王德成，隋鵬超，曾 超，程 市，王俊然

（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 引言

柴油機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（Front End Accessory Drive System，F(xiàn)EADS）中，由多楔帶傳動(dòng)的附件增多，且用戶對(duì)整車(chē)舒適性的要求越來(lái)越高，使得發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)之初需提升速比或采用大功耗附件。單向離合器可降低附件不規(guī)則振動(dòng)［1］，本文從FEAD附件轉(zhuǎn)速波動(dòng)展開(kāi)，指出了對(duì)動(dòng)態(tài)性能影響較大的關(guān)鍵因素之一——等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并采用Simdrive仿真軟件對(duì)比分析了搭載剛輪、超越離合器（Overrunning Alternator Pulley，OAP）結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)在FEADS上的表現(xiàn)。

1 前端附件轉(zhuǎn)速波動(dòng)

1.1 轉(zhuǎn)速波動(dòng)的由來(lái)

四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，曲軸每轉(zhuǎn)2周，激勵(lì)力矩變化1次，導(dǎo)致曲軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率是曲軸轉(zhuǎn)頻的一半［2］。某直列六缸發(fā)動(dòng)機(jī)，角位移及相位角可由式（1）得出：

其中：n0為基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速；j為階數(shù)，j＝0.5，1，1.5，…；Aj為第j階角位移幅值；t為時(shí)間；φj為第j階相位角。

1.2 轉(zhuǎn)速波動(dòng)對(duì)FEADS的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)突加速時(shí)，為維持帶傳動(dòng)系統(tǒng)所需張力，自動(dòng)張緊器擺動(dòng)以增大相鄰帶輪的包角；發(fā)動(dòng)機(jī)突減速時(shí)，裝有剛輪的附件短時(shí)間內(nèi)保持原有運(yùn)動(dòng)，緊邊被“放松”，松邊被“拉緊”，導(dǎo)致帶段皮帶跳動(dòng)增大、自動(dòng)張緊器向安裝位置方向擺動(dòng)。長(zhǎng)此以往，會(huì)導(dǎo)致帶與帶輪拍擊、自動(dòng)張緊器阻尼磨損加劇，最終影響FEADS性能。附件輪上的轉(zhuǎn)矩變化如式（2）所示［3］：

其中：Ttq為附件輪轉(zhuǎn)矩；Iacc為附件轉(zhuǎn)子部分的慣性矩；A為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速振幅；ωacc為附件輪角速度；ωcrk為曲軸輪角速度；i為速比。將附件轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與速比平方的乘積稱為附件等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，由此可知，附件輪的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩與附件等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量成正比。柴油機(jī)常見(jiàn)附件的最大等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如表1所示，附件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量包含同軸所有的轉(zhuǎn)動(dòng)部分。由表1可知：柴油機(jī)FEADS中，風(fēng)扇、發(fā)電機(jī)的最大等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，因此降低其影響是FEADS降低故障、延長(zhǎng)壽命的主要方向之一。

表1 附件的最大等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

2 附件帶輪與軸的轉(zhuǎn)速解耦

2.1 發(fā)電機(jī)加裝超越離合器

為減少發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速突變對(duì)輪系動(dòng)態(tài)性能的影響，通常在附件等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大的發(fā)電機(jī)輪中加裝OAP［4］，而風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由于阻力較大，不采用此結(jié)構(gòu)。因此，只考慮為發(fā)電機(jī)加裝OAP。

2.2 超越離合器（OAP）

OAP［5］主要由單向超越離合單元、皮帶輪、端蓋、軸承等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。單向離合單元［6］由中心樞軸、彈簧保持架、彈簧、離合滾針和外圈襯套等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。靜態(tài)時(shí)，離合滾針在彈簧彈力作用下，在中心樞軸斜面坡道中部，與外圈襯套、中心樞軸間形成正壓力，保持平衡。發(fā)動(dòng)機(jī)加速時(shí)，OAP外圈襯套對(duì)離合滾針產(chǎn)生同旋向的摩擦力，導(dǎo)致離合滾針產(chǎn)生向中心樞軸坡道頂端滾動(dòng)，進(jìn)而楔緊中心樞軸與外圈襯套，中心樞軸做加速運(yùn)動(dòng)，直至與外圈襯套同步。減速時(shí)，發(fā)電機(jī)帶輪和中心樞軸出現(xiàn)轉(zhuǎn)速差，離合滾針在反向摩擦力作用下沿坡道向下滾動(dòng)，中心樞軸與外圈襯套楔緊作用解除，離合滾針回壓彈簧，向中心樞軸斜度坡道底部滾動(dòng)，發(fā)電機(jī)帶輪與中心樞軸實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)脫離。

3 仿真方法驗(yàn)證

3.1 FEADS的幾何參數(shù)

針對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系進(jìn)行仿真研究。曲軸通過(guò)6PK多楔帶驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)、空調(diào)附件，依靠自動(dòng)張緊輪進(jìn)行自動(dòng)張緊，對(duì)比分析應(yīng)用剛輪與OAP的發(fā)電機(jī)對(duì)輪系動(dòng)態(tài)性能的影響，輪系幾何參數(shù)如表2所示。表2中各附件位置均為相對(duì)于曲軸坐標(biāo)的位置坐標(biāo)。

圖1 OAP結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 單向離合單元結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 曲軸系及附件計(jì)算參數(shù)

從仿真軟件Simdrive中提取該發(fā)動(dòng)機(jī)角振動(dòng)主激勵(lì)的曲軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)特性曲線，如圖3所示。

表2 FEADS幾何參數(shù)

該發(fā)動(dòng)機(jī)FEADS中，發(fā)電機(jī)、空調(diào)附件對(duì)應(yīng)不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的扭矩、功耗曲線如圖4所示。

FEADS采用自動(dòng)張緊器的性能特性曲線［7］，見(jiàn)圖5。

3.3 建立搭載有OAP的發(fā)電機(jī)模型

采用One-Way-Clutch模塊建模，初始運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳遞扭矩T與轉(zhuǎn)角差Δφ遵循的變化規(guī)律如式（3）所示：

其中：當(dāng)外圈襯套從初始位置轉(zhuǎn)過(guò)角度為Δφ1時(shí)，所能傳遞扭矩為T(mén)1；當(dāng)外圈襯套從初始位置轉(zhuǎn)過(guò)角度為Δφ2時(shí)，所能傳遞扭矩為T(mén)2；E為指數(shù)因子，其表達(dá)式為：

根據(jù)輪系中所采用OAP結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)置OAP的特性參數(shù)如表3所示。

圖3 曲軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)幅值特性曲線

圖4 附件扭矩／功耗特性曲線

圖5 自動(dòng)張緊器扭轉(zhuǎn)特性曲線

表3 OAP特性參數(shù)表

擬合得出OAP的扭矩—轉(zhuǎn)角性能曲線如圖6所示。

圖6 OAP扭矩—轉(zhuǎn)角性能曲線

從圖6可以看出：當(dāng)Δφ小于零時(shí)，為超越狀態(tài)，發(fā)電機(jī)軸轉(zhuǎn)速高于帶輪轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)超越帶輪速度運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)Δφ大于零時(shí)，為耦合狀態(tài)。

4 搭載OAP與剛輪的發(fā)電機(jī)對(duì)FEADS動(dòng)態(tài)性能的影響

為具體說(shuō)明發(fā)電機(jī)搭載剛輪與OAP帶輪，對(duì)FEADS動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的影響，仿真計(jì)算曲軸轉(zhuǎn)速為1 000r／min時(shí)，前端輪系動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的變化。

4.1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)比

此時(shí)，發(fā)電機(jī)理論轉(zhuǎn)速為2 690r／min，搭載剛輪與OAP帶輪，時(shí)域內(nèi)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)變化如圖7所示。

從圖7可以看出：搭載剛輪與搭載OAP結(jié)構(gòu)，均在基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速上上下波動(dòng)，但搭載剛輪的轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大，且因內(nèi)部彈簧元件的作用，轉(zhuǎn)速峰值出現(xiàn)微小漂移。

4.2 帶段張力對(duì)比

搭載剛輪與OAP帶輪，空調(diào)與發(fā)電機(jī)帶段間的皮帶張力變化如圖8所示。

由圖8可以看出：搭載剛輪的皮帶張力波動(dòng)較大，對(duì)輪系中皮帶壽命、張緊臂擺角會(huì)產(chǎn)生不利影響。

4.3 張緊臂擺角對(duì)比

搭載剛輪與OAP帶輪后，張緊臂擺角變化見(jiàn)圖9。

由圖9可以看出：搭載剛輪的張緊臂擺角波動(dòng)亦較大，影響張緊臂內(nèi)部阻尼元件的使用壽命，影響整車(chē)NVH性能。在某些張緊臂擺角較大的FEADS中，可以推廣應(yīng)用OAP結(jié)構(gòu)。

4.4 皮帶壽命對(duì)比

同樣，在發(fā)動(dòng)機(jī)900r／min、附件滿負(fù)載情況下，考慮應(yīng)用溫度占比統(tǒng)計(jì)如表4所示。參考文獻(xiàn)［8］計(jì)算方法，得出兩種結(jié)構(gòu)多楔帶使用壽命如表5所示。

由表5可看出：搭載剛輪導(dǎo)致的皮帶動(dòng)態(tài)張力較大，從而導(dǎo)致多楔帶壽命較搭載OAP結(jié)構(gòu)的低很多。

5 結(jié)語(yǔ)

在發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系中，相比傳統(tǒng)剛輪而言，搭載有OAP的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，可明顯降低轉(zhuǎn)速波動(dòng)，進(jìn)而降低多楔帶動(dòng)態(tài)張力，提升多楔帶的使用壽命，而且對(duì)帶傳動(dòng)中自動(dòng)張緊輪的擺幅亦有明顯的限制。隨著整機(jī)輕量化及排放升級(jí)的需求，采用OAP發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)不乏為較好的選擇。

圖7 時(shí)域內(nèi)轉(zhuǎn)速對(duì)比

圖8 帶段張力對(duì)比

圖9 張緊臂擺角對(duì)比

表4 應(yīng)用溫度占比統(tǒng)計(jì)

表5 兩結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)多楔帶壽命