曲軸解耦皮帶輪在柴油機(jī)上的應(yīng)用分析

王俊然，李雪峰，賈紅杰，曾超，劉倫倫，段良坤

(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)

0 前言

前端附件驅(qū)動(dòng)(FEAD)系統(tǒng)是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分。現(xiàn)有FEAD系統(tǒng)常采用多楔帶驅(qū)動(dòng)附件，且配備適當(dāng)?shù)淖詣?dòng)張緊器來(lái)維持穩(wěn)定的帶段張力。多楔帶輪比V形帶輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布局緊湊、傳動(dòng)能力強(qiáng)、皮帶壽命長(zhǎng)并且噪聲-振動(dòng)-聲振粗糙度(NVH)性能較好。FEAD系統(tǒng)的可靠性直接影響到整車安全性和舒適性，因此，對(duì)FEAD系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，可提升車輛的產(chǎn)品質(zhì)量。

曾祥坤[1]通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)增加帶段初始張力，可提高帶段橫向振動(dòng)的固有頻率，避免在發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速區(qū)間產(chǎn)生共振，并可有效降低張緊臂擺角，提高前端輪系的可靠性，但同時(shí)會(huì)增加各輪輪轂載荷，從而縮短曲軸軸承的使用壽命。王德成等[2-3]研究發(fā)現(xiàn)，由于發(fā)電機(jī)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，其對(duì)前端輪系的可靠性有較大影響，采用具有減振作用的發(fā)電機(jī)皮帶輪[4-6]，可以提高前端輪系的可靠性。研究表明，非對(duì)稱阻尼張緊器[7]和液壓張緊器[8]具有較大的阻尼比，能夠有效降低張緊臂擺動(dòng)，提高前端輪系的可靠性。以上方案主要通過(guò)改進(jìn)優(yōu)化附件帶輪、張緊器和皮帶等措施，提高前端輪系的可靠性，但并不能徹底解決前端輪系的動(dòng)態(tài)性能問(wèn)題。

本文針對(duì)某6缸柴油機(jī)已開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的曲軸解耦皮帶輪，通過(guò)主動(dòng)降低曲軸皮帶輪的轉(zhuǎn)速波動(dòng)(即降低發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系的激勵(lì)源)，來(lái)改善輪系動(dòng)態(tài)性能。同時(shí)，采用仿真方法和臺(tái)架試驗(yàn)，驗(yàn)證曲軸解耦皮帶輪對(duì)前端輪系的改善效果。

1 曲軸的角振動(dòng)

扭轉(zhuǎn)振動(dòng)[9-10]是曲軸等旋轉(zhuǎn)零部件的固有特性。發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中，曲軸受缸壓和慣性力等呈周期性變化的激勵(lì)載荷作用，容易引起曲軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)包括扭振和滾振。扭振的主要特點(diǎn)是曲軸系各截面間存在幅值和相位差，扭振過(guò)大會(huì)使曲軸損壞；滾振的主要特點(diǎn)是曲軸系各截面間都以相同的振幅作同步的來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)，不發(fā)生相對(duì)扭轉(zhuǎn)，滾振對(duì)曲軸的破壞性較小，但對(duì)從曲軸直接獲取動(dòng)力的前端輪系有較大影響。本文所研究的某直列6缸發(fā)動(dòng)機(jī)的角位移和相位角表達(dá)式如下：

(1)

式中：n(t)為t時(shí)刻的轉(zhuǎn)速；n0為基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速；j為階數(shù)；Aj為第j階的角位移幅值；t為角位移時(shí)間；φj為第j階的相位角。

曲軸皮帶輪作為前端輪系的主動(dòng)輪，是前端附件系統(tǒng)的激勵(lì)源，曲軸系的角振動(dòng)即轉(zhuǎn)速不均勻性會(huì)通過(guò)皮帶傳遞至前端附件，進(jìn)而影響整個(gè)前端輪系。由于曲軸系的角振動(dòng)具有周期性，會(huì)造成皮帶張力不斷變化和張緊輪往復(fù)擺動(dòng)。當(dāng)曲軸系的滾振越大，前端輪系的需求張力就越大，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的張力變化趨勢(shì)和張緊輪擺動(dòng)幅值增大。這一方面會(huì)加劇張緊輪和皮帶的磨損，影響前端輪系的可靠性[11]；另一方面也會(huì)增加各附件的摩擦功損失，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

2 曲軸解耦皮帶輪

曲軸解耦皮帶輪的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括皮帶輪和螺旋彈簧等。螺旋彈簧與彈性塊(剛度遠(yuǎn)比螺旋彈簧的大)相連接，彈性塊起限位作用，防止螺旋彈簧變形過(guò)大而與皮帶輪發(fā)生干摩擦。

圖1 曲軸解耦皮帶輪結(jié)構(gòu)圖

曲軸解耦皮帶輪的性能曲線如圖2所示。在發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)[12]，曲軸帶動(dòng)螺旋彈簧轉(zhuǎn)動(dòng)，皮帶輪相對(duì)曲軸的旋轉(zhuǎn)角度較小，通過(guò)彈簧和內(nèi)部阻尼元件吸收曲軸轉(zhuǎn)速不均勻產(chǎn)生的能量，進(jìn)而降低皮帶輪的轉(zhuǎn)速波動(dòng)。在發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速時(shí)，皮帶輪的旋轉(zhuǎn)角度增大，此時(shí)螺旋彈簧被進(jìn)一步壓縮，從而提供較大的剛度以傳遞增大的輸出扭矩。在超負(fù)荷區(qū)域，隨著輸出扭矩的繼續(xù)增加，旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)一步增大，此時(shí)螺旋彈簧剛度會(huì)急劇增加，與剛性皮帶輪近似。綜上所述，曲軸解耦皮帶輪主要是降低了發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速區(qū)間的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系的可靠性。

圖2 曲軸解耦皮帶輪性能曲線

3 設(shè)計(jì)仿真

所研究的發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系包括風(fēng)扇-水泵層和空調(diào)-發(fā)電機(jī)層，其輪系布局如圖3所示。由于該系統(tǒng)的自動(dòng)張緊輪存在一定故障率，因此開(kāi)發(fā)了曲軸解耦皮帶輪以優(yōu)化輪系性能，改善輪系指標(biāo)，提高輪系可靠性。

圖3 前端輪系布局圖

3.1 現(xiàn)有前端輪系仿真

通過(guò)SimDrive軟件對(duì)現(xiàn)有狀態(tài)FEAD系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析，系統(tǒng)中各附件的幾何參數(shù)見(jiàn)表1。所研究的機(jī)型為直列6缸發(fā)動(dòng)機(jī)，其曲軸主激勵(lì)為3諧次，對(duì)應(yīng)的角位移曲線如圖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

表1 FEAD系統(tǒng)附件幾何參數(shù)

經(jīng)測(cè)試，獲得該機(jī)型FEAD系統(tǒng)的主要驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇、水泵、空調(diào)和發(fā)電機(jī)等附件的功耗，結(jié)果如圖5所示。張緊器的扭轉(zhuǎn)性能曲線如圖6所示，其中風(fēng)扇-水泵層和空調(diào)-發(fā)電機(jī)層的名義扭矩分別為33.1 N·m和19.2 N·m。

圖5 FEAD系統(tǒng)附件功耗曲線

圖6 自動(dòng)張緊器性能曲線

通過(guò)張緊臂擺角可以評(píng)估張緊器的壽命，張緊臂擺角越小，其使用壽命越長(zhǎng)。經(jīng)計(jì)算風(fēng)扇-水泵層的張緊臂擺角最大值為3.20°，空調(diào)-發(fā)電機(jī)層的張緊臂擺角最大值為5.70°，如圖7所示。

圖7 張緊臂擺角圖

帶段的皮帶張力可用來(lái)評(píng)估皮帶壽命，帶段張力越小，皮帶壽命長(zhǎng)，且?guī)Ф螐埩p小，可以減小附件之間的摩擦，提高零部件的可靠性，同時(shí)提升燃油經(jīng)濟(jì)性。為方便對(duì)比，用惰輪受力代替帶段張力，受力圖如圖8所示。風(fēng)扇-水泵層的惰輪受力最大值為1 409 N，空調(diào)-發(fā)電機(jī)層的惰輪受力最大值為875 N。其中風(fēng)扇-水泵層的張力波動(dòng)(惰輪受力最大值與最小值的差值)為1 264 N，空調(diào)-發(fā)電機(jī)層的張力波動(dòng)為633 N。

圖8 惰輪受力圖

3.2 采用曲軸解耦皮帶的輪前端輪系仿真

采用曲軸解耦器可以有效隔離曲軸系的振動(dòng)，降低曲軸皮帶輪的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，提升輪系可靠性。在仿真過(guò)程中，采用SimDrive軟件自帶的Inline Spring Block單元模擬曲軸解耦皮帶輪的剛度和阻尼。

搭載曲軸解耦皮帶輪后，計(jì)算得出曲軸皮帶的3諧次角位移降低為0.16°，比原狀態(tài)降低0.63°(見(jiàn)圖9)。搭載曲軸解耦皮帶輪后的張緊臂擺角和惰輪受力分別如圖10和圖11所示。風(fēng)扇-水泵層的張緊臂擺角最大值為0.60°，空調(diào)-發(fā)電機(jī)層的張緊臂擺角最大值為1.10°。風(fēng)扇-水泵層的惰輪受力最大值為871 N，空調(diào)-發(fā)電機(jī)層的惰輪受力最大值為649 N；其中風(fēng)扇-水泵層的張力波動(dòng)為456 N，空調(diào)-發(fā)電機(jī)層的張力波動(dòng)為198 N。

圖9 曲軸3諧次角位移圖對(duì)比

圖10 采用曲軸解耦器后的張緊臂擺角圖

圖11 采用曲軸解耦器后的惰輪受力圖

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果表明，曲軸的各項(xiàng)指標(biāo)均得到明顯改善，通過(guò)減小張緊器扭矩和皮帶張力，可提高皮帶壽命和燃油經(jīng)濟(jì)性。

分別將張緊器扭矩減小至21.0 N·m和9.4 N·m，再進(jìn)行輪系仿真計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2。新?tīng)顟B(tài)輪系(搭載曲軸解耦皮帶輪和小扭矩張緊器)的計(jì)算結(jié)果優(yōu)于原狀態(tài)輪系(搭載剛性皮帶輪和大扭矩張緊器)，其中張緊臂擺角的平均降幅為77%，惰輪受力最大值平均降幅為53.8%，張力波動(dòng)的平均降幅為72.3%。由此可見(jiàn)，搭載曲軸解耦皮帶輪可有效改善前端輪系性能，提高前端輪系的可靠性。

表2 搭載曲軸解耦器仿真計(jì)算對(duì)比

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證曲軸解耦器的有效性，進(jìn)行臺(tái)架對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)試曲軸皮帶輪的轉(zhuǎn)速波動(dòng)和前端輪系各項(xiàng)指標(biāo)。通過(guò)加速度傳感器測(cè)量張緊臂擺角，利用輪轂載荷傳感器(特制的惰輪)測(cè)試惰輪受力，前端輪系的測(cè)試狀態(tài)如圖12所示。

圖12 臺(tái)架測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。搭載曲軸解耦皮帶輪后曲軸皮帶輪的滾振顯著降低，其3諧次角位移由0.79°降為0.15°。新?tīng)顟B(tài)輪系測(cè)試結(jié)果優(yōu)于原狀態(tài)輪系，其中張緊臂擺角的平均降幅為76.3%，惰輪受力最大值平均降幅為43.2%，張力波動(dòng)的平均降幅為53.3%。臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果一致，進(jìn)一步說(shuō)明對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)是有效的。

表3 搭載曲軸解耦器試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論

本文針對(duì)某6缸發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了曲軸解耦皮帶輪，通過(guò)主動(dòng)降低曲軸皮帶輪的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，改善了輪系動(dòng)態(tài)性能。通過(guò)對(duì)優(yōu)化后的前端輪系進(jìn)行仿真分析和臺(tái)架試驗(yàn)，得到以下結(jié)論。

(1)建立了搭載曲軸解耦皮帶輪的前端輪系，并采用臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證其有效性，得出曲軸解耦皮帶輪可以有效隔離曲軸的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，降低曲軸皮帶輪的滾振。

(2)搭載曲軸解耦皮帶輪能夠有效地減小張緊臂擺角，提高張緊器壽命和前端輪系可靠性。

(3)曲軸解耦皮帶輪可以減小前端輪系的皮帶張力波動(dòng)，減少皮帶與帶輪之間的摩擦以及附件的內(nèi)部磨損，進(jìn)而減小摩擦功，提升燃油經(jīng)濟(jì)性。