陳強，丘勝強，羅海鵬，吳廣權(quán)，高博

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

面對越來越嚴峻的能源和環(huán)保壓力，以及越來越嚴苛的汽車油耗排放法規(guī)要求，越來越多的主機廠開始研究各種整車節(jié)油技術(shù)，48 V電氣系統(tǒng)便是其中一種研究應(yīng)用比較廣的技術(shù)。48 V電氣系統(tǒng)是通過在原有的12 V電氣系統(tǒng)上增加48 V電機以及與之相匹配的電氣系統(tǒng)，實現(xiàn)快速啟動、助力、能量回收及怠速停機等功能，以達到節(jié)油的效果。

根據(jù)48 V電機布置位置的不同，48 V系統(tǒng)可以分為5類：

(1)P0(也稱BSG(Belt Driven Starter and Generator)):48 V電機取代12 V電機，布置在發(fā)動機前端，通過皮帶與發(fā)動機連接；

(2)P1:48 V電機布置在發(fā)動機輸出端，離合器之前;

(3)P2:48 V電機布置在介于離合器和變速器之間;

(4)P3:48 V電機布置在變速器后端，與輸出軸直接連接;

(5)P4:48 V電機布置在前/后橋，單獨作為驅(qū)動模塊。

文中介紹的是48 V P0系統(tǒng)，在前端附件系統(tǒng)采用48 V BSG系統(tǒng)后，由于發(fā)動機驅(qū)動的附件負載增加，對發(fā)動機前端附件系統(tǒng)影響比較大，需要對設(shè)計的系統(tǒng)進行驗證。

文中以某4缸發(fā)動機為基礎(chǔ)，設(shè)計了一款48 V BSG附件系統(tǒng)方案，遵循靜態(tài)布置原則判別所設(shè)計的系統(tǒng)滿足布置要求，通過系統(tǒng)測試進行方案性能評估，并對方案存在問題進行分析及優(yōu)化,這對工程開發(fā)具有重要意義。

1 方案設(shè)計

如圖1所示為某款發(fā)動機48 V BSG前端附件系統(tǒng)布局圖，該48 V BSG附件系統(tǒng)主要由減震皮帶輪(TVD)、空調(diào)壓縮機、48 V發(fā)電機、雙向張緊器及皮帶組成。

圖1 48 V BSG前端附件系統(tǒng)布局

一般來說，要判斷附件系統(tǒng)方案的布置是否合理，可以從附件輪包角和帶段長度等靜態(tài)參數(shù)來判斷系統(tǒng)布置的合理性，表1為各附件輪包角結(jié)果。

由表1可知，帶輪包角基本上滿足設(shè)計參考值。

表1 各附件輪包角

表2為各帶段長度結(jié)果。

表2 各帶段長度

由表2可知，帶段長度基本上滿足設(shè)計參考值。

綜上，此系統(tǒng)空間布置比較緊湊，附件輪包角及帶段長度基本上均能滿足系統(tǒng)設(shè)計要求，所以48 V BSG系統(tǒng)布置上判斷是合理的。

2 TVD方案測試結(jié)果

該設(shè)計方案曲軸皮帶輪采用普通減震皮帶輪,附件系統(tǒng)初始設(shè)計張力為380 N。

通過Rotec測試設(shè)備對此附件系統(tǒng)進行整車系統(tǒng)測試，驗證所設(shè)計的BSG系統(tǒng)性能。

由于在發(fā)動機工作過程中，張緊臂擺動角度是附件系統(tǒng)性能最重要的衡量指標，張緊臂擺動幅度太大,會影響系統(tǒng)張力波動過大,系統(tǒng)容易引起異響發(fā)生，所以在測試驗證中重點關(guān)注張緊臂的擺動幅度指標。

如圖2所示為各模式(助力模式、發(fā)電模式、回收模式、48 V啟動、12 V啟動)張緊臂擺動量測試值。

圖2 各模式張緊臂擺動角度

由圖2可知，助力模式、48 V啟動、12 V啟動下張緊臂擺動角度均較大，尤其在車輛12 V起動機啟動工況更嚴重,左臂擺動角度達到30°,右臂擺動角度達到50°。在該模式啟動時，出現(xiàn)明顯的異響，如圖3所示為12 V啟動異響聲壓級曲線，聲壓級最大值為93.3 dB。

從圖2和圖3可以看出，異響發(fā)生時刻是在左、右側(cè)張緊臂同方向運動(逆時針為正值，順時針為負值)，且擺動角度比較大，此時張緊輪出現(xiàn)脫離皮帶現(xiàn)象(見圖4)，當張緊臂來回運動時，出現(xiàn)皮帶與帶輪拍打而引起異響。傳遞到附件端的曲軸角振動大小對張緊器擺動影響較大[1]，較大角振動會引起帶輪脫離皮帶，為此，需要對此方案進行優(yōu)化，考慮到空間等因素所限，把曲軸減震皮帶輪更換成隔離皮帶輪，通過隔離皮帶輪的隔振作用，減少傳遞到附件端的角振動。

圖3 12 V啟動聲壓級曲線

圖4 異響時刻張緊輪位置

3 優(yōu)化設(shè)計方案

隔離皮帶輪內(nèi)部彈簧結(jié)構(gòu)可以很好地減少對曲軸傳遞到附件端的扭轉(zhuǎn)角振動，緩和沖擊，對改善張緊臂擺動有很好的改善作用，可避免因張緊器擺動過大而產(chǎn)生噪聲。

3.1 隔振率理論計算

隔振率是隔離皮帶輪隔振效果一個很重要的性能指標。如圖5所示為曲軸軸系簡化的力學(xué)模型。

圖5 曲軸軸系簡化模型

以隔離皮帶輪外圈Ib作為研究對象，皮帶輪內(nèi)圈轉(zhuǎn)動慣量為Ia,θa作為附件端(內(nèi)圈)的輸入激勵，K為隔離皮帶輪彈簧剛度，C為隔離皮帶輪阻尼。則運動學(xué)公式為

假設(shè)θa=Asin(wt)，則

則皮帶輪外圈響應(yīng)幅值為

隔振率為

由于隔離皮帶輪阻尼很小，可忽略不計，則ε=0，隔振率可表示為

3.2 隔離皮帶輪方案測試結(jié)果

各模式張緊臂擺動角度如圖6所示。

圖6 各模式張緊臂擺動角度

根據(jù)需求隔振效果，匹配相適應(yīng)的隔離皮帶輪，采用隔離皮帶輪后，張緊輪擺動角TVD方案得到了改善，如圖6所示為各模式(助力模式、發(fā)電模式、回收模式、48 V啟動、12 V啟動)張緊臂擺動量測試結(jié)果。

從測試結(jié)果上看，使用了隔離皮帶輪后，各模式張緊器擺幅明顯下降，尤其是12 V啟動張緊器左臂擺動量最大為17.5°,降幅約為29%；右臂擺動量最大約為25°,降幅約為50%,且發(fā)動機并沒有發(fā)生明顯的異響。

圖7為12 V啟動聲壓級曲線，從圖中可以看出，聲壓級峰值為89.9 dB，較原方案降低約3.4 dB。

圖7 12 V啟動聲壓級曲線

在聲壓級最大時刻(即張緊器擺動最大),右側(cè)張緊輪沒有脫離皮帶(見圖8)，說明使用帶有減震功能的曲軸皮帶輪對48 V BSG系統(tǒng)性能具有很好的改善作用，該方案滿足對系統(tǒng)功能要求。

圖8 張緊輪位置

4 結(jié)束語

48 V BSG附件系統(tǒng)方案可行性需滿足靜態(tài)參數(shù)和動態(tài)測試結(jié)果兩方面評價結(jié)果。隔離皮帶輪相比TVD對48 V BSG系統(tǒng)張緊器擺動和附件算聲壓級有較好的優(yōu)化效果，這對工程實際應(yīng)用及解決工程實際問題具有重要意義。