【韓】 J.LEE S.OH K.S.JOO S.YI K-P.HA S.JOO

0 前言

為降低燃油耗及實現(xiàn)能源可持續(xù)利用,汽車制造商和各國政府已經(jīng)作出了相當大的努力。在燃油效率驗證過程中廣泛采用標準燃油效率試驗?zāi)Ｊ?這是因為燃油耗受到多種變量的影響,如試驗?zāi)Ｊ健h(huán)境溫度和駕駛條件等。盡管如此,不同標準模式和實際駕駛條件下的燃油耗數(shù)值差別巨大。如果不考慮為車廂提供適當溫度和電力需求而導致的附件系統(tǒng)損失,要滿足車輛在特定駕駛循環(huán)下的實際燃油經(jīng)濟性數(shù)值將極具挑戰(zhàn)性。該研究的目的是要定義前瑞附件傳動的損失并且設(shè)計一種改善的策略。

交流電機、空調(diào)壓縮機、液壓動力轉(zhuǎn)向泵和水泵等附件均由發(fā)動機扭矩通過多楔帶驅(qū)動。盡管使用空調(diào)系統(tǒng)會增大燃油耗(因為空調(diào)系統(tǒng)需要驅(qū)動力矩和電力的支持),但是在試驗標準中僅將其作為5循環(huán)修正系數(shù)。因此,研究改善前端附件傳動(FEAD)系統(tǒng)仍具有重要意義,對于空調(diào)壓縮機和交流發(fā)電機尤為如此。

目前,已經(jīng)有大量利用數(shù)學模型和試驗研究帶傳動系統(tǒng)的文獻[1-7]。例如,為了使FEAD系統(tǒng)的功率損失最小化,MACKAY[2]研究了一種能夠降低驅(qū)動力矩要求的方法,RODRIGUEZ等[3]開發(fā)了一種利用試驗數(shù)據(jù)計算帶張緊和傳動損失的數(shù)學模型。

本文綜合研究了FEAD系統(tǒng)在附件負荷作用下的驅(qū)動力矩,評價了能夠改善燃油經(jīng)濟性的測量結(jié)果。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

FEAD系統(tǒng)由多楔帶、惰輪、張緊輪和附件組成,其多楔帶彎曲、惰輪軸承滾動阻力和附件功率消耗等相關(guān)能耗情況如圖1所示。使FEAD系統(tǒng)產(chǎn)生的損失最小化是改善車輛燃油經(jīng)濟性的一種方法。在確定了各個組件的實際節(jié)油效果后,對每個組件進行了系統(tǒng)介紹。

1.1 多楔帶

多楔帶損失是分別由激勵頻率、滑動、彎曲、壓縮和張緊剪力導致的。該損失會因角速度、張緊力、皮帶寬度和厚度、塞繩剛度,以及傳動帶輪直徑的變化而有所不同。為了確定皮帶的影響,準備了多種具有不同厚度(4.0 mm、4.4 mm和4.8 mm)和材料(聚酯纖維和芳香尼龍纖維)的試驗樣本。芳香尼龍纖維塞繩的剛度是聚酯纖維塞繩的6倍,通常有助于減小皮帶振動。圖2為多楔帶組織結(jié)構(gòu)圖。

圖1 附件功率消耗結(jié)構(gòu)

圖2 多楔帶組織結(jié)構(gòu)

1.2 惰輪

惰輪滾動阻力受多種因素影響,如轉(zhuǎn)速、軸承設(shè)計、潤滑油屬性、浮動密封、運動半徑、溫度和輪轂負荷等。為使惰輪滾動阻力最小化,必須對每一種因素進行詳細研究。準備了多種具有不同軌道半徑和潤滑油量的試驗樣本。根據(jù)測得的數(shù)據(jù)獲得了各因素相對惰輪滾動阻力的占比,并利用測得的摩擦數(shù)據(jù)集對力矩進行了標定,這些數(shù)據(jù)集是從每根軸承的拆解試驗中收集的。在所有測試的變量中,密封摩擦的數(shù)值最高(圖3)。

圖3 室溫條件下惰輪力矩貢獻率

1.3張緊系統(tǒng)

張緊系統(tǒng)是影響動力性的主要因素,通過附件的有功波動確定其影響。該系統(tǒng)會產(chǎn)生能夠保持FEAD系統(tǒng)穩(wěn)定性的阻尼和彈簧彈力,還會通過皮帶張緊影響附件損失、惰輪軸承損失、皮帶抖動損失、彈性滑動損失和系統(tǒng)損失。

1.4 交流電機

交流電機具有高轉(zhuǎn)速特性和慣性,是FEAD系統(tǒng)中最大的加速器。帶傳動系統(tǒng)的張緊系統(tǒng)主要受諸如驅(qū)動力矩和轉(zhuǎn)動慣量等交流電機參數(shù)的影響。為了減小系統(tǒng)的張緊力,交流電機應(yīng)具有低慣性力和低驅(qū)動力,可通過內(nèi)部設(shè)計改善得以實現(xiàn)。如果新設(shè)計可使交流電機在保持同等性能水平的條件下減小轉(zhuǎn)動慣量,這將是通過減小系統(tǒng)張緊力實現(xiàn)驅(qū)動力矩減小和功率產(chǎn)生效率改善的重大突破。

交流電機損失主要由受轉(zhuǎn)速、發(fā)電負荷、飽和度和環(huán)境溫度影響的機械阻抗、磁阻和電阻組成。此外,阻抗數(shù)值因產(chǎn)生電量的不同而有所差異。利用一種可調(diào)整環(huán)境溫度和發(fā)電負荷的專門設(shè)計的儀器測量驅(qū)動力(圖4)。德國汽車工業(yè)聯(lián)合會(VDA)效率(ISO 8854)也利用該儀器測量得出。

圖4 附件測量裝置

1.5 空調(diào)壓縮機

近年來,空調(diào)壓縮機已經(jīng)成為保持車廂溫度和玻璃除霧不可或缺的設(shè)備。盡管空調(diào)壓縮機導致的損失在FEAD系統(tǒng)中占比最大,但由于其并未在標準試驗?zāi)Ｊ街械靡钥紤],因此在主要的結(jié)構(gòu)改進中并不包括空調(diào)壓縮機。盡管如此,在未來的實際駕駛排放(RDE)試驗中還將使用空調(diào),將根據(jù)實際道路的CO2排放量評價空調(diào)壓縮機。專門設(shè)計了一種能夠調(diào)節(jié)致冷劑溫度和壓力的裝置,利用其測量傳動損失量(圖4)。

1.6 系統(tǒng)布置

由圖5所示,可通過移除2個惰輪并將多楔帶變成折疊布置從而測量驅(qū)動力矩的變化量。長度縮短量和包角縮小量的減小會減少能量損失,從而減小驅(qū)動力矩,改善燃油效率。

圖5 帶傳動系統(tǒng)布置

2 測量FEAD系統(tǒng)的功率消耗

為了找出能夠減小驅(qū)動力矩的可用技術(shù),該研究設(shè)計了一種能夠測量功率消耗的專用面板。實車條件下的驅(qū)動力矩可利用1個支架將系統(tǒng)直接連接到測功機上進行測量(圖4)。實際上,在利用測功機驅(qū)動電機的過程中,匹配車輛的實際驅(qū)動力矩是很困難的。但是,該研究專門設(shè)計了一種可與實車進行良好關(guān)聯(lián)的裝置。為了改善附件相關(guān)技術(shù),利用圖4中所示的裝置對附件的驅(qū)動力矩數(shù)據(jù)進行了測量。

然后,將專用設(shè)備添加到測量裝置中,用于觀察FEAD系統(tǒng)的功能及測量驅(qū)動力矩(圖6)。對各種能夠提高燃油效率的零部件進行檢驗后,準備好所選的零部件,利用專用設(shè)備對其進行測量。通過在測量裝置中安裝1個扭矩脈沖模擬器(TPS)電機復(fù)制了實車起動振動,為了確保一致性,通過控制程序?qū)y得的結(jié)果用作輸入數(shù)據(jù)。為了測量驅(qū)動力矩,將扭矩計安裝在電機的軸位置上(圖6)。

圖6 附件帶傳動系統(tǒng)測量裝置

2.1 試驗臺和實車功能測試

為了確定所準備零部件是否可行,必須滿足FEAD系統(tǒng)的基本需求,例如懸跨振動、張緊器運動、濕滑噪聲和黏滑噪聲等。在評價完車輛條件后,將配備了相同結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的面板進行實車試驗,利用專門設(shè)備TPS進行了具體測量。利用通常被稱為“功能試驗面板”的專門設(shè)計支架對該2.0 L柴油機結(jié)構(gòu)進行了模擬和測量(圖6)。應(yīng)用所準備零部件利用TPS電機進行了功能測試。

為評價通過減少FEAD系統(tǒng)損失對減小皮帶剛度的影響,準備了具有2種不同塞繩結(jié)構(gòu)的皮帶。進行了皮帶初始評價以確保滿足其基本功能需求。

對FEAD系統(tǒng)施加最高激勵力的組件是交流電機。如果可以保持低轉(zhuǎn)子慣性,同時維持交流電機的性能,將有助于減小系統(tǒng)張緊力和驅(qū)動力矩。設(shè)計和制造了具有同等性能且低慣性的交流電機,然后評價了皮帶張緊力的減小極限。

在應(yīng)用低慣性交流發(fā)電機時,為保持所開發(fā)系統(tǒng)的動力性,對采用的逐步自適應(yīng)張緊器進行了評價。實施了功能和動態(tài)試驗以確定安裝張緊力的極限。試驗結(jié)果表明,能夠滿足皮帶系統(tǒng)最重要的功能,例如,皮帶滑移率、自動張緊器運動、皮帶懸跨振動、噪聲和惰輪輪轂負荷等,所采用的裝置見圖6。

表1總結(jié)了2.0 L柴油機FEAD系統(tǒng)利用專門設(shè)計裝置獲得的功能試驗結(jié)果。張緊力的最低限值能夠滿足皮帶系統(tǒng)的基本需求,且僅通過將皮帶塞繩的材料由聚酯換成芳香尼龍纖維,就使穩(wěn)定動力性所需的張緊力減小6 N。在不存在其他限制的情況下,僅通過改善交流電機的轉(zhuǎn)動慣量就可使皮帶安裝張緊力減小40 N。

表1 替代零部件的功能模擬試驗結(jié)果(采用基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)布置)

進行了車輛功能評價,采用專門設(shè)計的裝置獲得的模擬試驗結(jié)果可應(yīng)用到實車上。表2總結(jié)了利用實車試驗獲得的2.0 L柴油機FEAD系統(tǒng)的功能試驗結(jié)果。結(jié)果表明,滑移率略微增大,甚至在最小張緊力減小30 N的情況下,由于懸跨振動與評價標準類似,低慣性交流電機的安裝張緊力比傳統(tǒng)交流電機減小40 N。

3 驅(qū)動力矩測量

在無交流電機和空調(diào)壓縮機負荷的條件下,根據(jù)皮帶安裝張緊力評價驅(qū)動力矩。圖7為采用改良技術(shù)前穩(wěn)態(tài)條件下針對4種安裝張緊力值(從最低張緊力200 N到320 N的發(fā)動機安裝張緊力)測得的驅(qū)動力矩。但是,這種改善帶來的優(yōu)勢越來越小,因為當變化低于230 N時,通過進一步減小靜態(tài)張緊力獲得的額外改善效果要小得多。要簡化設(shè)計結(jié)構(gòu)需要對傳動損失減少量進行預(yù)先研究。構(gòu)建了實際應(yīng)用的兩級皮帶傳動結(jié)構(gòu),并且采用與簡化前相同的張緊力在無負荷條件下對其進行了評價(圖8)。結(jié)構(gòu)簡化后,驅(qū)動力矩得以極大減小。

表2 實車替代零部件的功能模擬試驗結(jié)果(采用基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)布置)

圖7 不同系統(tǒng)張緊力下的驅(qū)動力矩(當前結(jié)構(gòu))

圖8 當前結(jié)構(gòu)與簡化結(jié)構(gòu)的驅(qū)動力矩比較

考慮到遞減效應(yīng),皮帶結(jié)構(gòu)是改善燃油效率最重要的因素。但是,在提升效率的同時必須考慮技術(shù)開發(fā)的相關(guān)成本。

當利用2種不同的皮帶塞繩材料和3種皮帶厚度對傳動損失進行評價時,所獲得的結(jié)果(圖9和圖10)與預(yù)期的一樣,傳動損失減少量隨皮帶剛度和厚度的減小而減小。此外,針對不同的轉(zhuǎn)速還存在敏感度差異,尤其是皮帶厚度越薄,高轉(zhuǎn)速區(qū)域的效率越高。

通過增大運動軌道半徑及使?jié)櫥土孔钚』?對電阻小于傳統(tǒng)惰輪的零部件進行了評價。由于與其他皮帶傳動系統(tǒng)零部件相比,其改善量很小,并且考慮到開發(fā)階段的低電阻特性,因此認為無需對惰輪進行額外的評價或改善。惰輪的規(guī)格很重要,但其并不是減少皮帶傳動系統(tǒng)總損失需要考慮的主要因素。

圖9 驅(qū)動力矩比較(皮帶塞繩材料)

圖10 驅(qū)動力矩比較(皮帶厚度)

4 附件驅(qū)動力矩測量

參照目前每種在產(chǎn)類型部件的國際標準,對諸如交流電機和空調(diào)壓縮機等主要附件的傳動損失進行了測量,并利用專門設(shè)計的設(shè)備對實車條件進行了模擬。由于運行過程中多種物理現(xiàn)象的復(fù)雜性,很難在模擬條件下定量測量附件的驅(qū)動力矩。細致分析了實車內(nèi)產(chǎn)生的附件負荷條件,并通過盡可能精確地模擬對2種附件的傳動損失進行了測量。通過咨詢零部件制造商,并參照SAE和ISO等國際標準,對測量方法和條件進行了標準化處理。利用這些測得的數(shù)據(jù),預(yù)測了整個系統(tǒng)的傳動損失。

圖11為通過測量同一供應(yīng)商提供的旋轉(zhuǎn)斜盤變排量空調(diào)壓縮機的驅(qū)動力矩得到的進氣和排氣壓力與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖。傳動損失的敏感度會因轉(zhuǎn)速以及焓熵圖上致冷劑進排氣時刻的壓力和溫度而有所不同。

圖11 空調(diào)壓縮機驅(qū)動力矩特性圖

對數(shù)據(jù)的進一步檢驗結(jié)果表明,空調(diào)壓縮機在低轉(zhuǎn)速區(qū)域的傳動損失極高,足以抵消發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速區(qū)域產(chǎn)生的扭矩。為補償?shù)娃D(zhuǎn)速區(qū)域的這種傳動損失,必須對發(fā)動機進行更加嚴格的燃油消耗控制。盡管旋轉(zhuǎn)斜盤變排量壓縮機針對減少燃油耗進行了結(jié)構(gòu)改造,但由于旋轉(zhuǎn)斜盤的調(diào)整反應(yīng)速度太慢,導致大壓縮行程容積產(chǎn)生的能量損失太多。未來排氣評價試驗(RDE試驗)將包含空調(diào)壓縮機損失。因此,減少空調(diào)壓縮機損失尤為重要,還需要針對這方面進行更多的研究。

空調(diào)壓縮機的主要損失包括壓縮功導致的泵氣損失、每個機械零部件導致的摩擦損失和離合器電能損失?？照{(diào)系統(tǒng)與冷凝器、氣化器、干燥器和室內(nèi)隔熱條件密切相關(guān)。因此,在考慮實車駕駛模式的條件下必須對這些損失中的每一種進行系統(tǒng)評價。

針對每一種環(huán)境溫度的交流電機效率和驅(qū)動力矩特性圖(圖12)表明,最低效率區(qū)域出現(xiàn)在以下2種情況：電流不高于15 A的低轉(zhuǎn)速、低負荷區(qū)域;電流不低于100 A的低轉(zhuǎn)速、高負荷區(qū)域。如果交流電機的轉(zhuǎn)速由發(fā)動機轉(zhuǎn)速決定,必須通過使用特性圖確定每種轉(zhuǎn)速下的最有效發(fā)電負荷,然后沿最佳效率曲線建立發(fā)電策略。

如圖12所示,由于交流電機的傳動損失會因溫度發(fā)生很大變化,因此應(yīng)將外部溫度考慮在內(nèi)。盡管如此,由于通常采用的國際測量標準ISO 8854僅測量23°C時的數(shù)據(jù),因此根據(jù)制造商提供的數(shù)據(jù)很難單獨確定交流電機的實際傳動損失。此外,還發(fā)現(xiàn)由國際標準確定飽和度的測量方法也與實際條件不兼容。在實車條件下,交流發(fā)電機無法縮短發(fā)電時間,直至其達到飽和平衡狀態(tài)。與空調(diào)壓縮機不同,無論交流電機的比容有多大,根據(jù)實際負荷,交流電機之間的傳動損失差別很大。試驗結(jié)果表明,隨容量的增大,轉(zhuǎn)子的尺寸通常也增大,導致轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)所需的機械損失略有增加。

圖12 交流電機效率和驅(qū)動力矩特性圖

成功完成FEAD系統(tǒng)零部件測量后,帶傳動系統(tǒng)改善實車燃油經(jīng)濟性的潛力很大。圖13所示為未考慮附件負荷條件下的平均摩擦壓力(FMEP)穩(wěn)態(tài)分布。但是,當考慮負荷重新計算損失分布時,FMEP分布變成如圖14所示的狀態(tài)。如果測得的2種附件的傳動力矩用FMEP表示,數(shù)值要大于發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速下的總摩擦損失。正如預(yù)測所示,這將成為發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速區(qū)域驅(qū)動的沉重負擔。

圖13 2.0 L柴油機FMEP分布測量結(jié)果(未考慮附件負荷)

5 FEAD系統(tǒng)對燃油耗的影響

表3所示為盡可能多地系統(tǒng)研究所有方面得到的FEAD系統(tǒng)驅(qū)動力矩改善潛力。傳動損失的改善量會因發(fā)動機條件和FEAD系統(tǒng)布置而有所不同。但是,結(jié)果明顯表明,無論在何種條件下,通過改善FEAD系統(tǒng),實車的燃油經(jīng)濟性改善量超過5%。因此,需要進一步研究在FEAD系統(tǒng)中產(chǎn)生最大量損失的交流電機和空調(diào)壓縮機。

圖14 2.0 L柴油機FMEP分布測量結(jié)果(考慮附件負荷)

表3 每種FEAD零部件的驅(qū)動力矩改善潛力

為了定量確定FEAD系統(tǒng)驅(qū)動力矩對實際燃油經(jīng)濟性的改善量,在驅(qū)動皮帶輪上安裝了1個力矩測量裝置(圖15),然后測量了燃油耗。該研究安裝了1個由HA等人[8]先前開發(fā)的專用力矩測量裝置,將其安裝在驅(qū)動皮帶輪上。在FTP工況和高速駕駛模式下對實車進行了評價。

圖15 實車扭矩計測量機理

在所有駕駛模式下測量了驅(qū)動力矩改善前后的平均差值。對于測量中采用的車輛,力矩平均改善量為1 N·m,相應(yīng)的實車燃油效率改善超過1%。

6 結(jié)論

皮帶剛度和厚度會影響FEAD系統(tǒng)的傳動損失。交流電機的轉(zhuǎn)動慣量會影響系統(tǒng)的安裝張緊力,交流電機的效率和轉(zhuǎn)動慣量會極大影響系統(tǒng)的傳動損失。FEAD系統(tǒng)的驅(qū)動力矩受到安裝張緊力的極大影響。對于較低的皮帶張緊力,隨皮帶張緊力的進一步減小,額外改善量要小得多。為減少傳動損失,FEAD系統(tǒng)最重要的考慮是系統(tǒng)布置對燃油經(jīng)濟性的影響。

在實車條件下對諸如交流電機和空調(diào)壓縮機等具有極高驅(qū)動力矩損失的零部件進行了定量測量,在低轉(zhuǎn)速區(qū)域測得的數(shù)值高于發(fā)動機摩擦力矩值。數(shù)據(jù)集將測得的數(shù)據(jù)用于計算總FEAD能量損失。由于FEAD系統(tǒng)得到改善,因此,通過系統(tǒng)優(yōu)化可使燃油經(jīng)濟性提高至少5%。利用車載扭矩計測量了實車的平均力矩減小量,結(jié)果表明,系統(tǒng)改善直接影響實車燃油耗。