柴油機(jī)前端輪系的改進(jìn)及驗(yàn)證

陳翠云， 尚嘉麗， 馬東嶺， 江曉麗， 姜彩彤

(1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)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)

發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系使用多楔帶自動(dòng)張緊已很常見，其在較小的傳動(dòng)帶輪時(shí)具有較好的柔韌性。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，輪系中張緊器的張緊臂、皮帶輪會(huì)不斷擺動(dòng)調(diào)整，使傳動(dòng)皮帶系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡，系統(tǒng)的可靠性更高[1-2]。其中，張緊器的擺動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響至關(guān)重要，張緊器擺角過大會(huì)加速張緊器的失效。本文針對(duì)某柴油機(jī)張緊器擺角超限值問題，進(jìn)行前端輪系及附件的優(yōu)化改進(jìn)，并通過臺(tái)架耐久測(cè)試驗(yàn)證，解決了原輪系張緊器擺角超限及皮帶抖動(dòng)率超限問題。

1 原因分析

原前端輪系布局如圖1所示，由曲軸減振器驅(qū)動(dòng)2個(gè)發(fā)電機(jī)，張緊器為對(duì)稱阻尼結(jié)構(gòu)。經(jīng)測(cè)試，所用張緊器的阻尼比為16.3%。

圖1 前端輪系布局圖

在仿真計(jì)算及耐久試驗(yàn)中，均發(fā)現(xiàn)該輪系皮帶抖動(dòng)超標(biāo)、張緊器擺角[3-4]超出標(biāo)準(zhǔn)限值，存在張緊臂在極限擺角時(shí)會(huì)敲打本體限位塊造成張緊器失效的風(fēng)險(xiǎn)。通過臺(tái)架進(jìn)行前端輪系耐久試驗(yàn)，試驗(yàn)前后的兩組性能測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

表1 耐久試驗(yàn)前/后的測(cè)試結(jié)果

從上述測(cè)試結(jié)果來看，該輪系耐久前及耐久后的皮帶打滑率均無問題，這是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)1和2的包角較大；輪系皮帶張緊力也符合設(shè)計(jì)要求；但皮帶的最大抖動(dòng)率及張緊器的擺角均超出了標(biāo)準(zhǔn)限值，不符合設(shè)計(jì)要求。

下面簡(jiǎn)單分析一下造成上述問題的原因。該輪系是由6PK多楔帶驅(qū)動(dòng)2個(gè)發(fā)電量較大的發(fā)電機(jī)，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，由于曲軸系扭振、滾振的作用，會(huì)造成曲軸前端所驅(qū)動(dòng)的附件輪系工作不平穩(wěn)，表現(xiàn)為前端輪系振動(dòng)及噪聲[5-6]。因發(fā)電機(jī)皮帶輪相對(duì)曲軸減振器帶輪較小，工作負(fù)荷較大的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加很多，造成其工作時(shí)慣量較大。在曲軸系振動(dòng)及發(fā)電機(jī)皮帶輪慣量的共同作用下，自動(dòng)張緊器在發(fā)動(dòng)機(jī)加、減速時(shí)擺角就會(huì)比較大。

2 改進(jìn)及驗(yàn)證

2.1 發(fā)電機(jī)OAD皮帶輪的使用

為了減小發(fā)電機(jī)皮帶輪慣量對(duì)張緊器的沖擊，將發(fā)電機(jī)原剛性皮帶輪改變?yōu)镺AD皮帶輪[7-8]，其結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖2所示。OAD皮帶輪內(nèi)部集成了摩擦彈簧及減振彈簧，在發(fā)動(dòng)機(jī)加、減速時(shí)，能夠吸收和緩沖發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，進(jìn)而減小皮帶力的波動(dòng)，從而減小張緊器的擺角，提高張緊輪壽命。

(a) 原剛性皮帶輪

圖3為某柴油機(jī)在其余條件相同的情況下，發(fā)電機(jī)皮帶輪分別為剛性和OAD時(shí)的張緊器擺角的仿真數(shù)據(jù)對(duì)比圖?？梢钥闯?，OAD皮帶輪對(duì)于減小張緊器的擺角效果顯著。

圖3 剛性皮帶輪及OAD皮帶輪仿真結(jié)果對(duì)比

針對(duì)這個(gè)前端輪系，經(jīng)與客戶確認(rèn)，該發(fā)動(dòng)機(jī)在整車上的安裝空間比較緊張，車架對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)度及寬度要求比較嚴(yán)格，輪系布局[9-11]難以進(jìn)行大的調(diào)整。因此，綜合安裝空間情況及圖3所示效果，不進(jìn)行輪系布局的調(diào)整，而考慮采用發(fā)電機(jī)換為OAD皮帶輪這個(gè)措施來降低張緊器擺角及皮帶抖動(dòng)量。

2.2 不同阻尼比張緊器對(duì)張緊臂擺角的影響

在前端輪系中，皮帶動(dòng)態(tài)張力是由張緊器的彈簧扭矩與阻尼比共同決定的。彈簧扭矩的大小對(duì)輪系能否正常工作起決定性作用，由于同一輪系所使用的彈簧的合理扭矩是一定的，因此一般不通過調(diào)整彈簧扭矩來改進(jìn)輪系。但阻尼比對(duì)于輪系的影響不是決定性的，可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整，且不同阻尼比的張緊器對(duì)于相同輪系的影響也是不同的。某柴油機(jī)在其余條件相同的情況下，分別使用42%、19%阻尼比的張緊器，其張緊器擺角的測(cè)試結(jié)果對(duì)比見表2?？梢姡嗤瑴y(cè)試條件下，大阻尼比張緊器對(duì)張緊臂擺角的抑制效果更顯著。

表2 42%和19%阻尼比的張緊器擺角測(cè)試結(jié)果

借鑒上述測(cè)試結(jié)果，本文考慮從調(diào)整張緊器自身阻尼比的大小[12-13]來改善輪系的性能。將自動(dòng)張緊器阻尼比由原來的10%～30%調(diào)整為30%～45%。通過樣件調(diào)試，本次選取阻尼比為40%的張緊器作為改進(jìn)樣件進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.3 改進(jìn)措施的效果

采取2.1和2.2中的改進(jìn)措施后，重新裝機(jī)對(duì)該輪系進(jìn)行臺(tái)架耐久試驗(yàn)，試驗(yàn)前后的測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 改進(jìn)后耐久試驗(yàn)前/后測(cè)試結(jié)果

從改進(jìn)后的測(cè)試結(jié)果看，張緊器的最大擺角降低了61.4%，最大皮帶抖動(dòng)率降低了76.7%，兩項(xiàng)指標(biāo)均有了很大的改善。

3 結(jié)束語

本文通過采用發(fā)電機(jī)OAD皮帶輪和張緊器阻尼加大的措施，有效地減小了原前端輪系張緊器的擺角及皮帶抖動(dòng)率，解決了原輪系存在的問題。為解決發(fā)動(dòng)機(jī)張緊器擺角大、皮帶抖動(dòng)率高的問題提供了思路。