賴星

摘 要：結(jié)合某款汽油發(fā)動機由管道噴射（PI）改造為缸內(nèi)直噴（DI）的開發(fā)，利用實驗與仿真相結(jié)合的方法，建立了FEAD系統(tǒng)的動力學(xué)模型，從皮帶張力、皮帶抖動、帶-輪滑輪率、張緊器擺角等方面，對比了改造前后的FEAD系統(tǒng)動態(tài)特性，驗證了直接改造方案的不足，并提出了增加OAD的方案。

關(guān)鍵詞：PI改DI;輔機皮帶系統(tǒng);動態(tài)特性

1 前言

汽車發(fā)動機前端附件驅(qū)動系統(tǒng)（Front End Accessory Drive系統(tǒng)，簡稱FEAD系統(tǒng)）是給發(fā)動機附件提供工作動力的一種帶傳動裝置，其動態(tài)特性直接影響附件的工作性能。FEAD系統(tǒng)的動態(tài)特性包括：皮帶的動態(tài)張力、皮帶的橫向抖動、帶-輪間的滑移、張緊臂的擺角等。當(dāng)FEAD系統(tǒng)工作時，系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的振動會加速皮帶的磨損并產(chǎn)生噪音，嚴重時會導(dǎo)致系統(tǒng)失效和損壞，甚至影響整機、整車的技術(shù)指標(biāo)。因此，F(xiàn)EAD系統(tǒng)動態(tài)特性的計算分析是發(fā)動機設(shè)計和開發(fā)時需要重點考慮的課題。

某汽車發(fā)動機公司計劃對某款汽油管道噴射（PI）發(fā)動機進行優(yōu)化設(shè)計，改造為缸內(nèi)直噴（DI）發(fā)動機。為節(jié)約開發(fā)時間及零件模具成本，計劃最大程度保留原發(fā)動機的FEAD系統(tǒng)，但對原FEAD系統(tǒng)能否滿足改造后的動態(tài)特性要求，需重新檢討。本文即基于該款發(fā)動機的改造背景，通過試驗與仿真相結(jié)合的辦法，建立該FEAD系統(tǒng)的動力學(xué)模型，模擬在改造前和改造后的動態(tài)特性比較，驗證了直接改造方案的不足，并提出了增加OAD的優(yōu)化方案。

2 FEAD系統(tǒng)動力學(xué)模型建立

該款發(fā)動機的FEAD系統(tǒng)由五個帶輪和一根多楔帶組成。圖1為該FEAD系統(tǒng)的示意圖。

利用AVL EXCITE Timing Drive軟件，通過各帶輪布置、皮帶特性等各項參數(shù)建立初始模型，帶輪的布置參數(shù)及皮帶的特性參數(shù)分別見表1及表2。

圖2為建立的FEAD動力學(xué)模型，使用臺架全負荷下測得的發(fā)動機轉(zhuǎn)速波動作為模型的激勵源，并對各輔機賦予實際的扭矩負載，進行模型的仿真計算。

模型的仿真結(jié)果受張緊器參數(shù)的影響很大，不同的張緊器參數(shù)，仿真的結(jié)果千差萬別，很難驗證仿真結(jié)果是否準(zhǔn)確。在無法準(zhǔn)確獲得張緊器參數(shù)的前提下，進行臺架測試結(jié)果的對比，是有效驗證仿真模型準(zhǔn)確與否的方法。

測試的方法是通過應(yīng)變片測試水泵殼體受力間接獲得水泵段的皮帶張力，通過激光位移傳感器測試皮帶壓縮機-曲軸段的抖動，圖3是測試的原理圖。

通過臺架測試獲得張力及抖動的真實結(jié)果，從而調(diào)整仿真模型的張緊器參數(shù)，修正仿真模型的計算結(jié)果與測試結(jié)果一致。圖4和圖5分別是仿真與測試的張力和抖動的結(jié)果對比，兩者相當(dāng)吻合，從而判斷模型與實際一致。

3 直接改造方案對比

從PI改造為DI后，為滿足動力性提升需求，發(fā)動機扭矩預(yù)計提高5%，同時由于整車舒適性提高需要更高的電流輸出及空調(diào)制冷能力，對發(fā)電機和空調(diào)壓縮機的驅(qū)動扭矩和轉(zhuǎn)動慣量都有增大。圖6和圖7分別是PI原機及DI改造方案的發(fā)動機扭矩和附件驅(qū)動扭矩，表3是附件轉(zhuǎn)動慣量的對比。

在動力學(xué)模型中分別輸入上述改造前后的發(fā)動機扭矩、附件驅(qū)動扭矩、附件轉(zhuǎn)動慣量，進行對比分析。對比的結(jié)果分別見圖8-圖11。

相比PI原機，DI改造后FEAD系統(tǒng)的張力、抖動及擺角等各方面的動態(tài)特性參數(shù)都在低速時明顯劣化，對FEAD系統(tǒng)的NVH性能及耐久性能都是非常不利，判斷直接改造方案不可行。

4 新方案提出

由于直接改造方案的弊端都是在于低速時各項動態(tài)特性劣化，而根據(jù)過往研究表明，在發(fā)電機帶輪增加OAD（發(fā)電機內(nèi)裝解藕器皮帶輪），可有效降低FEAD系統(tǒng)在低速下的張力波動及橫向抖動，可進行相關(guān)方面驗證。

5 結(jié)論

通過本次PI改DI對輔機皮帶系統(tǒng)動態(tài)特性影響的研究，獲得以下結(jié)論：

（1）明確了PI改DI后FEAD系統(tǒng)的皮帶張力、皮帶抖動、帶/輪滑移率、張緊器擺角等重要的動態(tài)特性都會增大，對FEAD系統(tǒng)的壽命及NVH都有不利影響;

（2）造成這種差異的主要原因是改造為DI后，發(fā)動機性能提升，導(dǎo)致作用至FEAD系統(tǒng)的交變扭矩變高;

（3）提出在不改動原FEAD系統(tǒng)布置的前提下，增加OAD方案的方向。