基于Simdrive 3D軟件對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系仿真分析

王俊然，程市，曾超，劉倫倫，王景新，王鳳娟

（1.261061 山東省 濰坊市 內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;2.261021 山東省 濰坊市 濰柴動(dòng)力股份有限公司）

0 引言

隨著用戶(hù)對(duì)整車(chē)舒適性有更高的要求以及車(chē)用電器功率的不斷增大，發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)（Front End Accessory Drive，F(xiàn)EAD）系統(tǒng)布置越來(lái)越復(fù)雜，F(xiàn)EAD 系統(tǒng)的布置與設(shè)計(jì)將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，進(jìn)而影響到整車(chē)工作的可靠性和技術(shù)指標(biāo)，因此，F(xiàn)EAD 系統(tǒng)布置也越來(lái)越引起業(yè)內(nèi)的關(guān)注。目前，主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)FEAD 系統(tǒng)的可靠性，但這樣會(huì)耗費(fèi)大量的人力物力，并且驗(yàn)證周期較長(zhǎng)，因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)FEAD系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真分析十分重要。

本文針對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)的FEAD 系統(tǒng)，考慮曲軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)、張緊輪性能、多楔帶與帶輪的摩擦系數(shù)和帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等因素，利用Simdrive 3D 軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，對(duì)各帶段每楔皮帶張力、張緊臂擺角、打滑率和抖動(dòng)量等指標(biāo)進(jìn)行分析和評(píng)估，指導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)的FEAD 系統(tǒng)的正向開(kāi)發(fā)。

1 前端輪系布局及計(jì)算輸入

1.1 附件位置

由于整車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間有限，所以，要確保輪系布局的緊湊性。考慮到皮帶張力對(duì)多楔帶有較大影響，在布置時(shí)，盡量將負(fù)荷較大的附件布置在曲軸皮帶輪的緊邊處[1-3]，負(fù)荷較小的附件布置在松邊處，一般張緊輪布置在曲軸皮帶輪的最松邊。根據(jù)各附件的性能和轉(zhuǎn)速需求確定其傳動(dòng)比，再通過(guò)曲軸皮帶輪的直徑和傳動(dòng)比確定各附件帶輪的直徑[4]。為減小對(duì)稱(chēng)循環(huán)彎曲應(yīng)力對(duì)多楔帶的影響，提高皮帶壽命，帶輪直徑要盡量大一些，但帶輪直徑也不能過(guò)大，否則在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，會(huì)加大多楔帶的離心力，降低皮帶與帶輪間的摩擦力，導(dǎo)致皮帶打滑或橫滾。兩帶輪間的皮帶跨距[5]不應(yīng)過(guò)大，否則會(huì)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，皮帶抖動(dòng)幅度過(guò)大，容易與周邊部件產(chǎn)生干涉。一般二帶輪跨距中點(diǎn)，距離周邊部件的距離不小于皮帶跨距的5%，若跨距較大可增加惰輪調(diào)節(jié)。帶輪包角[6]是決定傳動(dòng)能力的重要參數(shù)之一，包角越大，傳動(dòng)能力越強(qiáng)。輪系中各帶輪的位置和有效直徑?jīng)Q定了其包角大小，當(dāng)包角不滿(mǎn)足要求時(shí)，可以通過(guò)增加惰輪、張緊輪來(lái)增大包角。本輪系的布置參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 附件參數(shù)Tab.1 Accessory parameters

1.2 多楔帶和張緊輪

目前FEAD 系統(tǒng)多使用多楔帶[7-9]。多楔帶摩擦面大，柔性好，使其在帶槽內(nèi)不可能扭轉(zhuǎn)，有良好橫向穩(wěn)定性，可克服帶傳動(dòng)的橫向振動(dòng)以消除帶與帶輪的相互碰撞，減小振動(dòng)，降低噪音。多楔帶的初始張力也是保證輪系正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要指標(biāo)之一，張力過(guò)小容易出現(xiàn)多楔帶打滑現(xiàn)象，并產(chǎn)生噪音，張力過(guò)大又會(huì)降低多楔帶的使用壽命，還會(huì)加大帶輪軸承的負(fù)荷，從而影響軸承的使用壽命，所以在FEAD 系統(tǒng)布置過(guò)程中應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)或通過(guò)計(jì)算給出合理的多楔帶初始張力，一般認(rèn)為每楔多楔帶的初始張力為45～65 N。本輪系采用10PK 多楔帶，其縱向剛度為150 000 N/m。

目前發(fā)動(dòng)機(jī)FEAD 系統(tǒng)多使用自動(dòng)張緊輪調(diào)節(jié)皮帶張力，提高系統(tǒng)可靠性。自動(dòng)張緊輪主要有3 個(gè)位置[10]：當(dāng)取下皮帶時(shí)，張緊輪擺到的位置稱(chēng)為自由位置，此時(shí)張緊輪無(wú)張緊作用；當(dāng)皮帶正常安裝后的靜態(tài)位置稱(chēng)為名義位置，此時(shí)，可以確定皮帶的有效長(zhǎng)度；初始安裝時(shí)，為方便安裝，會(huì)將張緊輪擺動(dòng)到極限位置稱(chēng)為安裝位置。工作過(guò)程中，為防止張緊輪的徑向載荷方向與張緊臂平行，出現(xiàn)頂死而導(dǎo)致張緊器不工作和張緊臂振斷的失效風(fēng)險(xiǎn)，規(guī)定張緊輪所受的徑向載荷方向與張緊臂的夾角必須大于 25°，且張緊輪的擺動(dòng)幅度不能超過(guò) 5°。本輪系采用的自動(dòng)張緊器的性能曲線(xiàn)如圖1 所示。

圖1 自動(dòng)張緊器的性能曲線(xiàn)Fig.1 Automatic tensioner performance curve

1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)和附件功耗

該發(fā)動(dòng)機(jī)怠速為750 r/min，最高轉(zhuǎn)速為2 300 r/min。對(duì)于直列四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，2 階、4 階和6 階等是其主激勵(lì)諧次，通過(guò)AVL 的曲軸系計(jì)算獲得計(jì)算輸入所需的系統(tǒng)激勵(lì)源，即曲軸皮帶輪在不同轉(zhuǎn)速下的角位移和相位角，如圖2 所示。對(duì)于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，可通過(guò)式（1）將獲取的激勵(lì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)時(shí)域信號(hào)用于計(jì)算。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)Fig.2 Engine incentive

式中：n0——基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速；j——階次，j=0.5，1，1.5，…，11.5，12；Aj——第j 階次的幅值；t——時(shí)間；φj——第j 階次的相位角。

該發(fā)動(dòng)機(jī)的FEAD 系統(tǒng)的耗功附件包括水泵、風(fēng)扇和發(fā)電機(jī)，其耗功數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 各附件功耗Tab.2 Power of accessories

2 動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果

利用Simdrive 3D 軟件建立的輪系模型（如圖3 所示），該發(fā)動(dòng)機(jī)的FEAD 系統(tǒng)包括曲軸（CRK）-水泵（WP）-風(fēng)扇（FAN）-惰輪（IDL）-發(fā)電機(jī)（ALT）-張緊器（TEN）。

圖3 前端輪系模型Fig.3 FEAD model

利用Simdrive 3D 軟件針對(duì)額定張力和衰減兩種狀態(tài)下，各帶段每楔皮帶張力、皮帶打滑率、皮帶抖動(dòng)量和張緊臂擺角等指標(biāo)進(jìn)行校核。額定張力狀態(tài)是指多楔帶為皮帶的有效長(zhǎng)度和自動(dòng)張緊器可提額定扭矩，模擬皮帶和自動(dòng)張緊器均為正常的狀態(tài)。衰減狀態(tài)是指多楔帶延伸1%，且自動(dòng)張緊器所提供的扭矩衰減25%，模擬工作一段時(shí)間后，皮帶和張緊輪同時(shí)衰減到極限狀態(tài)。

2.1 額定張力狀態(tài)

額定張力狀態(tài)下，F(xiàn)EAD 系統(tǒng)的皮帶長(zhǎng)度即為有效長(zhǎng)度1 795.3 mm，自動(dòng)張緊器在名義位置處提供的張緊力矩為48.8 N·m。

2.1.1 每楔皮帶張力

通過(guò)仿真分析得到系統(tǒng)中各帶段間的每楔皮帶張力（如圖4 所示）。在發(fā)動(dòng)機(jī)FEAD 系統(tǒng)中，每楔皮帶張力最大值出現(xiàn)在主動(dòng)輪的緊邊處，本輪系為進(jìn)入曲軸皮帶輪的帶段，該帶段的每楔皮帶張力為223.4 N，故在額定張力狀態(tài)下，本輪系的每楔皮帶張力滿(mǎn)足限值要求。

圖4 帶段的皮帶張力Fig.4 Belt tension

2.1.2 張緊臂擺角

FEAD 系統(tǒng)的張緊臂擺角結(jié)果如圖5 所示?？梢钥闯?，發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速階段，張緊臂擺角較大，最大值為3.7°，因此在額定張力狀態(tài)下，本輪系的張緊臂擺角滿(mǎn)足限值要求，系統(tǒng)是穩(wěn)定可靠的。

圖5 張緊臂擺幅Fig.5 Tension arm displacement

2.1.3 皮帶打滑率

為保證FEAD 系統(tǒng)的可靠性，行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為各帶輪的打滑率[11]不應(yīng)高于3%，否則會(huì)產(chǎn)生噪聲，也會(huì)降低多楔帶的使用壽命。本輪系各帶輪的打滑率如圖6 所示。打滑率最大值出現(xiàn)在曲軸帶輪處為2.76%，滿(mǎn)足限值要求，故可認(rèn)定，在額定張力狀態(tài)下，本輪系不會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

圖6 各帶輪打滑率Fig.6 Slip of pulleys

2.1.4 皮帶抖動(dòng)量占比

行業(yè)內(nèi)一般認(rèn)為前端輪系中皮帶抖動(dòng)量占比不應(yīng)大于10%。皮帶抖動(dòng)量計(jì)算結(jié)果如圖7 所示?？梢钥闯?，在水泵-風(fēng)扇段的皮帶抖動(dòng)量占比最大為1.04%，滿(mǎn)足限值要求，故可認(rèn)定，在額定張力狀態(tài)下，本輪系的皮帶抖動(dòng)量占比符合要求。

圖7 皮帶抖動(dòng)量占比Fig.7 Belt transverse deflection

2.2 衰減狀態(tài)

一般認(rèn)為，衰減狀態(tài)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后，多楔帶和自動(dòng)張緊器同時(shí)衰減后的工況，多楔帶長(zhǎng)度延伸1%，則此時(shí)皮帶長(zhǎng)度為1 813.3 mm，自動(dòng)張緊輪可提供的張緊力矩衰減25%，為36.6 Nm。

2.2.1 每楔皮帶張力

由于自動(dòng)張緊器提供的張緊力矩減小，故各帶段間皮帶張力也相應(yīng)減小，該狀態(tài)下各帶段的皮帶張力如圖8 所示?？梢钥闯?，進(jìn)入曲軸皮帶輪帶段的每楔皮帶張力為168.5 N，故本輪系在衰減狀態(tài)下，每楔皮帶張力滿(mǎn)足限值要求。

圖8 帶段的皮帶張力Fig.8 Belt tension

2.2.2 張緊臂擺角

衰減狀態(tài)下，張緊臂擺角結(jié)果如圖9 所示?？梢钥闯觯∷匐A段，張緊臂擺角較大為2.11°，滿(mǎn)足限值要求，故本輪系在衰減狀態(tài)下，張緊臂擺角滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖9 張緊臂擺幅Fig.9 Tension arm displacement

2.2.3 皮帶打滑率

衰減狀態(tài)下，打滑率略有增大，計(jì)算得出各帶輪的打滑率如圖10 所示。打滑率最大值為2.89%，滿(mǎn)足限值要求，故本輪系在衰減狀態(tài)下，打滑率滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖10 各帶輪打滑率Fig.10 Slip of pulleys

2.2.4 皮帶抖動(dòng)量占比

衰減狀態(tài)下，皮帶抖動(dòng)量計(jì)算結(jié)果如圖11所示?？梢钥闯?，仍然在水泵-風(fēng)扇段的皮帶抖動(dòng)量占比最大為3.32%，滿(mǎn)足限值要求，故本輪系在衰減狀態(tài)下，皮帶抖動(dòng)量占比滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖11 皮帶抖動(dòng)量占比Fig.11 Transverse deflection

3 結(jié)論

針對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)的FEAD 系統(tǒng)，在額定張力狀態(tài)和衰減狀態(tài)下，各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。利用Simdrive 3D 軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的前端輪系進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，可以快速獲取不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系的各項(xiàng)性能指標(biāo)，指導(dǎo)整機(jī)正向開(kāi)發(fā)，加快前端輪系的布置。另外，前端輪系計(jì)算還可以獲取各附件帶輪的最大和平均載荷的大小及方向，為校核附件支架系統(tǒng)可靠性和軸承壽命等提供有效的邊界條件。