某發(fā)動機搭載充電機的前端附件方案淺析

馮應超

上汽通用五菱股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 引言

隨著農業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，農業(yè)機械化、自動化程度越來越高。日本在90 年代率先推出世界上第一架主要用于噴灑農藥植保無人機，之后植保無人機服務農業(yè)在日本、美國等發(fā)達國家得到了快速發(fā)展。本世紀初植保無人機從日本傳入我國，當時是以油動飛機做植保器械為主，逐步到電動無人植保機出現(xiàn)，專業(yè)的農用電動無人植保機在農業(yè)生產中可以幫助農民更方便、更快捷的實現(xiàn)噴藥、施肥、授粉等工作。為了解決在無人植保機實際應用中的不便之處，提供應用效率，改善工作環(huán)境，目前主機廠已開始研究一種車輛既能滿足農資、農具的運輸，又能夠給無人植保機電池的快速充電，以便無人植保機使用完一組電池后快速更好另一組已提前充好的電池，這就要求傳統(tǒng)車輛必須具備快速充電功能。在小型皮卡車輛搭載無人植保機，通過改進其發(fā)動機前端附件系統(tǒng)，使車輛既具備正常傳統(tǒng)的12V 小發(fā)電機給車輛電器供電的電池充電外，還額外增加一個大功率發(fā)電機，專門用于給無人機電池快速充電。本文以某款發(fā)動機搭載充電機的發(fā)動機前端附件系統(tǒng)作為研究分析對象，提出了相關設計要求。

2 整車增加快速充電功能分析

整車增加一套快速充電系統(tǒng)，通常把發(fā)動機前端附件改為雙發(fā)電機，通過將大功率發(fā)電機（即專門用于給無人機電池充電的發(fā)電機，文中以下稱為充電機）和逆變系統(tǒng)集成到整車發(fā)動機上，如圖1。使用皮帶將充電機的皮帶輪和發(fā)動機的曲軸皮帶連接，由發(fā)動機驅動充電機來發(fā)電，給電池快速充電。在整車行駛時充電機不發(fā)電，充電機的轉子不轉，皮帶輪空轉，要實現(xiàn)這一功能，需要在充電機皮帶輪或者發(fā)動機曲軸皮帶輪上設計電磁離合器控制。通過電磁離合器皮帶輪的閉合，實現(xiàn)充電機工作啟動與停止。整車配無人植保機主要用于田間地頭，用兩組電池，一邊使用，一邊充電，交換時間約15 分鐘。

圖1 車輛配置充電系統(tǒng)

3 發(fā)動機前端輪系布置方案及分析

發(fā)動機前端附件系統(tǒng)的布置是設計中極其關鍵的一項工作。依據(jù)各附件模型在發(fā)動機周圍合理的布置各附件，需關注各帶輪直徑、速比、皮帶包角和皮帶跨度。

如圖2 為某車輛搭載充電機的發(fā)動機前端附件系統(tǒng)布置圖，由12V 發(fā)電機、水泵、壓縮機、自動張緊輪、曲軸皮帶輪、發(fā)電機&水泵&壓縮機皮帶組成了車輛常規(guī)的發(fā)動機前端附件系統(tǒng)，由充電機、電池離合器皮帶輪、曲軸皮帶輪、充電機皮帶組成了發(fā)動機帶充電系統(tǒng)的前端附件系統(tǒng)。電磁離合器也可以集成在曲軸皮帶輪上，在同樣摩擦系數(shù)條件下，電磁離合器皮帶輪直徑越大，其能傳遞的扭矩就越大。選擇離合器皮帶輪直徑的大小也會影響傳動比（即曲軸皮帶輪和充電機皮帶輪的比值），曲軸皮帶輪直徑一定的情況下，充電機皮帶輪直徑越小，傳動比越高、充電機轉速越高，充電效率越高，所以需要綜合考慮電磁離合器皮帶輪直徑和傳動比，合理選擇。本文把電磁離合器集成在充電機的方案來進行研究分析。

圖2 發(fā)動機前端附件布置示意圖

4 充電機電磁離合器的選用

4.1 離合器扭矩的選擇

離合器選擇最重要的因素是扭矩，由于不同機械特性的要求不同，受負載、慣量、頻率、轉速、時間等因素影響，必須充分地考慮適當大的安全系數(shù)。根據(jù)充電機的扭矩和轉速功率關系，如圖3，選擇離合器傳遞扭矩安全系數(shù)1.75,經過計算，得出離合器傳遞扭矩必須大于41.2N.m。

圖3 充電機輸入扭矩與轉速曲線

4.2 電磁離合器的組成和工作原理

干式單片電磁離合器的電磁線圈總成安裝在充電機端蓋上不轉動，轉子靠軸承和卡簧保持在電磁線圈上面，轉子的外部即為帶輪總成。吸盤總成裝在充電機主軸的端頭，結構組成，如圖4。離合器另一端經充電機繼電器與電源相連。當接通發(fā)電模式開關時，充電機繼電器接通，充電機的電磁線圈通電，產生較強的磁場，使充電機的電磁離合器從動盤和自由轉動的帶輪吸合，從而驅動充電機主軸旋轉，充電機開始工作，給電池發(fā)電。充電機繼電器斷電時，切斷了電磁離合器線圈的電流，磁場就消失，此時靠彈簧作用把從動盤和帶輪分開，使充電機停止工作。

圖4 電磁離合器主要組成部件

4.3 電磁離合器吸盤的選擇

電磁離合器常用的吸盤主要有兩種：1、橡膠型吸盤,橡膠型吸盤可細分全橡膠型和三點橡膠型，圖5，其成本比彈簧型吸盤的高，但吸合的噪聲小，NVH 性能好。2、彈簧型吸盤，彈簧型吸盤可細分為環(huán)形彈簧型和條形彈簧型，如圖6。

圖5 橡膠型吸盤

圖6 橡膠型吸盤

本文選擇一款條形彈簧型吸盤的電磁離合器來進行分析，其主要參數(shù)如表1：

表1

5 前端附件系統(tǒng)仿真計算分析

利用SimDrive3D 軟件校核發(fā)動機前端附件系統(tǒng)的靜態(tài)布局參數(shù)以及及動態(tài)參數(shù)，首先要把發(fā)動機、發(fā)電機、充電機、壓縮機、張緊輪、皮帶等靜態(tài)相關數(shù)據(jù)輸入仿真系統(tǒng)，靜態(tài)參數(shù)比如曲軸角振動數(shù)據(jù)、曲軸皮帶輪直徑、轉動慣量，各附件相對與曲軸皮帶輪的坐標，各附件的轉速-功率-扭矩數(shù)據(jù)、皮帶輪有效直徑、轉動慣量、皮帶型號規(guī)格、皮帶厚度、節(jié)距、皮帶寬度、線繩材料、節(jié)線至皮帶背面距離、長度公差、皮帶縱向剛度、剪切模量、背包剪切模量、徑向剛度、張緊力系數(shù)、每楔單位長度質量、彎曲剛度等，動態(tài)參數(shù)，包括各皮帶輪載荷,各皮帶股固有頻率,各負載輪打滑率,皮帶股的橫向振動，然后建立仿真計算模型（如圖7）進行計算。最終得出仿真結果，滿足系統(tǒng)設計要求，（如圖8）。

圖7 建立仿真計算模型分析

圖8 仿真計算分析結果-傳統(tǒng)發(fā)動機前端附件系統(tǒng)

5.1 傳統(tǒng)發(fā)動機前端附件系統(tǒng)仿真結果

5.2 充電機系統(tǒng)仿真計算結果：

皮帶最大張緊力是在1057N，小于皮帶設計要求≤1250N(≤50N/rib)；最大打滑率2.18%，小于設計標準≤3%；皮帶最大抖動8.37%，小于設計標準≤10%

5.3 仿真結果小結：

從仿真結果看，發(fā)動機前端附件系統(tǒng)滿足設計要求。

（系統(tǒng)要求：1、皮帶打滑率＜3%，2、最大皮帶抖動＜皮帶跨距的10%,3、張緊輪擺幅<5)。

6 系統(tǒng)測試及驗證

6.1 對發(fā)動機前端附件系統(tǒng)進行整車動態(tài)測試，測試曲軸角振動數(shù)據(jù)、皮帶張緊力、皮帶打滑率、皮帶抖動和張緊輪擺動角度，系統(tǒng)NVH 噪音等，所有數(shù)據(jù)均需滿足附件系統(tǒng)6.3 中的要求。

6.2 測試結果，傳統(tǒng)發(fā)動機前端附件系統(tǒng)動態(tài)測試結果-傳統(tǒng)發(fā)動機前端附件系統(tǒng)（如表2）,充電系統(tǒng)的動態(tài)測試結果是充電機皮帶系統(tǒng)在發(fā)動機啟停，電磁離合器開閉已經發(fā)電過程中功能正常，無異響，皮帶最大打滑率1.98，皮帶抖動最大6.5%,均小于附件系統(tǒng)6.3 中的設計要求。

表2 發(fā)動機前端附件系統(tǒng)動態(tài)測試結果-傳統(tǒng)發(fā)動機前端附件系統(tǒng)

通過以上測試及驗證可進一步確認發(fā)動機前端附件系統(tǒng)布置可行性，仿真分析的有效性以及附件系統(tǒng)設計的可靠性。

7 結束語

搭載雙發(fā)電機對發(fā)動機前端附件系統(tǒng)有了新的要求，本文總結了相關設計要求，并提出了相應的開發(fā)和驗證流程,對于農用車輛增加充電系統(tǒng)、匹配開發(fā)無人植保機而進行發(fā)動機前端附件系統(tǒng)的開發(fā)具有一定的參考價值。