曾 超，王俊然，劉倫倫，王景新，尚嘉麗

（1.內(nèi)燃機(jī)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，山東 濰坊 261061）

前言

隨著整車對空間的緊湊性要求越來越高，發(fā)動機(jī)前端附件驅(qū)動（Front End Accessory Drive, FEAD）系統(tǒng)布置越來越復(fù)雜，因此多楔帶傳動[1-3]被廣泛應(yīng)用于發(fā)動機(jī)行業(yè)，而自動張緊器[4-5]是多楔帶傳動系統(tǒng)的重要部件，可以實時調(diào)節(jié)皮帶張力，減小帶段張力波動，維持FEAD系統(tǒng)穩(wěn)定，由于自動張緊器在工作中不斷擺動，導(dǎo)致其內(nèi)部的阻尼件磨損嚴(yán)重，進(jìn)而失效[6-7]。為降低張緊器的故障率，應(yīng)合理布置FEAD系統(tǒng)，減少阻尼件的磨損，提高張緊器壽命，維持FEAD系統(tǒng)的可靠性。

本文針對某發(fā)動機(jī)空調(diào)-發(fā)電機(jī)層輪系的自動張緊器故障率高問題，經(jīng)分析是張緊臂擺角大導(dǎo)致的，對輪系進(jìn)行優(yōu)化，使得張緊臂擺角降低到0.5 °以下。對優(yōu)化后的輪系小批量投放到市場，現(xiàn)已驗證一年并未有自動張緊器故障反饋，證實了優(yōu)化方案的有效性。

1 張緊輪故障及分析

1.1 張緊輪故障描述

某機(jī)型的前端輪系由風(fēng)扇-水泵層和空調(diào)-發(fā)電機(jī)層構(gòu)成，輪系布局如圖1所示，兩層輪系采用相同的自動張緊器，但市場反饋空調(diào)-發(fā)電機(jī)層的自動張緊輪故障率遠(yuǎn)高于風(fēng)扇-水泵層的故障率，經(jīng)拆檢發(fā)現(xiàn)張緊輪的阻尼件磨損嚴(yán)重，如圖2所示，導(dǎo)致張緊器失效，出現(xiàn)輪系異響和皮帶偏磨等現(xiàn)象。

圖1 前端輪系布局圖

圖2 張緊輪故障圖

1.2 自動張緊器工作原理

自動張緊器是FEAD系統(tǒng)重要的組成元件，其主要由張 緊輪、張緊臂、彈性元件和阻尼元件等構(gòu)成，如圖3所示。輪系運轉(zhuǎn)過程中，皮帶長度是不斷變化的，因此張緊臂6不斷往復(fù)擺動，調(diào)節(jié)皮帶張力，避免附件帶輪打滑，確保附件的正常工作。阻尼元件3與殼體1組成第一對摩擦副，襯套4與芯軸5組成第二對摩擦副，為張緊器提供摩擦扭矩，阻礙張緊臂的運動，維持FEAD系統(tǒng)穩(wěn)定。自動張緊器的彈性元件2和阻尼元件3具有減振吸能的作用，能夠消耗輪系的振動能量，減小帶段抖動和張緊臂擺角。

圖3 自動張緊器結(jié)構(gòu)圖

1.3 前端輪系仿真輸入

通過SimDrive軟件對FEAD系統(tǒng)進(jìn)行計算分析，F(xiàn)EAD系統(tǒng)中各附件帶輪的幾何位置、帶輪有效直徑和其轉(zhuǎn)動量，如表1所示，通過其幾何信息搭建計算模型。

表1 附件幾何參數(shù)

曲軸受缸壓和慣性力等呈周期性變化的激勵載荷作用，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動，亦稱之為角振動[8-9]。因此曲軸在運行過程中其轉(zhuǎn)速不是恒定的，而是呈周期性變化的，經(jīng)過傅里葉變換可將轉(zhuǎn)速波動轉(zhuǎn)化為多諧次的激勵信號，本機(jī)型為直列六缸機(jī)，3諧次為主激勵，如圖4所示，計算時以曲軸皮帶輪的3諧次角位移作為激勵源。

圖4 曲軸3諧次角位移曲線圖

本機(jī)型FEAD系統(tǒng)主要驅(qū)動風(fēng)扇、水泵、空調(diào)和發(fā)電機(jī)等附件，經(jīng)測試獲取各附件的功耗，各附件在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下的功耗曲線，如圖5所示。

圖5 附件功耗曲線圖

兩層輪系均采用8PK的多楔帶和對稱阻尼自動張緊器，張緊器的扭轉(zhuǎn)性能曲線，如圖6所示。其名義扭矩為33.1 N·m，阻尼比為30%。

圖6 自動張緊器性能曲線圖

1.4 故障原因及仿真結(jié)果分析

現(xiàn)在國內(nèi)外對于磨損進(jìn)行計算通常采用Archard磨損模型[10]，Archard磨損模型的一般公式如下：

式中，V為磨損體積；F為摩擦表面的法向壓力；L為摩擦面之間的切向相對滑移距離；H為材料硬度；K為磨損系數(shù)。針對張緊輪阻尼件的磨損，可表示為：

式中，R為阻尼元件半徑，θ為張緊臂擺角。通過公式可以得出，阻尼元件的磨損與張緊臂擺角θ和張緊輪受力F成正比。

圖8 張緊輪受力曲線圖

通過SimDrive計算得出張緊臂擺角和張緊輪受力，如圖7、8所示。電機(jī)層的張緊臂擺角和張緊輪的受力均高于風(fēng)扇層，因此電機(jī)層的阻尼件磨損比風(fēng)扇層嚴(yán)重，與市場的故障率表現(xiàn)一致。在800 rpm時，電機(jī)層張緊臂擺角為風(fēng)扇層的2倍左右，而張緊輪受力僅為1.2倍左右，故張緊臂擺角是造成電機(jī)層故障率高的主要原因，因此要較低張緊器擺角。

圖7 張緊器擺角曲線圖

2 優(yōu)化方案及驗證

通過上述分析，張緊臂擺角過大是造成張緊輪故障的主要原因，因此針對該發(fā)動機(jī)的FEAD系統(tǒng)要降低空調(diào)-發(fā)電機(jī)的張緊臂擺角，而影響張緊臂擺角的主要因素有曲軸的轉(zhuǎn)速波動和自動張緊器的阻尼比。通過空調(diào)-發(fā)電機(jī)層輪系驗證這兩個因素對張緊臂擺角的影響，再結(jié)合成本和可實施性等因素，制定優(yōu)化方案。

2.1 曲軸轉(zhuǎn)速波動對張緊臂擺角的影響

為驗證曲軸的轉(zhuǎn)速波動對張緊臂擺角的影響，通過控制曲軸皮帶的3諧次角位移進(jìn)行仿真，將原始角位移記為Am，再設(shè)置0.5Am、0.75Am、1.25Am三組角位移的工況進(jìn)行仿真分析，張緊臂擺角計算結(jié)果如圖9所示。

圖9 扭振對張緊臂擺角影響

通過計算結(jié)果可以得出，降低曲軸的轉(zhuǎn)速波動，可以減小張緊臂擺角。降低曲軸皮帶輪的轉(zhuǎn)速波動的方法主要有調(diào)整曲軸結(jié)構(gòu)及點火順序或采用扭轉(zhuǎn)減振器降低曲軸的扭轉(zhuǎn)振動、采用曲軸解耦皮帶輪降低曲軸皮帶輪的轉(zhuǎn)速波動以及采用風(fēng)扇托架驅(qū)動電機(jī)層輪系，通過皮帶等柔性元件降低電機(jī)層主動輪的轉(zhuǎn)速波動等。

2.2 阻尼比對張緊比擺角的影響

現(xiàn)有的張緊輪的阻尼比為30%，為驗證阻尼比對張緊器擺角的影響，增加了阻尼比為20%、40%和50%的三組工況，張緊擺角的計算結(jié)果如圖10所示。

圖10 阻尼比對張緊臂擺角影響

現(xiàn)有針對本輪系隨阻尼比的增加，張緊器擺角最大值逐漸減小，當(dāng)阻尼比提升到50%時，張緊器擺角最大值為8.9 °，仍高于風(fēng)扇-水泵層的張緊臂擺角，因此針對本輪系僅增加張緊器阻尼比無法有效解決張緊輪的磨損故障，且阻尼比過大，張緊器容易出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象，影響前端輪系的正常運轉(zhuǎn)。

2.3 確定優(yōu)化方案及驗證

通過上述分析，經(jīng)綜合考慮，決定采用風(fēng)扇托架驅(qū)動電機(jī)層輪系，通過多楔帶來降低電機(jī)層主動輪的轉(zhuǎn)速波動。結(jié)合整車邊界，風(fēng)扇-水泵層輪系保持不變，對相比原狀態(tài)風(fēng)扇-水泵層功耗增加，采用12PK多楔帶，自動張緊器阻尼比為30%，名義扭矩為33.1 N·m；重新布局空調(diào)-發(fā)電機(jī)層輪系，采用6Pk多楔帶，張緊器阻尼比為30%，名義扭矩降低為20.3 N·m，即減小皮帶初始張力，降低張緊輪受力，減少張緊器的磨損，同時還能提高皮帶壽命，優(yōu)化后的輪系布局如圖11所示。

圖11 優(yōu)化后輪系布局圖

經(jīng)計算得出空調(diào)-發(fā)電機(jī)層的主動輪（即風(fēng)扇皮帶輪）的3諧次角位移如圖12所示，相比曲軸皮帶輪的3諧次角位移，約降低了58%，表明通過多楔帶等柔性元件能夠有效減小曲軸皮帶輪的轉(zhuǎn)速波動。

圖12 3諧次的角位移曲線圖

張緊臂擺角及張緊輪受力的對比計算結(jié)果如圖13、14所示，新輪系電機(jī)層的張緊臂擺角已降低至0.5°以下，且張緊輪受力也有明顯下降，因此能夠有效降低阻尼件的磨損，可解決電機(jī)層的張緊器故障。風(fēng)扇層的計算結(jié)果與原狀態(tài)相比差異不大，也滿足設(shè)計要求。在發(fā)動機(jī)試驗臺架進(jìn)行輪系功能測試和耐久試驗，各項指標(biāo)均滿足要求?，F(xiàn)優(yōu)化后輪系已經(jīng)在市場進(jìn)行了一年的小批量驗證，沒反饋自動張緊器故障，表明優(yōu)化措施的有效性。

圖13 張緊器擺角對比圖

圖14 張緊輪受力對比圖

3 結(jié)論

通過對某發(fā)動機(jī)自動張緊器異常磨損問題的研究，分析了張緊器磨損的機(jī)理和原因，張緊器磨損的主要原因有張緊臂擺角過大和張緊輪受力過大。經(jīng)分析此輪系故障的主要原因為張緊臂擺角過大，設(shè)計降低張緊臂擺角的優(yōu)化方案并進(jìn)行驗證，得出以下結(jié)論：

（1）降低主動輪的轉(zhuǎn)速波動能夠有效減小張緊臂擺角；

（2）隨著張緊器的阻尼比的增大，張緊器擺角逐漸減??；

（3）皮帶可有效降低曲軸的轉(zhuǎn)速波動，為降低空調(diào)-發(fā)電機(jī)層的張緊臂擺角可采用風(fēng)扇托架進(jìn)行驅(qū)動。