發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶輪系異響分析及改進(jìn)措施

汽車(chē)皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)一般用于發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件傳動(dòng)中，是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，用以將曲軸運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞給其他附件從動(dòng)輪系。隨著汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)向小型化、高效能化的發(fā)展，對(duì)汽車(chē)皮帶傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)、噪聲等提出更高的要求，一個(gè)穩(wěn)定高效的傳動(dòng)系統(tǒng)不僅能降低傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲，還能延長(zhǎng)皮帶的使用壽命減少維護(hù)成本。

本文在國(guó)內(nèi)外對(duì)汽車(chē)皮帶帶傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)和噪聲研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)汽車(chē)多楔帶傳動(dòng)系統(tǒng)減振降噪的要求，通過(guò)理論分析深入研究多楔帶橫向振動(dòng)噪聲和摩擦噪聲的產(chǎn)生機(jī)理1]。

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系作為外附件，常見(jiàn)問(wèn)題主要為異響2，發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶異響又是目前車(chē)輛售后市場(chǎng)主要問(wèn)題之一，響聲皮帶表現(xiàn)為間斷的“唧唧”聲，在皮帶輪上噴入水霧異響可短暫消失，用工具撥動(dòng)上部惰輪處皮帶異響聲明顯發(fā)生變化直至消失。售后多次反饋發(fā)動(dòng)機(jī)彈性多楔帶存在的異響情況，對(duì)客戶(hù)異響問(wèn)題現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)多臺(tái)車(chē)故障模式基本一致，空調(diào)輪系上側(cè)的皮帶惰輪起動(dòng)時(shí)出現(xiàn)跑偏因而皮帶偏磨產(chǎn)生異響，停車(chē)后皮帶能回到輪系中間位置，根據(jù)理論分析皮帶偏磨會(huì)導(dǎo)致異響產(chǎn)生，本文詳細(xì)介紹皮帶異響產(chǎn)生的機(jī)理和相應(yīng)改進(jìn)方法。

發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶異響產(chǎn)生機(jī)理和判斷方法

異響產(chǎn)生原因：皮帶輪系異響主要分為打滑異響、偏磨噪聲和其他噪聲。

1）打滑異響產(chǎn)生的原因有張緊力不夠[3]、傳動(dòng)能力不足、帶與帶輪滑差過(guò)大，具體又可分為傳動(dòng)負(fù)荷過(guò)大、包角過(guò)小、設(shè)計(jì)或使用條數(shù)（楔數(shù)）不足、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、摩擦系數(shù)不足、張力設(shè)計(jì)過(guò)小或產(chǎn)品表面（油）污染等。

2）偏磨噪聲主要是帶切入角過(guò)大，橡膠和金屬側(cè)面摩擦異響，單邊摩擦力過(guò)大，具體有：輪系平行度偏差過(guò)大；跨距過(guò)小，平行度容差小；摩擦系數(shù)平行度容差??；張力過(guò)大；軸、支架等剛度不足等。

3）其他噪聲主要是帶輪圓度不足、輪背帶背的平整度不足、跨距過(guò)長(zhǎng)、共振、帶輪卡滯及異物等。

異響判斷方法如下：

1）區(qū)分異響類(lèi)型簡(jiǎn)單有效的方法是皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)加水，加水后異響變大為打滑噪聲；加水后異響減輕或消失，之后又出現(xiàn)為偏磨噪聲（即共面度問(wèn)題）；加水后異響無(wú)變化為其他噪聲如干涉問(wèn)題等。

2）還可以觀察異響是否有周期性，主要與帶輪或帶背平整度有關(guān)；觀察轉(zhuǎn)速是否有規(guī)律性與共振有關(guān)。

3）進(jìn)一步深入精準(zhǔn)的判斷方法：用工具對(duì)帶輪各處的皮帶進(jìn)行撥動(dòng)或按壓；對(duì)于偏磨異響來(lái)回?fù)軇?dòng)效果明顯，可直至消失；對(duì)于打滑異響，按壓會(huì)改變打滑異響聲音。此種方法需要注意安全問(wèn)題，在專(zhuān)業(yè)人員指導(dǎo)下操作。

結(jié)論：模壓帶產(chǎn)品、飛刀產(chǎn)品、正常產(chǎn)品對(duì)偏磨的包容性依次減弱。

如何避免異響產(chǎn)生，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)前期需要進(jìn)行充分計(jì)算模擬分析，如計(jì)算皮帶打滑率、預(yù)判是否可能存在打滑、楔數(shù)不足及張力不足等問(wèn)題；通過(guò)橫振分析判定是否可能存在共振現(xiàn)象；通過(guò)跨距分析，確定允許偏移量，提高設(shè)計(jì)容差率，降低振動(dòng)幅度；設(shè)計(jì)合適的摩擦系數(shù)，確保傳動(dòng)能力和平行度容差達(dá)到最佳平衡。

異響問(wèn)題研究及改進(jìn)措施

表面初始摩擦系數(shù)較低，模壓帶產(chǎn)品的皮帶初始摩擦系數(shù)1.0；模壓帶產(chǎn)品在多楔帶偏離實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，當(dāng)偏移輪與主動(dòng)輪共面度存在 4.5mm 偏差時(shí)，未出現(xiàn)異響只出現(xiàn)跳槽現(xiàn)象。

對(duì)于偏磨問(wèn)題異響包容性研究：在同等偏離角度的情況下摩擦系數(shù)越大異響聲音及幾率增大，當(dāng)多楔帶摩擦系數(shù)超過(guò)1.4時(shí)，異響幾率增大。通過(guò)對(duì)幾種狀態(tài)的皮帶進(jìn)行檢驗(yàn)驗(yàn)證可得到以下數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

在實(shí)際應(yīng)用中可用平行儀檢測(cè)輪系平行度判斷是否存在偏磨，還可以從背輪面磨損情況和皮帶楔槽兩側(cè)磨損狀態(tài)不同來(lái)確認(rèn)，皮帶楔槽兩側(cè)狀態(tài)如圖1所示。

1）正常產(chǎn)品磨削工藝采用的是金剛砂磨削工藝，初始摩擦系數(shù)在1.27左右，當(dāng)經(jīng)過(guò)使用后摩擦系數(shù)在1.3～1.5 。在多楔帶偏離實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，當(dāng)偏移輪與主動(dòng)輪共面度存在 3.0mm 偏差時(shí)，出現(xiàn)異響。

2）飛刀產(chǎn)品是金剛砂磨削工藝改為飛刀磨輪，使得多楔帶表面初始摩擦系數(shù)較低。飛刀產(chǎn)品的皮帶初始摩擦系數(shù)1.1，在多楔帶偏離試驗(yàn)平臺(tái)上，當(dāng)偏移輪與主動(dòng)輪共面度存在 3.5mm 以上偏差，100h運(yùn)行后才會(huì)出現(xiàn)輕微異響。

3）模壓帶產(chǎn)品表面有一層耐磨布層，使得多楔帶

目前售后市場(chǎng)經(jīng)常反饋的發(fā)動(dòng)機(jī)異響問(wèn)題，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查車(chē)子故障模式基本一致，空調(diào)輪系上側(cè)的皮帶惰輪起動(dòng)時(shí)出現(xiàn)跑偏因而皮帶偏磨，停車(chē)后皮帶又能回到輪系中間。測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)逾 1000km 里程的車(chē)子皮帶彈性張力450N左右。根據(jù)理論分析， 1000km 換算成臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)大概10h，皮帶初始張力設(shè)定在800N左右，彈性帶動(dòng)態(tài)張力衰減曲線圖如圖2所示。

從彈性皮帶張力曲線圖可以看出，皮帶使用10多個(gè)小時(shí)后張力應(yīng)該維持在530N左右，現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。測(cè)量結(jié)果皮帶彈性張力 450N ，顯示皮帶張力不足，張力不足會(huì)造成滑差過(guò)多導(dǎo)致異響。

分析皮帶張力不足的幾個(gè)關(guān)鍵因子：線繩即尼龍彈性線拉伸性能、彈性帶成品長(zhǎng)度與模量、皮帶拉伸強(qiáng)度與伸長(zhǎng)、靜態(tài)張力衰減、動(dòng)態(tài)張力衰減與打滑率。

解決方案：在不通過(guò)大幅設(shè)計(jì)變更的條件下，撕裂性能為14.2N，改進(jìn)后達(dá)到40N，抗撕裂性能提升4倍，如圖5所示。

提高皮帶張力是有效的解決方案。提高張力主要通過(guò)縮小成型模具外周，在一定范圍內(nèi)縮短自由狀態(tài)長(zhǎng)度來(lái)提高拉升使用后的張力，調(diào)節(jié)范圍在 3% 以?xún)?nèi)。模具外周長(zhǎng)度從原先的 1223mm±5mm 縮短為1217mm±5mm ，皮帶初始張力從800N提高到 1000N 這樣實(shí)際運(yùn)行張力可以達(dá)到 550～650N 左右。設(shè)計(jì)更改產(chǎn)品切換上場(chǎng)后售后市場(chǎng)未再反饋有此類(lèi)問(wèn)題，異響得到有效解決。

另外從2020年1月到2021年6月近一年半的售后數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：大部分皮帶故障都是因空調(diào)壓縮機(jī)抱死、拉缸，曲軸減振器斷裂損壞、惰輪損壞，各占30.8% 、 26% 、 10.3% 。故障車(chē)型占比情況分析，攪拌車(chē)占 68.5% ，自卸車(chē) 11.3% ，載貨車(chē) 9.6% ，說(shuō)明攪拌車(chē)、自卸車(chē)的超載、急加減速工況對(duì)皮帶影響較大。皮帶的故障模式主要有斷裂、打滑、偏磨、異響、皮帶移位、皮帶松及脫落，從皮帶廠家故障占比情況分析其中一家比例在 85% 以上，明顯偏高。

對(duì)主要故障皮帶撕裂并伴隨異響問(wèn)題進(jìn)行深入分析，認(rèn)為線繩跟橡膠結(jié)合力差導(dǎo)致皮帶容易撕裂。為了不更改皮帶的總厚度對(duì)皮帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從原來(lái)的純膠面結(jié)構(gòu)改為膠布結(jié)構(gòu)。皮帶一般結(jié)構(gòu)主要分為頂布層（純膠/膠布結(jié)構(gòu)）、緩沖層（EPDM）、骨架層（聚酯線繩）及楔膠層（EPDM + 芳綸短纖維），如圖4所示。此次結(jié)構(gòu)優(yōu)化部位為頂布層從純膠改為膠布結(jié)構(gòu)，材質(zhì)由EPDM + 短纖維改為4501滌棉布 + （EPDM+短纖維），處理工藝優(yōu)化為浸膠 + 擦膠。

此次改進(jìn)主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)采用膠布結(jié)構(gòu)在不增加皮帶厚度的情況下顯著提升皮帶抗撕裂的強(qiáng)度，原結(jié)構(gòu)抗

通過(guò)以上兩方面改進(jìn)售后故障異響情況明顯減少，皮帶整體故障率下降 70.6% ，其中皮帶松脫落比例也有明顯下降。

結(jié)語(yǔ)

本文介紹發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶異響的類(lèi)型、產(chǎn)生機(jī)理以及如何判斷異響類(lèi)型，針對(duì)不同因素產(chǎn)生的異響制定對(duì)應(yīng)的解決措施。詳細(xì)列舉皮帶張力不足、皮帶撕裂問(wèn)題導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)異響問(wèn)題產(chǎn)生的機(jī)理及相應(yīng)有效改進(jìn)措施，探討針對(duì)各類(lèi)異響如何有效地做出精準(zhǔn)判斷并提出解決方案。

經(jīng)過(guò)兩種售后異響問(wèn)題改進(jìn)，有效提升了客戶(hù)使用體驗(yàn)，樹(shù)立良好的品牌形象。并通過(guò)積累實(shí)際應(yīng)用過(guò)程解決問(wèn)題的有益經(jīng)驗(yàn)，反饋給設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程能更充分的進(jìn)行FMEA分析，識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)并在研發(fā)中制定標(biāo)準(zhǔn)的研發(fā)流程并加以完善，降低新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，保證測(cè)試和驗(yàn)證可滿(mǎn)足個(gè)性化的需求，真正做到設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)無(wú)風(fēng)險(xiǎn)，制造階段持續(xù)改進(jìn)，本文介紹的異響問(wèn)題分析及解決措施可供相關(guān)行業(yè)參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]寧凱.汽車(chē)多楔帶兩輪傳動(dòng)系統(tǒng)噪聲機(jī)理分析與試驗(yàn)研究[D].吉林：長(zhǎng)春大學(xué)，2020.

[2]李文輝，孫百重，趙金龍，等.發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系皮帶異響的研究[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2019（21）：65-67.

[3]萬(wàn)建兵.發(fā)動(dòng)機(jī)輪系異響分析[J].南方農(nóng)機(jī)，2019，50（20）：35.AUTO1950