隋鵬超 程 市 邢 立 尚嘉麗

（1-內(nèi)燃機可靠性國家重點實驗室 山東 濰坊 261061 2-濰柴動力股份有限公司）

引言

近年來，隨著國六排放標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的推行，汽車整車及零部件廠商在節(jié)能減排、輕量化、智能化等方面做出了巨大努力。為滿足用戶對整車性能要求的提高，由發(fā)動機直接或間接驅(qū)動的附件逐漸增多，更優(yōu)越的NVH 性能和燃油經(jīng)濟性等也逐漸成為行業(yè)競逐的核心目標(biāo)。

帶傳動作為柴油發(fā)動機前端附件系統(tǒng)工作的主要形式之一，借助汽車用V 帶或多楔帶等彈性體，依靠摩擦或嚙合傳遞動力或運動、驅(qū)動附件系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、振動小、噪聲低等優(yōu)點。在柴油發(fā)動機中，驅(qū)動附件有風(fēng)扇、水泵、發(fā)電機、空調(diào)壓縮機、空氣壓縮機、轉(zhuǎn)向泵等。

1 帶傳動的種類及適用范圍

根據(jù)皮帶截面形狀，可分為汽車用V 皮帶、同步帶和多楔帶。三者傳遞運動或動力形式如圖1 所示。

圖1 帶傳動中的傳遞運動或動力類型

汽車用V 帶的截面形狀近似為等腰梯形，與帶輪兩環(huán)槽側(cè)面壓緊產(chǎn)生摩擦力進行傳動，厚度較大、撓性較差、傳遞功率較小，多用于農(nóng)業(yè)收割機、工程機械等有特殊要求及需定期維護的傳動系統(tǒng)中，當(dāng)多根同時使用時，可作為聯(lián)組帶。多楔帶兼有平帶帶體薄、汽車用V 帶接觸面積大及楔緊效應(yīng)的優(yōu)點，可驅(qū)動較多的附件，現(xiàn)已普遍應(yīng)用于結(jié)構(gòu)緊湊、帶輪轉(zhuǎn)速較高的傳動裝置中，需借助自動張緊機構(gòu)為系統(tǒng)提供合理的張力。同步帶通過帶齒與帶輪輪齒嚙合傳動，傳動誤差小，為保證傳動可靠性，需配合阻尼特性較好的液壓張緊器[1]使用，多用于輕型柴油發(fā)動機的正時系統(tǒng)或帶長伸長率較低的帶傳動系統(tǒng)中。

根據(jù)張緊型式可分為手動張緊、自動張緊及彈性帶[2]傳動，如圖2 所示。

圖2 不同張緊型式的帶傳動

手動張緊傳動需定期維護，通過改變附件帶輪至合理位置以使系統(tǒng)張力滿足傳動需求。自動張緊傳動具有免維護功能，可通過自動張緊器的往復(fù)擺動，吸收帶長變化導(dǎo)致的轉(zhuǎn)速波動能量，提供合理的系統(tǒng)張力，現(xiàn)普遍應(yīng)用類型有機械式自動張緊器和液壓式張緊器。彈性帶傳動亦具有免維護功能，但因應(yīng)用后系統(tǒng)張力衰減過快，目前僅用來驅(qū)動小功率附件，濰柴WP10H 發(fā)動機空調(diào)輪系即為此結(jié)構(gòu)。

2 影響前端附件帶傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵因素

因受到爆發(fā)壓力、慣性力、阻力以及外界反作用力等的影響，曲軸軸系上會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)、彎曲和縱向振動，最終曲軸各段以不同的轉(zhuǎn)速波動表現(xiàn)出來。而曲軸皮帶輪（主動輪）作為發(fā)動機前端附件輪系的主要激勵源，其轉(zhuǎn)速不均勻性會通過帶傳遞至附件帶輪，不同附件對系統(tǒng)動態(tài)性能產(chǎn)生的影響不同，有研究表明[3]：發(fā)動機前端附件輪系中等效轉(zhuǎn)動慣量最大的從動輪對輪系的動態(tài)性能影響最大。一般在實際開發(fā)中，為降低附件對發(fā)動機前端附件輪系動態(tài)性能的影響，需采用減振元件，如減振發(fā)電機、芳綸線繩、非對稱阻尼張緊器等[4]。文獻[5]、[6]分別從隔離發(fā)電機轉(zhuǎn)子總成轉(zhuǎn)動慣量的角度出發(fā)，開發(fā)了超越單向離合器（Overrunning Alternative Pulley，OAP）或單向離合器解耦器（Overrunning Alternative Decoupler，OAD）應(yīng)用于等效轉(zhuǎn)動慣量較大的發(fā)電機中，被動地將發(fā)電機與曲軸皮帶輪的不規(guī)則運動分離開來。通過文獻[7]、文獻[8]可明顯看出，采用OAP 或OAD 發(fā)電機后，前端附件輪系的動態(tài)性能指標(biāo)明顯變好，經(jīng)驗證，應(yīng)用后還可提升燃油經(jīng)濟性[9]。機械式張緊器的帶傳動系統(tǒng)中，可通過改變張緊器阻尼大小及形式，來被動地降低附件輪系的動態(tài)性能指標(biāo)[10]。目前，以上所述方案均已在柴油發(fā)動機上有所應(yīng)用。

但應(yīng)用上述結(jié)構(gòu)有時仍不能充分解決前端附件輪系動態(tài)性能較差的問題，下面就解決此問題的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用進行分析。

3 關(guān)鍵技術(shù)

通過上文所述，為改善前端輪系的動態(tài)性能，有2 方面措施可以實現(xiàn)，一為主動措施，一為被動措施，即從曲軸前端上著手主動降低曲軸皮帶輪的轉(zhuǎn)速波動，降低發(fā)動機前端輪系的激勵源，現(xiàn)具有代表性的關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)品為曲軸解耦器。再者，從輪系本身考慮，改進皮帶或張緊器來被動地吸收轉(zhuǎn)速波動所傳遞的能量，現(xiàn)具有代表性的關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)品為液壓張緊器。

3.1 曲軸解耦器

曲軸解耦器又稱曲軸隔離器，主要包括皮帶輪、彈性元件及阻尼元件等，如圖3 所示。

圖3 曲軸解耦器結(jié)構(gòu)示意圖

低轉(zhuǎn)速時，皮帶輪與曲軸轉(zhuǎn)動的相對角度差較小，較低剛度特性的彈簧可吸收來自曲軸轉(zhuǎn)速不均勻?qū)е碌霓D(zhuǎn)矩輸出波動能量，從而隔離低速段皮帶輪輸出的角振動。當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速進一步升高時，皮帶輪與曲軸轉(zhuǎn)動的相對角度差增大，較大剛度特性的彈簧起作用，可吸收更大的曲軸轉(zhuǎn)矩輸出波動能量。當(dāng)超速時，彈簧剛度表現(xiàn)出非線性特性，急劇增大，實現(xiàn)曲軸與皮帶輪的近似剛性連接。某曲軸解耦器的性能曲線如圖4 所示。

圖4 曲軸解耦器性能曲線

為保證低轉(zhuǎn)速時曲軸解耦器可較好地工作，以及轉(zhuǎn)速升高后，較高剛度的彈簧可平穩(wěn)工作，避免出現(xiàn)較大沖擊，目前開發(fā)曲軸解耦器的關(guān)鍵主要集中在彈簧或橡膠剛度的設(shè)計及選型上。應(yīng)用曲軸解耦器可從根源上，降低前后端輸出的轉(zhuǎn)速波動特性，提高整機NVH 性能，另外還可降低系統(tǒng)張力，減小附件軸荷、增加使用壽命，降低磨損，提高經(jīng)濟燃油性，與其他新技術(shù)，如雙質(zhì)量飛輪等相結(jié)合，可提高整車NVH 性能，并有助于降低怠速、駐車停缸等節(jié)油降耗等新技術(shù)的廣泛推廣。但產(chǎn)品成本較高，為普通皮帶輪的4～5 倍，而且開發(fā)之初，需具體問題具體分析，所開發(fā)的產(chǎn)品不具有通用性。

3.2 液壓張緊器

與機械式張緊器不同的是，液壓張緊器利用油液泄露作為阻尼源，其主要由液壓推桿總成、液壓推桿支架、張緊臂及帶輪組成，如圖5 所示。高耐磨性、加載大阻尼/卸載小阻尼、低噪聲、免維護等是液壓張緊器區(qū)別于機械式自動張緊器的典型特點，現(xiàn)已普遍應(yīng)用于發(fā)動機正時系統(tǒng)或具有較高轉(zhuǎn)速波動的發(fā)動機中。

圖5 液壓張緊器結(jié)構(gòu)示意圖

其中液壓推桿總成由單向閥、推桿、推桿彈簧、工作腔、儲油腔、油封、缸套及外殼等組成，是組成液壓張緊器的重要精密件。液壓推桿結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。

圖6 液壓推桿結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)帶輪受到來自帶的加載沖擊載荷時，通過張緊臂推動液壓推桿總成作用，液壓推桿的活動轉(zhuǎn)軸與推桿相連，推動推桿壓縮工作腔中的液壓油。單向閥關(guān)閉，將工作腔與儲油腔隔開，工作腔內(nèi)壓力升高，通過缸套與推桿間的泄油間隙，液壓油被擠出工作腔流入儲油腔。工作腔空間容積變小，壓力升高，因泄油間隙較小，液壓油流速有限，且液壓油具有不可壓縮性，所以產(chǎn)生較大的阻尼力。此時經(jīng)活動轉(zhuǎn)軸、張緊臂將阻尼力和彈簧推力（忽略缸套側(cè)壁受到的流體粘滯阻力）作用于帶上，從而抑制帶的加載沖擊載荷。當(dāng)帶松動時，液壓推桿在彈簧力作用下向活動轉(zhuǎn)軸側(cè)伸長，工作腔空間容積變大，壓力降低，單向閥打開，儲油腔中的液壓油通過單向閥被吸入工作腔，因過油面積較大，液壓推桿所產(chǎn)生的阻尼較小，此時作用在帶上的作用力完全由彈簧提供。液壓張緊器的性能曲線如圖7 所示。

圖7 液壓張緊器性能曲線示意圖

4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

4.1 國外研究現(xiàn)狀

國外生產(chǎn)曲軸解耦器的廠家主要為Litens、Schaeffler、Dayco、Gates 等知名廠商，所開發(fā)的產(chǎn)品多是在研究分離器基礎(chǔ)上開發(fā)的，后期開發(fā)產(chǎn)品較多以集成扭振減振器為主。2000 年Klaus B.等人[11]基于離合器從動盤工作原理，開發(fā)了一種曲軸解耦器，皮帶輪與輪轂間安裝有環(huán)形托架，且環(huán)形托架帶有單向超越離合裝置，可限制傳遞的最大轉(zhuǎn)矩，防止瞬時過載導(dǎo)致打滑。2007 年，Mevissen B.等人[12]發(fā)明了一種分離器組件，通過偏置元件和離合元件實現(xiàn)隔離振動與選擇性轉(zhuǎn)矩傳遞等功能。2009 年，Lehmann 等人[13]發(fā)明了棘輪空轉(zhuǎn)裝置與扭振減振器相耦合的皮帶輪，在慣性工況中，棘輪空轉(zhuǎn)裝置打開實現(xiàn)無摩擦力矩或僅有小摩擦力矩傳遞；牽引工況時，空轉(zhuǎn)裝置在牽引方向上閉鎖，傳遞力矩。2013 年，Kibong Yoon等人[14]研究了采用曲軸解耦器和隔振帶輪后，可通過降低系統(tǒng)張力實現(xiàn)提升燃油經(jīng)濟性。2016 年，Hartmut M.等人[15]改進了棘輪空轉(zhuǎn)裝置，提高了產(chǎn)品的可靠性。2019 年，Hao Q.Tran 等人[16]將曲軸解耦器與扭振減振器作為一體，為產(chǎn)品集成化設(shè)計奠定基礎(chǔ)。2020 年，G?tz 等人[17]改進了弓形彈簧，通過設(shè)置多組圓柱形螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧，也可實現(xiàn)曲軸解耦器的功能，該結(jié)構(gòu)對國內(nèi)開發(fā)應(yīng)用具有較高的參考價值。

對于液壓張緊器，上世紀(jì)80 年代，由德國INA公司基于液壓間隙調(diào)整器，開發(fā)了泄露間隙產(chǎn)生的阻尼與推桿速度成正比的液壓張緊器并應(yīng)用于六缸汽油機上。1997 年，Cantrell D.[18]通過在液壓張緊器的泄油口設(shè)置減壓閥控制泄油壓力，防止液壓油壓力過高引發(fā)溫度上升而導(dǎo)致發(fā)動機起火。2000 年，Eduard Kratz[19]為避免張緊器工作腔在壓力較高的情況下出現(xiàn)損壞，提出采用一種塑性較好的新型橡膠密封。當(dāng)帶振動幅度過大，導(dǎo)致張緊器工作腔內(nèi)壓力過高時，密封橡膠會產(chǎn)生縫隙，釋放出液壓張緊器工作腔中的氣體與少量液壓油，從而降低張緊器工作腔內(nèi)的壓力。2007 年，Karin K.等人[20]建立了較精確的液壓張緊器仿真模型，并通過仿真與試驗分析了不同類型液壓張緊器的運動特性，綜合考慮溫度、激勵、油壓、泄露間隙等因素研究了液壓張緊器的工作性能。2008 年，Hiroshi T.等人[21]分析了帶有卸荷閥的液壓張緊器，準(zhǔn)確預(yù)測出卸荷壓力，此時系統(tǒng)張力最小。2010 年，Arbogast G.等人[22]通過改進液壓張緊器，設(shè)計儲液槽防止發(fā)動機停機過程中由于高壓腔壓力降低緩慢，在單向閥無法順利打開的情況下空氣通過環(huán)形阻尼縫隙進入工作腔。2011 年，Lucas G.等人[23]結(jié)合理論研究、仿真分析及試驗分析研究了不同組件對液壓張緊器動力學(xué)特性的影響，建立了正向開發(fā)能力，并可通過優(yōu)化液壓張緊器關(guān)鍵參數(shù)提供最優(yōu)的設(shè)計方案。

4.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對曲軸解耦器、液壓張緊器等關(guān)鍵技術(shù)的研究起步較晚。2018 年，上汽集團的肖小勇等基于振動理論建立了曲軸隔振器隔振率的計算表達式，通過Simdrive 3D 軟件仿真與臺架實測對比分析，驗證了理論計算方法的準(zhǔn)確性[24]。2019 年，臧新群[25]等利用超越皮帶輪的工作機理，發(fā)明了一種內(nèi)燃機曲軸解耦器，可實現(xiàn)曲軸與帶輪傳遞轉(zhuǎn)矩的連接與脫離。

2012 年，重慶大學(xué)的胡玉梅等[26]采用搭建流固耦合模型確定出了油液狀態(tài)，建立了液壓張緊器的數(shù)學(xué)模型，以最大阻尼力和阻尼能作為評價指標(biāo)，探究了液壓油和推桿直徑、泄露間隙等結(jié)構(gòu)及外界激勵對液壓張緊器特性的影響。2019 年，吉林大學(xué)的馮增銘等[1]從液壓張緊器的結(jié)構(gòu)形式出發(fā)，系統(tǒng)性地建立了完整的液壓張緊器設(shè)計方法，并對其動力學(xué)特性進行了分析及試驗研究。作為國內(nèi)液壓張緊器主要生產(chǎn)商，四川富臨精工基本具備了設(shè)計液壓張緊器的能力及試驗驗證手段。

5 結(jié)束語

綜上所述，曲軸解耦器與液壓張緊器的應(yīng)用與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)。據(jù)悉，國內(nèi)零部件廠家對曲軸解耦器的研究極少，在柴油發(fā)動機上的市場應(yīng)用尚處空白階段。雖然對液壓張緊器的研究已經(jīng)處于起步階段，一些液壓張緊器生產(chǎn)廠家開始仿制國外產(chǎn)品，但應(yīng)用效果在密封性、可靠性等方面還存在較大的技術(shù)難題，往往在應(yīng)用時以國外產(chǎn)品為主，導(dǎo)致產(chǎn)品成本居高不下，國內(nèi)企業(yè)短時間內(nèi)不能掌握關(guān)鍵技術(shù)，所以設(shè)計高可靠性、成本適當(dāng)?shù)那岸烁郊喯店P(guān)鍵產(chǎn)品還需要做很多工作。