尼力矩的共同作用，其輸出扭矩形成了一個封閉的滯回曲線，如圖5所示。當(dāng)有油污或其他污染物進入張緊器內(nèi)部并污染了產(chǎn)生阻尼的摩擦運動副時，張緊器的輸出扭矩曲線不再是平滑的曲線，而是如圖6所示的有鋸齒形狀的曲線，同時產(chǎn)生張緊器粘滯打滑異響。

圖5 張緊器扭矩輸出曲線

圖6 產(chǎn)生粘滯打滑異響時的張緊器扭矩輸出曲線

2 異響問題描述

本文所研究的某款車輛發(fā)動機附件皮帶驅(qū)動系統(tǒng)，其布局如圖7所示。車輛放置在約-20 ℃的環(huán)境下，靜置一夜后起動，產(chǎn)生“唧唧”的異響，類似皮帶打滑的聲音，約幾分鐘之后異響消失。每輛車情況不同，短則1 min異響消失，最長達到8 min異響才消失，大部分車輛在2～5 min異響消失。

圖7 某發(fā)動機附件皮帶驅(qū)動系統(tǒng)

由于異響類似皮帶打滑異響，故對附件皮帶驅(qū)動系統(tǒng)的零件進行拆裝試驗，試驗結(jié)果如表1所示。經(jīng)分析，判定該異響為附件皮帶驅(qū)動系統(tǒng)異響，與皮帶高度相關(guān)。

表1 異響問題調(diào)查結(jié)果

3 異響類型確定

為了進一步確定異響的類型及來源，對附件皮帶驅(qū)動系統(tǒng)及相關(guān)零件做如下測試。

1)對張緊器進行輸出扭矩測試。測試前把張緊器放入冰箱冷凍室保溫12 h，冰箱冷凍溫度設(shè)置為-20 ℃，取出張緊器后立即進行動態(tài)輸出扭矩測試。測試結(jié)果：扭矩曲線平滑，未出現(xiàn)典型的粘滯打滑異響所對應(yīng)的鋸齒形扭矩曲線，也未聽到異響。結(jié)合在發(fā)動機上更換張緊器后異響依然存在的結(jié)果，判定該異響與張緊器無關(guān)。

2)有經(jīng)驗表明，如果皮帶發(fā)生打滑異響，往皮帶上噴水，皮帶與皮帶輪間的摩擦系數(shù)會降低，此時主觀感受異響聲音會增大。使用噴壺從該附件皮帶驅(qū)動系統(tǒng)上方進行噴水，但此時異響沒有增大反而消失。增大車輛樣本量再進行測試，測試結(jié)果相同。據(jù)此，判定該異響不是皮帶打滑異響。

3)對異響的音頻進行聲壓和頻譜分析，分析結(jié)果如圖8所示，圖中用小圓圈圈出的部分表示異響的分布情況。分析結(jié)果顯示異響呈現(xiàn)不均勻間隔的散點分布，聲壓約為0.4～0.7 Pa。另外，異響頻譜的分析結(jié)果顯示其頻率約為5 000 Hz。不均勻的異響分布排除了異響與皮帶輪、軸承等旋轉(zhuǎn)零件的轉(zhuǎn)速階次相關(guān)。

4)使用工業(yè)聽診器在圖7所示的交流發(fā)電機皮帶輪、惰輪和動力轉(zhuǎn)向泵皮帶輪處進行主觀評定。異響在動力轉(zhuǎn)向泵皮帶輪處較為明顯，在交流發(fā)電機皮帶輪處較弱。然后使用激光對準儀主觀測定交流發(fā)電機皮帶輪和動力轉(zhuǎn)向泵皮帶輪的不對中情況。主觀判定約有1/4槽寬的不對中(汽車用PK型皮帶輪齒槽，每槽寬3.56 mm, 1/4槽寬約0.89 mm)。之后使用皮帶輪安裝工具調(diào)整動力轉(zhuǎn)向泵皮帶輪在安裝軸上的位移，使其和交流發(fā)電機皮帶輪完全對中后，異響消失。由此判定，該異響為動力轉(zhuǎn)向泵皮帶輪和交流發(fā)電機皮帶輪不對中而導(dǎo)致的皮帶異響。

圖8 異響問題NVH軟件分析結(jié)果

5)由于零件制造誤差和裝配誤差而導(dǎo)致的相鄰皮帶輪間產(chǎn)生一定程度的不對中問題不可避免。在實際工程開發(fā)中，除把皮帶輪間的誤差累積控制在一定范圍內(nèi)外，還對皮帶抗皮帶輪間的不對中能力應(yīng)提出相應(yīng)的要求。SAE J2432標準中對皮帶不對中異響測試做了詳細的規(guī)定，其中皮帶輪系統(tǒng)測試布局見圖9。由于本文研究的附件皮帶規(guī)格為6PK2230 (寬度為6槽的汽車用PK型，長度2 230 mm)，無法匹配圖9中的皮帶輪布局。故使用相同的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設(shè)備，制造出可以安裝在圖9所示皮帶不對中異響測試設(shè)備上的皮帶樣件，然后進行異響測試，測試結(jié)果見表2。根據(jù)標準要求，皮帶在2個相鄰皮帶輪間軸向1.5°的不對中情況下不得產(chǎn)生異響，而測試結(jié)果顯示，在軸向1°不對中情況下已經(jīng)產(chǎn)生異響，表明皮帶的產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)了問題。

圖9 皮帶不對中異響測試布局圖

表2 皮帶不對中異響測試結(jié)果

4 異響問題解決

根據(jù)皮帶不對中異響產(chǎn)生的機理，考慮了解決皮帶不對中異響問題的措施，主要有以下幾種。

1) 改變附件皮帶驅(qū)動系統(tǒng)皮帶輪布局。將動力轉(zhuǎn)向泵皮帶輪和交流發(fā)電機皮帶輪之間的惰輪安裝位置向靠近左側(cè)交流發(fā)電機皮帶輪方向移動，見圖10，使得交流發(fā)電機皮帶輪和惰輪間的皮帶跨距長度與惰輪和動力轉(zhuǎn)向泵皮帶輪間的皮帶跨距長度的比值為1∶3；同時，惰輪軸承使用6303系列軸承或2個6203系列軸承控制惰輪皮帶輪的擺動量。這種位置調(diào)整使皮帶在進入動力轉(zhuǎn)向泵皮帶輪之前有較長的長度，可以一定程度上進行自動修正運行軌跡。但考慮交流發(fā)電機皮帶輪和動力轉(zhuǎn)向泵皮帶輪間的皮帶跨距較短，這種通過調(diào)整皮帶輪位置來實現(xiàn)皮帶自動修正運行軌跡的效果可能不明顯；而且這種調(diào)整適用在發(fā)動機附件皮帶驅(qū)動系統(tǒng)的前期設(shè)計開發(fā)階段，在目前已經(jīng)量產(chǎn)的發(fā)動機上進行調(diào)整，需要考慮惰輪的安裝問題，發(fā)動機前蓋需要提供新的惰輪安裝點，皮帶長度也有變化，前蓋和皮帶需要修改或者新開模具。該變更將導(dǎo)致較大的工作量和較高的成本支出。

圖10 改變附件皮帶驅(qū)動系統(tǒng)中惰輪的安裝位置

2)控制相鄰皮帶輪之間的對齊度。異響發(fā)生在皮帶進入動力轉(zhuǎn)向泵的位置，在前期設(shè)計階段需要根據(jù)允許的皮帶進入角(根據(jù)SAE J2432要求最大為1.5°，但不同皮帶的實際抗不對中能力不同，允許的進入角也不同)計算動力轉(zhuǎn)向泵皮帶輪和交流發(fā)電機皮帶輪之間允許的不對中尺寸，生產(chǎn)階段則根據(jù)該不對中尺寸進行各皮帶輪在軸向安裝方向上的尺寸質(zhì)量控制。根據(jù)開發(fā)階段的計算結(jié)果，本文研究的交流發(fā)電機皮帶輪和動力轉(zhuǎn)向泵皮帶輪之間允許的軸向不對中尺寸為1.68 mm。通過三坐標實測，結(jié)果均在1.68 mm以內(nèi)，質(zhì)量控制滿足設(shè)計要求。若在此基礎(chǔ)上進一步提高制造尺寸精度，付出成本較高且對該問題的解決收益有限。

3) 選擇抗皮帶不對中異響能力較好的皮帶類型。皮帶的齒槽成型工藝主要有磨削成型和模具成型2種，見圖11。不同的皮帶制造配方和工藝決定了其抗皮帶不對中異響的能力強弱，需要通過測試來對比，反映到具體的物理參數(shù)上主要是摩擦系數(shù)的不同。摩擦系數(shù)可以通過在專門設(shè)備上測試皮帶輪兩側(cè)緊邊和松邊的張緊力，再用如下歐拉公式[2]計算得到：

(3)

式中：Ft為皮帶緊邊張緊力，N；Fs為皮帶松邊張緊力，N；θ0為皮帶輪的包角，rad；μ為皮帶摩擦因子。

圖11 皮帶齒槽模壓和磨削成型對比

該附件驅(qū)動系統(tǒng)皮帶為齒槽磨削成型工藝，對異響的皮帶批次和之前沒有異響的皮帶批次進行對比測試，發(fā)現(xiàn)有異響的皮帶摩擦系數(shù)為1.98，而沒有異響的皮帶摩擦系數(shù)為1.63；進一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)該差異為皮帶生產(chǎn)線上齒槽磨削成型設(shè)備問題所致。齒槽磨削設(shè)備問題解決后，將生產(chǎn)出的皮帶樣

件先進行抗皮帶不對中異響測試，測試時皮帶的狀態(tài)為干皮帶，測試結(jié)果見表3。由表3可知，摩擦系數(shù)維持在1.6左右的水平，抗皮帶不對中異響性能也相應(yīng)提高。然后，按實際車輛要求的皮帶長度生產(chǎn)樣件并進行裝車試驗。試驗過程中沒有再出現(xiàn)異響問題。

表3 皮帶不對中異響測試結(jié)果

5 結(jié)論

發(fā)動機附件皮帶驅(qū)動系統(tǒng)及其相關(guān)零件的異響種類較多，鎖定異響的來源并準確判定異響的類型對解決問題至關(guān)重要。本文中所調(diào)查的發(fā)動機附件皮帶不對中異響是車輛開發(fā)過程中較為常見的一種異響。為預(yù)防該異響的發(fā)生，在前期開發(fā)工作中需要優(yōu)化系統(tǒng)中各相關(guān)零件在曲軸方向上的尺寸公差，控制好相鄰皮帶輪的對齊度。降低皮帶的摩擦系數(shù)作為解決該類問題的一種后期措施，因其實施的便利性，在近些年也有進一步的發(fā)展，如在皮帶齒槽的表面覆蓋一層無紡布，以此來控制皮帶的摩擦系數(shù)，其實際應(yīng)用效果有待進一步驗證。