某發(fā)動(dòng)機(jī)張緊器故障原因分析及前端輪系優(yōu)化

曾 超，王俊然，劉倫倫，王景新，尚嘉麗

（1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261061；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

前言

隨著整車對(duì)空間的緊湊性要求越來越高，發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)（Front End Accessory Drive, FEAD）系統(tǒng)布置越來越復(fù)雜，因此多楔帶傳動(dòng)[1-3]被廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)，而自動(dòng)張緊器[4-5]是多楔帶傳動(dòng)系統(tǒng)的重要部件，可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)皮帶張力，減小帶段張力波動(dòng)，維持FEAD系統(tǒng)穩(wěn)定，由于自動(dòng)張緊器在工作中不斷擺動(dòng)，導(dǎo)致其內(nèi)部的阻尼件磨損嚴(yán)重，進(jìn)而失效[6-7]。為降低張緊器的故障率，應(yīng)合理布置FEAD系統(tǒng)，減少阻尼件的磨損，提高張緊器壽命，維持FEAD系統(tǒng)的可靠性。

本文針對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)空調(diào)-發(fā)電機(jī)層輪系的自動(dòng)張緊器故障率高問題，經(jīng)分析是張緊臂擺角大導(dǎo)致的，對(duì)輪系進(jìn)行優(yōu)化，使得張緊臂擺角降低到0.5 °以下。對(duì)優(yōu)化后的輪系小批量投放到市場(chǎng)，現(xiàn)已驗(yàn)證一年并未有自動(dòng)張緊器故障反饋，證實(shí)了優(yōu)化方案的有效性。

1 張緊輪故障及分析

1.1 張緊輪故障描述

某機(jī)型的前端輪系由風(fēng)扇-水泵層和空調(diào)-發(fā)電機(jī)層構(gòu)成，輪系布局如圖1所示，兩層輪系采用相同的自動(dòng)張緊器，但市場(chǎng)反饋空調(diào)-發(fā)電機(jī)層的自動(dòng)張緊輪故障率遠(yuǎn)高于風(fēng)扇-水泵層的故障率，經(jīng)拆檢發(fā)現(xiàn)張緊輪的阻尼件磨損嚴(yán)重，如圖2所示，導(dǎo)致張緊器失效，出現(xiàn)輪系異響和皮帶偏磨等現(xiàn)象。

圖1 前端輪系布局圖

圖2 張緊輪故障圖

1.2 自動(dòng)張緊器工作原理

自動(dòng)張緊器是FEAD系統(tǒng)重要的組成元件，其主要由張 緊輪、張緊臂、彈性元件和阻尼元件等構(gòu)成，如圖3所示。輪系運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，皮帶長度是不斷變化的，因此張緊臂6不斷往復(fù)擺動(dòng)，調(diào)節(jié)皮帶張力，避免附件帶輪打滑，確保附件的正常工作。阻尼元件3與殼體1組成第一對(duì)摩擦副，襯套4與芯軸5組成第二對(duì)摩擦副，為張緊器提供摩擦扭矩，阻礙張緊臂的運(yùn)動(dòng)，維持FEAD系統(tǒng)穩(wěn)定。自動(dòng)張緊器的彈性元件2和阻尼元件3具有減振吸能的作用，能夠消耗輪系的振動(dòng)能量，減小帶段抖動(dòng)和張緊臂擺角。

圖3 自動(dòng)張緊器結(jié)構(gòu)圖

1.3 前端輪系仿真輸入

通過SimDrive軟件對(duì)FEAD系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析，F(xiàn)EAD系統(tǒng)中各附件帶輪的幾何位置、帶輪有效直徑和其轉(zhuǎn)動(dòng)量，如表1所示，通過其幾何信息搭建計(jì)算模型。

表1 附件幾何參數(shù)

曲軸受缸壓和慣性力等呈周期性變化的激勵(lì)載荷作用，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，亦稱之為角振動(dòng)[8-9]。因此曲軸在運(yùn)行過程中其轉(zhuǎn)速不是恒定的，而是呈周期性變化的，經(jīng)過傅里葉變換可將轉(zhuǎn)速波動(dòng)轉(zhuǎn)化為多諧次的激勵(lì)信號(hào)，本機(jī)型為直列六缸機(jī)，3諧次為主激勵(lì)，如圖4所示，計(jì)算時(shí)以曲軸皮帶輪的3諧次角位移作為激勵(lì)源。

圖4 曲軸3諧次角位移曲線圖

本機(jī)型FEAD系統(tǒng)主要驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇、水泵、空調(diào)和發(fā)電機(jī)等附件，經(jīng)測(cè)試獲取各附件的功耗，各附件在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的功耗曲線，如圖5所示。

圖5 附件功耗曲線圖

兩層輪系均采用8PK的多楔帶和對(duì)稱阻尼自動(dòng)張緊器，張緊器的扭轉(zhuǎn)性能曲線，如圖6所示。其名義扭矩為33.1 N·m，阻尼比為30%。

圖6 自動(dòng)張緊器性能曲線圖

1.4 故障原因及仿真結(jié)果分析

現(xiàn)在國內(nèi)外對(duì)于磨損進(jìn)行計(jì)算通常采用Archard磨損模型[10]，Archard磨損模型的一般公式如下：

式中，V為磨損體積；F為摩擦表面的法向壓力；L為摩擦面之間的切向相對(duì)滑移距離；H為材料硬度；K為磨損系數(shù)。針對(duì)張緊輪阻尼件的磨損，可表示為：

式中，R為阻尼元件半徑，θ為張緊臂擺角。通過公式可以得出，阻尼元件的磨損與張緊臂擺角θ和張緊輪受力F成正比。

圖8 張緊輪受力曲線圖

通過SimDrive計(jì)算得出張緊臂擺角和張緊輪受力，如圖7、8所示。電機(jī)層的張緊臂擺角和張緊輪的受力均高于風(fēng)扇層，因此電機(jī)層的阻尼件磨損比風(fēng)扇層嚴(yán)重，與市場(chǎng)的故障率表現(xiàn)一致。在800 rpm時(shí)，電機(jī)層張緊臂擺角為風(fēng)扇層的2倍左右，而張緊輪受力僅為1.2倍左右，故張緊臂擺角是造成電機(jī)層故障率高的主要原因，因此要較低張緊器擺角。

圖7 張緊器擺角曲線圖

2 優(yōu)化方案及驗(yàn)證

通過上述分析，張緊臂擺角過大是造成張緊輪故障的主要原因，因此針對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)的FEAD系統(tǒng)要降低空調(diào)-發(fā)電機(jī)的張緊臂擺角，而影響張緊臂擺角的主要因素有曲軸的轉(zhuǎn)速波動(dòng)和自動(dòng)張緊器的阻尼比。通過空調(diào)-發(fā)電機(jī)層輪系驗(yàn)證這兩個(gè)因素對(duì)張緊臂擺角的影響，再結(jié)合成本和可實(shí)施性等因素，制定優(yōu)化方案。

2.1 曲軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)對(duì)張緊臂擺角的影響

為驗(yàn)證曲軸的轉(zhuǎn)速波動(dòng)對(duì)張緊臂擺角的影響，通過控制曲軸皮帶的3諧次角位移進(jìn)行仿真，將原始角位移記為Am，再設(shè)置0.5Am、0.75Am、1.25Am三組角位移的工況進(jìn)行仿真分析，張緊臂擺角計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖9 扭振對(duì)張緊臂擺角影響

通過計(jì)算結(jié)果可以得出，降低曲軸的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，可以減小張緊臂擺角。降低曲軸皮帶輪的轉(zhuǎn)速波動(dòng)的方法主要有調(diào)整曲軸結(jié)構(gòu)及點(diǎn)火順序或采用扭轉(zhuǎn)減振器降低曲軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、采用曲軸解耦皮帶輪降低曲軸皮帶輪的轉(zhuǎn)速波動(dòng)以及采用風(fēng)扇托架驅(qū)動(dòng)電機(jī)層輪系，通過皮帶等柔性元件降低電機(jī)層主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速波動(dòng)等。

2.2 阻尼比對(duì)張緊比擺角的影響

現(xiàn)有的張緊輪的阻尼比為30%，為驗(yàn)證阻尼比對(duì)張緊器擺角的影響，增加了阻尼比為20%、40%和50%的三組工況，張緊擺角的計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

圖10 阻尼比對(duì)張緊臂擺角影響

現(xiàn)有針對(duì)本輪系隨阻尼比的增加，張緊器擺角最大值逐漸減小，當(dāng)阻尼比提升到50%時(shí)，張緊器擺角最大值為8.9 °，仍高于風(fēng)扇-水泵層的張緊臂擺角，因此針對(duì)本輪系僅增加張緊器阻尼比無法有效解決張緊輪的磨損故障，且阻尼比過大，張緊器容易出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象，影響前端輪系的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3 確定優(yōu)化方案及驗(yàn)證

通過上述分析，經(jīng)綜合考慮，決定采用風(fēng)扇托架驅(qū)動(dòng)電機(jī)層輪系，通過多楔帶來降低電機(jī)層主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速波動(dòng)。結(jié)合整車邊界，風(fēng)扇-水泵層輪系保持不變，對(duì)相比原狀態(tài)風(fēng)扇-水泵層功耗增加，采用12PK多楔帶，自動(dòng)張緊器阻尼比為30%，名義扭矩為33.1 N·m；重新布局空調(diào)-發(fā)電機(jī)層輪系，采用6Pk多楔帶，張緊器阻尼比為30%，名義扭矩降低為20.3 N·m，即減小皮帶初始張力，降低張緊輪受力，減少張緊器的磨損，同時(shí)還能提高皮帶壽命，優(yōu)化后的輪系布局如圖11所示。

圖11 優(yōu)化后輪系布局圖

經(jīng)計(jì)算得出空調(diào)-發(fā)電機(jī)層的主動(dòng)輪（即風(fēng)扇皮帶輪）的3諧次角位移如圖12所示，相比曲軸皮帶輪的3諧次角位移，約降低了58%，表明通過多楔帶等柔性元件能夠有效減小曲軸皮帶輪的轉(zhuǎn)速波動(dòng)。

圖12 3諧次的角位移曲線圖

張緊臂擺角及張緊輪受力的對(duì)比計(jì)算結(jié)果如圖13、14所示，新輪系電機(jī)層的張緊臂擺角已降低至0.5°以下，且張緊輪受力也有明顯下降，因此能夠有效降低阻尼件的磨損，可解決電機(jī)層的張緊器故障。風(fēng)扇層的計(jì)算結(jié)果與原狀態(tài)相比差異不大，也滿足設(shè)計(jì)要求。在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行輪系功能測(cè)試和耐久試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求?，F(xiàn)優(yōu)化后輪系已經(jīng)在市場(chǎng)進(jìn)行了一年的小批量驗(yàn)證，沒反饋?zhàn)詣?dòng)張緊器故障，表明優(yōu)化措施的有效性。

圖13 張緊器擺角對(duì)比圖

圖14 張緊輪受力對(duì)比圖

3 結(jié)論

通過對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)張緊器異常磨損問題的研究，分析了張緊器磨損的機(jī)理和原因，張緊器磨損的主要原因有張緊臂擺角過大和張緊輪受力過大。經(jīng)分析此輪系故障的主要原因?yàn)閺埦o臂擺角過大，設(shè)計(jì)降低張緊臂擺角的優(yōu)化方案并進(jìn)行驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

（1）降低主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速波動(dòng)能夠有效減小張緊臂擺角；

（2）隨著張緊器的阻尼比的增大，張緊器擺角逐漸減小；

（3）皮帶可有效降低曲軸的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，為降低空調(diào)-發(fā)電機(jī)層的張緊臂擺角可采用風(fēng)扇托架進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。