岳小平

（1.上海柴油機股份有限公司，上海200438；2.同濟大學上海200092）

柴油機前端附件驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

岳小平1,2

（1.上海柴油機股份有限公司，上海200438；2.同濟大學上海200092）

結(jié)合某新型發(fā)動機前端附件驅(qū)動系統(tǒng)的開發(fā)，介紹了OAD的結(jié)構(gòu)、功能原理，并對該前端附件驅(qū)動系統(tǒng)進行了動態(tài)模擬仿真分析（分別進行了應用OAD帶輪和普通發(fā)電機帶輪兩種狀態(tài)的對比仿真），并最終在該發(fā)動機前端附件驅(qū)動系統(tǒng)上采用了OAD帶輪來進行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，從而提高系統(tǒng)性能。

前端附件驅(qū)動系統(tǒng)、OAD動態(tài)模擬仿真

1 前言

FEAD是英文Front End Accessory Drive的4個首字母的縮寫，意即前端附件驅(qū)動系統(tǒng)[1]。隨著用戶對整車操控舒適性的要求提高，一方面，要求現(xiàn)代汽車發(fā)動機必須驅(qū)動更多的附件[2]，同時附件的轉(zhuǎn)動慣量和消耗功率也更大；而另一方面，為了追求更高的燃油經(jīng)濟性，發(fā)動機怠速又被設(shè)置得越來越低。這樣發(fā)動機前端附件驅(qū)動系統(tǒng)將運行在更高的轉(zhuǎn)速波動激勵水平下。這些要求將對傳統(tǒng)的發(fā)動機FEAD系統(tǒng)性能提出了挑戰(zhàn)。一些普通的方法，如提高張力和張緊輪阻尼，都不能讓系統(tǒng)同時滿足NVH和耐久性的要求。

在發(fā)動機FEAD系統(tǒng)中，發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量通常是最大的，發(fā)電機驅(qū)動速比又高達到3倍以上；曲軸轉(zhuǎn)速的波動將會按照一定的倍數(shù)傳遞到發(fā)電機皮帶輪上。曲軸轉(zhuǎn)速的波動導致發(fā)電機轉(zhuǎn)子被加速和減速，促使皮帶動態(tài)張力增加。這在很大程度上也是產(chǎn)生皮帶抖動、噪聲、打滑和更大的張緊輪臂擺動的根本原因[3]。

為降低由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子的大慣性所引起的FEAD系統(tǒng)大的振動，萊頓加拿大公司開發(fā)出了一種新型的發(fā)電機皮帶輪裝置Overrunning Alternator Decoupler（簡稱OAD），該裝置用于代替普通的發(fā)電機皮帶輪[4]。最近，它作為一種解決前端附件驅(qū)動系統(tǒng)問題的新技術(shù)被廣泛地應用于汽車工業(yè)，能有效解決主要因皮帶的動態(tài)張力波動幅度太大而引起的FEAD系統(tǒng)大振動的問題。

本文結(jié)合某新型發(fā)動機前端附件驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)，介紹了OAD的結(jié)構(gòu)及功能原理，著重對該附件驅(qū)動系統(tǒng)進行對比模擬仿真及仿真數(shù)據(jù)的分析。分別進行了應用OAD帶輪和普通發(fā)電機帶輪2種狀態(tài)的前端附件驅(qū)動系統(tǒng)的模擬仿真，并且對仿真數(shù)據(jù)進行了對比分析，揭示了OAD的應用對提高該發(fā)動機前端附件驅(qū)動系統(tǒng)的益處。最終在該發(fā)動機前端附件驅(qū)動系統(tǒng)上采用了OAD帶輪，對系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計。

2 OAD的結(jié)構(gòu)及功能

2.1 OAD的結(jié)構(gòu)

OAD由如圖1所示的下列部分組成：1個帶輪、1個單向離合器部件、1個調(diào)諧過的隔離彈簧、1根軸和1個球軸承。OAD通過軸與發(fā)電機相連，球軸承承載徑向力以及使OAD帶輪和軸之間能產(chǎn)生相對運動。

圖1 OAD結(jié)構(gòu)圖

由皮帶傳遞的驅(qū)動扭矩先作用在OAD帶輪上，再通過離合器部件、隔離彈簧和OAD軸傳遞到發(fā)電機轉(zhuǎn)子上。彈簧將發(fā)電機轉(zhuǎn)子從扭振中隔離出來，從而減少了發(fā)電機轉(zhuǎn)動慣量對系統(tǒng)的影響。在發(fā)動機減速過程中，單向離合器部件的應用使發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速快于發(fā)電機帶輪的轉(zhuǎn)速。

2.2 OAD的功能

從上面的OAD結(jié)構(gòu)部分可以看到，單向離合器部件和隔離彈簧串聯(lián)在OAD帶輪和發(fā)電機之間，這種結(jié)構(gòu)給OAD提供了2種功能：（1）扭振隔離的功能；（2）反向超越的功能。

2.2.1 扭振隔離的功能

如果發(fā)電機轉(zhuǎn)子由剛性帶輪驅(qū)動，見圖2a，發(fā)電機帶輪和轉(zhuǎn)子的最高加、減速度是相同的；發(fā)電機皮帶輪上的動態(tài)扭矩與發(fā)電機帶輪的轉(zhuǎn)速波動太小以及發(fā)電機轉(zhuǎn)子的慣量大小是成正比的。高的發(fā)動機扭振和大的發(fā)電機轉(zhuǎn)動慣量將引起高的動態(tài)扭矩和大的皮帶張力波動。

當OAD被應用于FEAD系統(tǒng)去驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電時，見圖2b，發(fā)電機轉(zhuǎn)子將通過隔離彈簧與皮帶輪相連。由振動理論可知，發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的波動將比發(fā)電機皮帶輪轉(zhuǎn)速的波動減少，由發(fā)電機轉(zhuǎn)子加、減速引起的動態(tài)扭振和動態(tài)皮帶張力（響應動態(tài)扭振）也將相應減少。以上就是OAD的扭振隔離功能。

圖2 發(fā)電機與FEAD系統(tǒng)之間的連接示意圖

2.2.2 反向超越功能

如果發(fā)電機轉(zhuǎn)子由剛性帶輪驅(qū)動，當發(fā)動機在急減速時，比如快速換擋或者發(fā)動機停機，驅(qū)動發(fā)電機帶輪的扭矩將反過來降低發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，最初的發(fā)電機帶輪的緊邊將變成松邊，最初的發(fā)電機帶輪的松邊變成緊邊。驅(qū)動帶輪所需要的扭矩與轉(zhuǎn)子的減速度成正比，當反向扭矩超過一定水平時，松邊的皮帶張力可能降至零。這將導致皮帶與帶輪之間打滑，從而產(chǎn)生異常打滑噪聲。

發(fā)電機安裝了OAD后，發(fā)電機轉(zhuǎn)子將通過單向離合器部件與皮帶輪相連，當反向扭矩超過離合器釋放扭矩時，OAD的單向離合器部件將脫離。發(fā)電機轉(zhuǎn)子將比帶輪運行得更快（超越功能），反向扭矩將減少到釋放扭矩。因此，在發(fā)動機減速時，將會避免出現(xiàn)零皮帶張力，以上就是OAD的反向超越功能[5]。

3 前端附件驅(qū)動系統(tǒng)仿真分析

該發(fā)動機為國外引進，在國內(nèi)進行國產(chǎn)化設(shè)計，系統(tǒng)中原來所用的發(fā)電機皮帶輪為普通帶輪；在該發(fā)動機國產(chǎn)化過程中，整個附件系統(tǒng)做了比較大的改動：要求發(fā)電機的輸出電流增大，從而發(fā)電機驅(qū)動功率和轉(zhuǎn)動慣量也同時增大；在同樣的制冷效果下，空調(diào)的驅(qū)動功率和轉(zhuǎn)動慣量都增大；由于整機布置的需要，曲軸的包角變小；考慮到以上附件驅(qū)動系統(tǒng)的修改所帶來的不利影響，打算在系統(tǒng)中應用OAD進行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，并分別進行了應用OAD帶輪和普通帶輪的對比仿真。

圖3 發(fā)動機前端系統(tǒng)布置圖

3.1 系統(tǒng)仿真輸入

該附件驅(qū)動系統(tǒng)包括曲軸帶輪、空調(diào)、發(fā)電機、惰輪、動力轉(zhuǎn)向泵和張緊輪，系統(tǒng)布置圖參見圖3，主要布置參數(shù)如表1所示。

該系統(tǒng)的皮帶楔數(shù)為6，皮帶線繩為聚酯線繩，皮帶模量為96 kN/mm2。OAD隔離彈簧的彈簧剛度為0.37 N·m/deg。）

用SimDrive軟件對該FEAD系統(tǒng)進行動態(tài)模擬仿真。表1中所列的參數(shù)作為基本的輸入數(shù)據(jù)用以搭建模擬分析模型。從整車上實際測得的曲軸轉(zhuǎn)速可以用做該FEAD系統(tǒng)動態(tài)模擬仿真的激勵輸入[6]。

3.2 系統(tǒng)對比仿真分析結(jié)果

3.2.1 系統(tǒng)所需的初始皮帶張力對比結(jié)果

評價附件驅(qū)動系統(tǒng)的振動水平是否可以接受，首先應該評價設(shè)置多大的初始張力時，系統(tǒng)可以正常地傳遞功率，系統(tǒng)打滑是否可以接受。在一個系統(tǒng)中，打滑比較嚴重的往往是在曲軸帶輪上。通過對該系統(tǒng)曲軸帶輪上的打滑進行對比分析發(fā)現(xiàn)（見圖4），應用OAD帶輪時系統(tǒng)所需的初始張力僅為300 N，而應用普通發(fā)電機帶輪時系統(tǒng)所需的初始張力將為450 N。顯然，應用OAD后，系統(tǒng)初始張力能設(shè)置得更低，發(fā)動機運行后，系統(tǒng)內(nèi)各處的受力就會更低。

表1 系統(tǒng)布置參數(shù)表

3.2.2 系統(tǒng)動態(tài)受力對比分析結(jié)果

評價附件驅(qū)動系統(tǒng)的振動水平是否可以接受，還需要評價系統(tǒng)振動是否會導致很高的受力，包括緊邊皮帶張力和系統(tǒng)內(nèi)軸承徑向載荷，從而能評價出皮帶、軸承及附件支架是否能達到預期的壽命，是否存在安全隱患。

圖4 曲軸帶輪打滑分析

圖5為系統(tǒng)中最緊邊皮帶（即曲軸-空調(diào)段皮帶）的動態(tài)張力分析結(jié)果?？梢钥闯?，在安裝普通發(fā)電機皮帶輪狀態(tài)下，最高動態(tài)皮帶張力超過2 000 N，這可能會扯斷皮帶；而在安裝OAD狀態(tài)下，最高張力約1 500 N。顯然，安裝OAD后，系統(tǒng)的最大動態(tài)張力明顯降低，皮帶壽命有了很大的延長。

圖5 曲軸-空調(diào)皮帶的動態(tài)張力

圖6為系統(tǒng)中的惰輪動態(tài)徑向載荷對比分析結(jié)果?？梢钥闯?，安裝OAD后，軸承的動態(tài)徑向載荷和平均徑向載荷都比安裝普通發(fā)電機皮帶輪時要??；從而系統(tǒng)中的其它附件及附件支架上的載荷也會相應減少，軸承、附件支架等的壽命都會相應地得到提高。

圖6 惰輪動態(tài)徑向載荷

圖7為系統(tǒng)中的張緊輪擺臂幅度對比分析結(jié)果?？梢钥闯?，安裝OAD后，張緊輪幾乎不擺動，張緊輪的壽命將會大大提高；而對安裝普通發(fā)電機帶輪的輪系進行分析，張緊輪在低速階段擺動幅度非常大，超過了3°以上，將大大降低張緊輪的壽命。

4 總結(jié)

通過對該柴油機前端附件驅(qū)動系統(tǒng)進行動態(tài)模擬仿真對比分析發(fā)現(xiàn)：不帶OAD系統(tǒng)的分析結(jié)果存在極大的風險，從動態(tài)張力曲線上也可以明顯看到不帶OAD的系統(tǒng)在低速段振動非常明顯；而安裝OAD后，可以使系統(tǒng)避開共振，系統(tǒng)運行非常平穩(wěn)。這也體現(xiàn)在系統(tǒng)對初始張力需求的差別、最高張力的差別以及動態(tài)張力振幅上的差別。

圖7 張緊輪擺臂幅度

不帶OAD所帶來的高動態(tài)張力，很可能導致零部件（包括張緊輪、皮帶、附件軸承、附件支架等）的早期失效；高的動態(tài)張力也會引發(fā)NVH和整車舒適性問題，對整車產(chǎn)生負面影響。而OAD所帶來的低張力，使惰輪的設(shè)計可以采用更小的軸承，降低了惰輪的成本；OAD可以使附件軸承、支架、張緊輪及皮帶壽命得到提高；OAD還可以降低油耗，降低對支架和附件的要求。

通過以上的對比分析，本系統(tǒng)最終采用了帶OAD的減振措施來對該前端附件驅(qū)動系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，提高了系統(tǒng)的性能。

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Optimum Design of Diesel Engine Front End Accessory Drive System

Yue Xiaoping1,2
（1.Shanghai Diesel Engine CO.,LTD.,Shanghai 200438；2.Tongji University,Shanghai 200092）

The structure and function of OAD was introduced based on the development of some engine front end accessory trive system(FEAD),A dynamic simulation of the engine FEDA was made to compare the OAD pulley with a generally pulley.Eventually,OAD pulley was adopted for the engine to optimize the design of the FEAD,thereby improving the performance of the system..

front end accessory,drive system,OAD,dynamic simulation

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.03.005

來稿日期：2012-06-11

岳小平（1975-），女，工程師，主要研究方向為發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計。