黃仕陽

（廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，廈門 361023）

客車空調(diào)壓縮機(jī)多楔輪系的布置及傳動(dòng)計(jì)算

黃仕陽

（廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，廈門 361023）

介紹空調(diào)壓縮機(jī)多楔輪系布置結(jié)構(gòu)及其優(yōu)點(diǎn)，以實(shí)例論述多楔帶計(jì)算過程及計(jì)算方法。

空調(diào)壓縮機(jī)；多楔輪系；傳動(dòng)計(jì)算

1 概述

目前，國(guó)內(nèi)客車空調(diào)壓縮機(jī)一般是固定安裝在客車底盤的車架上，用V型帶與發(fā)動(dòng)機(jī)相連實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。因此，不可避免會(huì)出現(xiàn)如下幾個(gè)問題：結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，成本高；V型帶傳動(dòng)平順性不太理想，傳動(dòng)噪聲大，且容易發(fā)生振動(dòng)、翻帶；驅(qū)動(dòng)皮帶的拉力影響動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)，影響其隔振效果；皮帶需要定期張緊維護(hù)。由于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的這些缺點(diǎn)，這里探討一種新結(jié)構(gòu)并引用實(shí)例介紹傳動(dòng)計(jì)算方法。新結(jié)構(gòu)把空調(diào)壓縮機(jī)集成、固定在發(fā)動(dòng)機(jī)上，采用多楔帶傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化NVH特性；提高皮帶傳動(dòng)平順性，提高效率；防止翻帶，提高皮帶可靠性和使用壽命[1]；結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)省空間；提高裝配及生產(chǎn)效率；減少零件數(shù)量，降低成本及性能優(yōu)化。

新結(jié)構(gòu)如圖1所示?？照{(diào)壓縮機(jī)5通過壓縮機(jī)支架6與發(fā)動(dòng)機(jī)1剛性連接，消除驅(qū)動(dòng)皮帶拉力對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置軟墊的影響；壓縮機(jī)支架6下方安裝發(fā)動(dòng)機(jī)懸置軟墊8，利用懸置軟墊實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)壓縮機(jī)的隔振。驅(qū)動(dòng)皮帶3采用多楔帶代替目前的V型帶，并用自動(dòng)張緊器張緊在驅(qū)動(dòng)皮帶松邊[2]，驅(qū)動(dòng)皮帶的緊邊用惰輪壓緊并限制驅(qū)動(dòng)皮帶的抖動(dòng)，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)平順，降低噪聲、振動(dòng)，提高皮帶壽命。

2 空調(diào)壓縮機(jī)多楔輪系設(shè)計(jì)計(jì)算

某車型的空調(diào)壓縮機(jī)多楔輪系結(jié)構(gòu)如圖2所示。發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸皮帶輪隨發(fā)動(dòng)機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。由于曲軸皮帶輪與空調(diào)壓縮機(jī)的跨距較大，因此，在皮帶緊邊增加一個(gè)惰輪限制皮帶的抖動(dòng)。自動(dòng)張緊器布置在皮帶的松邊，張緊器安裝角度為張緊器搖臂與水平方向的夾角。該布置實(shí)現(xiàn)曲軸皮帶輪和空調(diào)壓縮機(jī)較大的皮帶包角[3-5]。

該車型的空調(diào)壓縮機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的傳動(dòng)比為1∶3，因此，可以根據(jù)空調(diào)壓縮機(jī)的功率特性得到空調(diào)壓縮機(jī)隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的輸入功率曲線，如圖3所示。

2.1 空調(diào)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)力計(jì)算

式中：V為多楔帶線速度，m/s；D為曲軸皮帶輪有效直徑，m；n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

式中：F為壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)力，N；Tt為皮帶緊邊拉力，N；Ts為皮帶松邊拉力，N；P為空調(diào)壓縮機(jī)的功率，W；V為多楔帶線速度，m/s。

由式（2）可求得壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)力隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的曲線圖3。

2.2 皮帶預(yù)緊張力計(jì)算

皮帶預(yù)緊張力的大小依賴驅(qū)動(dòng)功率以及皮帶包角的大小，以保證輪系正常工作不打滑為基本原則。預(yù)緊張力是由張緊器的扭矩來提供，張緊器的角變形產(chǎn)生一定的扭矩，進(jìn)而提供給皮帶產(chǎn)生張力[6-7]。本車型選擇的張緊器的隨角變形變化的扭矩曲線如圖4所示，其中上線為張緊器扭矩隨角變形增大而增大的曲線，下線為張緊器回位時(shí)的曲線。上線與下線之間形成的差值為張緊器的阻尼。張緊器阻尼在這里很有用處，因?yàn)樽枘峥梢晕瞻l(fā)動(dòng)機(jī)瞬間扭振，保證系統(tǒng)不打滑。上線與下線的平均值為張緊器平均扭矩。圖4所示的張緊器工作的角變形范圍為5°～50°，平均扭矩為17～28 N·m。

本張緊器的扭矩方向?yàn)轫槙r(shí)針張緊，因此，可設(shè)定張緊器角變形5°～50°對(duì)應(yīng)的張緊器安裝角度為125°～170°。根據(jù)張緊器的扭矩曲線，利用幾何關(guān)系就可以用MATLAB編程算出不同角變形下的皮帶預(yù)緊張力的大小。圖5為本車型的計(jì)算結(jié)果。

2.3 皮帶長(zhǎng)度計(jì)算

1）汽車多楔帶介紹[6-8]。汽車多楔帶一般采用PK型號(hào)。其結(jié)構(gòu)由帶背織物、抗拉體、粘合膠、楔膠組成。帶背織物作用是保護(hù)抗拉體、承受張緊輪摩擦?？估w承擔(dān)帶的主要拉力。楔膠由耐寒、耐熱的橡膠組成，作用是傳遞摩擦力，承受橫向拉力。如圖6所示，多楔帶上有數(shù)個(gè)齒峰，齒峰個(gè)數(shù)代表楔數(shù)。楔數(shù)的多少可以根據(jù)實(shí)際情況合理選擇，汽車上用的多楔帶一般不用超過10楔。多楔帶與V型帶相比有傳動(dòng)平順、噪聲低、振動(dòng)低、可驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載、大彎曲等優(yōu)點(diǎn)[9-10]。

帶的有效長(zhǎng)度是將帶安裝在圖7的測(cè)量裝置上進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量時(shí)在測(cè)量輪（圖7右邊的帶輪）上施加每楔100 N的F力，然后測(cè)量?jī)蓭л喌闹行木郋，并用式（3）標(biāo)稱出多楔帶的有效長(zhǎng)度Le。該長(zhǎng)度與楔數(shù)一同標(biāo)記在出廠的皮帶上，如10PK1850，10表示10楔，PK表示齒型，1850表示長(zhǎng)度（mm）。

式中：Le為帶的標(biāo)稱有效長(zhǎng)度；Emax為帶輪中心距最大值；Emin為帶輪中心距最小值；Ue為測(cè)量帶輪的有效圓周長(zhǎng)。

2）實(shí)際輪系中皮帶長(zhǎng)度計(jì)算及選擇。由于帶在測(cè)量長(zhǎng)度時(shí)需施加拉力，并且?guī)г趯?shí)際安裝時(shí)受到預(yù)緊拉力，因此，實(shí)際輪系系統(tǒng)中，皮帶最終長(zhǎng)度需要根據(jù)皮帶的彈性模量進(jìn)行計(jì)算。本車型選用皮帶的彈性模量60000 N/Rib（每楔皮帶伸長(zhǎng)100%時(shí)所受的力），利用幾何關(guān)系就可以用MATLAB編寫程序算出實(shí)際輪系系統(tǒng)中皮帶有效長(zhǎng)度與張緊器位置關(guān)系的曲線圖。圖8是本車型的張緊器在不同的角變形下對(duì)應(yīng)皮帶有效長(zhǎng)度的曲線圖。

張緊器安裝角度155°的位置對(duì)應(yīng)張緊器角變形35°作為張緊器的名義位置。因此，對(duì)應(yīng)皮帶名義長(zhǎng)度可以選取1840 mm±5 mm。皮帶在使用過程中可能伸長(zhǎng)1%，由圖8可以看出，皮帶伸長(zhǎng)1%加上皮帶公差，皮帶長(zhǎng)度可能在1835～1863 mm之間，也處在張緊器的工作范圍之內(nèi)。

2.4 輪系動(dòng)態(tài)校核

1）皮帶緊邊張力計(jì)算。皮帶松邊張力Ts＝皮帶預(yù)緊張力，因此，皮帶的緊邊張力Tt根據(jù)公式（2）計(jì)算得出。圖9為利用MATLAB計(jì)算本車型的皮帶緊邊張力在發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下隨角變形的曲線圖。

可見皮帶可能的最大拉力為1300 N。

式中：S為皮帶打滑系數(shù)；μ為皮帶摩擦系數(shù)；α為皮帶包角。

本車型用MATLAB計(jì)算皮帶在不同的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，不同的張緊器角變形的打滑系數(shù)如圖10所示。

從圖10中可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)800～2200 r/min的工作轉(zhuǎn)速，在張緊器角變形的范圍內(nèi)，打滑系數(shù)都滿足大于1的條件。

2.5 皮帶壽命估算

由于多楔帶為橡膠材料，不僅承受循環(huán)變化的負(fù)荷作用，還受環(huán)境溫度、輪系對(duì)齊度等諸多因素的影響，因此,很難找到一個(gè)準(zhǔn)確的計(jì)算公式，一般采用經(jīng)驗(yàn)公式估算。這里采用蓋茨公司的估算公式[1，4]。

對(duì)于內(nèi)側(cè)輪：

對(duì)于背部輪：

式中：FR為疲勞率；tt為每楔緊邊張力，N；PD為皮帶輪的節(jié)圓直徑（取輪系系統(tǒng)中最小的節(jié)圓直徑的帶輪進(jìn)行計(jì)算），mm；V為帶速，m/s。

式中：CP為皮帶壽命，h；EL為皮帶長(zhǎng)度，mm。

本車型采用10PK的皮帶，PD取輪系中最小的節(jié)圓直徑，其壽命MATLAB計(jì)算結(jié)果如圖11所示。

從圖11可以看出，張緊器的角變形越大，皮帶壽命越短；張緊器名義位置在35°時(shí)，在不同的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，皮帶的壽命在2000～15000h之間。結(jié)合該車70%時(shí)間以80～100km/h的車速運(yùn)行在高速路上的情況，可以估算出皮帶運(yùn)行整車公里數(shù)大概在400000～600000km。

3 結(jié)束語

汽車多楔帶的應(yīng)用在轎車上已經(jīng)非常普遍。目前客車上應(yīng)用比較多的是發(fā)電機(jī)；而客車空調(diào)壓縮機(jī)采用多楔帶的設(shè)計(jì)國(guó)內(nèi)還比較少。由于空調(diào)體積較大，振動(dòng)厲害等條件決定了該結(jié)構(gòu)布置存在一定的困難。本文介紹的例子采用MATLAB仿真計(jì)算多楔帶的張力、長(zhǎng)度、打滑系數(shù)以及壽命估算等，在設(shè)計(jì)中非常實(shí)用。

[1]劉文海，范志先.發(fā)動(dòng)機(jī)帶傳動(dòng)中皮帶壽命提高方法研究[J].客車技術(shù)與研究，2009，33（3）：14-16.

[2]呂兆平.多楔帶輪系設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2008，（18）

[3]李豐軍,劉長(zhǎng)波.CA6110系列發(fā)動(dòng)機(jī)前端多楔帶附件傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].汽車計(jì)算，2002,（11）

[4]王彬.CA488 型發(fā)動(dòng)機(jī)多楔帶輪系的開發(fā)[J].汽車技術(shù)，1996，（5）

[5]俞培泳，張敏.TJ376QE發(fā)動(dòng)機(jī)多楔帶輪系的開發(fā)[J].汽車技術(shù)，2004，（2）

[6]吳昕.多楔帶輪系的布置、計(jì)算和壽命分析[J].汽車技術(shù)，1997，（2）

[7]徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[K].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[8]吳貽珍.HNBR及其在汽車傳動(dòng)帶中的應(yīng)用[J].橡膠工業(yè)，2002，（4）

[9]黃靖.多楔帶及其生產(chǎn)工藝和設(shè)備[J].橡膠工業(yè)，2002，（2）

[10]GB 13552-2008,汽車多楔帶[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

修改稿日期：2012-05-20

Layout and Transmission Calculation of Bus/Coach Air Conditioner Compressor with Poly-rib Belt-wheel System

HUANGShi-yang
(Xiamen KingLongUnited Automotive IndustryCo.,Ltd,Xiamen 361023,China)

Theauthorintroducesthelayoutstructureoftheairconditionercompressorwithpoly-ribbelt-wheelsystem and its advantages.He presents the calculation process and calculation method taking an example of poly-rib belt-wheelsystem.

air conditioner compressor;poly-rib belt-wheel system;transmission calculation

U463.83+1

A

1006-3331（2012）04-0013-04

黃仕陽（1981-），男，發(fā)動(dòng)機(jī)工程師；研究方向：客車發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配及應(yīng)用。