柴油機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

岳小平

（1.上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438；2.同濟(jì)大學(xué)上海200092）

柴油機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

岳小平1,2

（1.上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438；2.同濟(jì)大學(xué)上海200092）

結(jié)合某新型發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，介紹了OAD的結(jié)構(gòu)、功能原理，并對(duì)該前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬仿真分析（分別進(jìn)行了應(yīng)用OAD帶輪和普通發(fā)電機(jī)帶輪兩種狀態(tài)的對(duì)比仿真），并最終在該發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上采用了OAD帶輪來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而提高系統(tǒng)性能。

前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、OAD動(dòng)態(tài)模擬仿真

1 前言

FEAD是英文Front End Accessory Drive的4個(gè)首字母的縮寫(xiě)，意即前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[1]。隨著用戶(hù)對(duì)整車(chē)操控舒適性的要求提高，一方面，要求現(xiàn)代汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)必須驅(qū)動(dòng)更多的附件[2]，同時(shí)附件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和消耗功率也更大；而另一方面，為了追求更高的燃油經(jīng)濟(jì)性，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速又被設(shè)置得越來(lái)越低。這樣發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將運(yùn)行在更高的轉(zhuǎn)速波動(dòng)激勵(lì)水平下。這些要求將對(duì)傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)FEAD系統(tǒng)性能提出了挑戰(zhàn)。一些普通的方法，如提高張力和張緊輪阻尼，都不能讓系統(tǒng)同時(shí)滿(mǎn)足NVH和耐久性的要求。

在發(fā)動(dòng)機(jī)FEAD系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量通常是最大的，發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)速比又高達(dá)到3倍以上；曲軸轉(zhuǎn)速的波動(dòng)將會(huì)按照一定的倍數(shù)傳遞到發(fā)電機(jī)皮帶輪上。曲軸轉(zhuǎn)速的波動(dòng)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子被加速和減速，促使皮帶動(dòng)態(tài)張力增加。這在很大程度上也是產(chǎn)生皮帶抖動(dòng)、噪聲、打滑和更大的張緊輪臂擺動(dòng)的根本原因[3]。

為降低由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的大慣性所引起的FEAD系統(tǒng)大的振動(dòng)，萊頓加拿大公司開(kāi)發(fā)出了一種新型的發(fā)電機(jī)皮帶輪裝置Overrunning Alternator Decoupler（簡(jiǎn)稱(chēng)OAD），該裝置用于代替普通的發(fā)電機(jī)皮帶輪[4]。最近，它作為一種解決前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)問(wèn)題的新技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)，能有效解決主要因皮帶的動(dòng)態(tài)張力波動(dòng)幅度太大而引起的FEAD系統(tǒng)大振動(dòng)的問(wèn)題。

本文結(jié)合某新型發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，介紹了OAD的結(jié)構(gòu)及功能原理，著重對(duì)該附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比模擬仿真及仿真數(shù)據(jù)的分析。分別進(jìn)行了應(yīng)用OAD帶輪和普通發(fā)電機(jī)帶輪2種狀態(tài)的前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的模擬仿真，并且對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，揭示了OAD的應(yīng)用對(duì)提高該發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的益處。最終在該發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上采用了OAD帶輪，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 OAD的結(jié)構(gòu)及功能

2.1 OAD的結(jié)構(gòu)

OAD由如圖1所示的下列部分組成：1個(gè)帶輪、1個(gè)單向離合器部件、1個(gè)調(diào)諧過(guò)的隔離彈簧、1根軸和1個(gè)球軸承。OAD通過(guò)軸與發(fā)電機(jī)相連，球軸承承載徑向力以及使OAD帶輪和軸之間能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

圖1 OAD結(jié)構(gòu)圖

由皮帶傳遞的驅(qū)動(dòng)扭矩先作用在OAD帶輪上，再通過(guò)離合器部件、隔離彈簧和OAD軸傳遞到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上。彈簧將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子從扭振中隔離出來(lái)，從而減少了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)系統(tǒng)的影響。在發(fā)動(dòng)機(jī)減速過(guò)程中，單向離合器部件的應(yīng)用使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速快于發(fā)電機(jī)帶輪的轉(zhuǎn)速。

2.2 OAD的功能

從上面的OAD結(jié)構(gòu)部分可以看到，單向離合器部件和隔離彈簧串聯(lián)在OAD帶輪和發(fā)電機(jī)之間，這種結(jié)構(gòu)給OAD提供了2種功能：（1）扭振隔離的功能；（2）反向超越的功能。

2.2.1 扭振隔離的功能

如果發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子由剛性帶輪驅(qū)動(dòng)，見(jiàn)圖2a，發(fā)電機(jī)帶輪和轉(zhuǎn)子的最高加、減速度是相同的；發(fā)電機(jī)皮帶輪上的動(dòng)態(tài)扭矩與發(fā)電機(jī)帶輪的轉(zhuǎn)速波動(dòng)太小以及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的慣量大小是成正比的。高的發(fā)動(dòng)機(jī)扭振和大的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量將引起高的動(dòng)態(tài)扭矩和大的皮帶張力波動(dòng)。

當(dāng)OAD被應(yīng)用于FEAD系統(tǒng)去驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電時(shí)，見(jiàn)圖2b，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子將通過(guò)隔離彈簧與皮帶輪相連。由振動(dòng)理論可知，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的波動(dòng)將比發(fā)電機(jī)皮帶輪轉(zhuǎn)速的波動(dòng)減少，由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子加、減速引起的動(dòng)態(tài)扭振和動(dòng)態(tài)皮帶張力（響應(yīng)動(dòng)態(tài)扭振）也將相應(yīng)減少。以上就是OAD的扭振隔離功能。

圖2 發(fā)電機(jī)與FEAD系統(tǒng)之間的連接示意圖

2.2.2 反向超越功能

如果發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子由剛性帶輪驅(qū)動(dòng)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在急減速時(shí)，比如快速換擋或者發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)帶輪的扭矩將反過(guò)來(lái)降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，最初的發(fā)電機(jī)帶輪的緊邊將變成松邊，最初的發(fā)電機(jī)帶輪的松邊變成緊邊。驅(qū)動(dòng)帶輪所需要的扭矩與轉(zhuǎn)子的減速度成正比，當(dāng)反向扭矩超過(guò)一定水平時(shí)，松邊的皮帶張力可能降至零。這將導(dǎo)致皮帶與帶輪之間打滑，從而產(chǎn)生異常打滑噪聲。

發(fā)電機(jī)安裝了OAD后，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子將通過(guò)單向離合器部件與皮帶輪相連，當(dāng)反向扭矩超過(guò)離合器釋放扭矩時(shí)，OAD的單向離合器部件將脫離。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子將比帶輪運(yùn)行得更快（超越功能），反向扭矩將減少到釋放扭矩。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)減速時(shí)，將會(huì)避免出現(xiàn)零皮帶張力，以上就是OAD的反向超越功能[5]。

3 前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真分析

該發(fā)動(dòng)機(jī)為國(guó)外引進(jìn)，在國(guó)內(nèi)進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)中原來(lái)所用的發(fā)電機(jī)皮帶輪為普通帶輪；在該發(fā)動(dòng)機(jī)國(guó)產(chǎn)化過(guò)程中，整個(gè)附件系統(tǒng)做了比較大的改動(dòng)：要求發(fā)電機(jī)的輸出電流增大，從而發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也同時(shí)增大；在同樣的制冷效果下，空調(diào)的驅(qū)動(dòng)功率和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都增大；由于整機(jī)布置的需要，曲軸的包角變??；考慮到以上附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的修改所帶來(lái)的不利影響，打算在系統(tǒng)中應(yīng)用OAD進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并分別進(jìn)行了應(yīng)用OAD帶輪和普通帶輪的對(duì)比仿真。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)前端系統(tǒng)布置圖

3.1 系統(tǒng)仿真輸入

該附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括曲軸帶輪、空調(diào)、發(fā)電機(jī)、惰輪、動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵和張緊輪，系統(tǒng)布置圖參見(jiàn)圖3，主要布置參數(shù)如表1所示。

該系統(tǒng)的皮帶楔數(shù)為6，皮帶線(xiàn)繩為聚酯線(xiàn)繩，皮帶模量為96 kN/mm2。OAD隔離彈簧的彈簧剛度為0.37 N·m/deg。）

用SimDrive軟件對(duì)該FEAD系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬仿真。表1中所列的參數(shù)作為基本的輸入數(shù)據(jù)用以搭建模擬分析模型。從整車(chē)上實(shí)際測(cè)得的曲軸轉(zhuǎn)速可以用做該FEAD系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬仿真的激勵(lì)輸入[6]。

3.2 系統(tǒng)對(duì)比仿真分析結(jié)果

3.2.1 系統(tǒng)所需的初始皮帶張力對(duì)比結(jié)果

評(píng)價(jià)附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)水平是否可以接受，首先應(yīng)該評(píng)價(jià)設(shè)置多大的初始張力時(shí)，系統(tǒng)可以正常地傳遞功率，系統(tǒng)打滑是否可以接受。在一個(gè)系統(tǒng)中，打滑比較嚴(yán)重的往往是在曲軸帶輪上。通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)曲軸帶輪上的打滑進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)（見(jiàn)圖4），應(yīng)用OAD帶輪時(shí)系統(tǒng)所需的初始張力僅為300 N，而應(yīng)用普通發(fā)電機(jī)帶輪時(shí)系統(tǒng)所需的初始張力將為450 N。顯然，應(yīng)用OAD后，系統(tǒng)初始張力能設(shè)置得更低，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行后，系統(tǒng)內(nèi)各處的受力就會(huì)更低。

表1 系統(tǒng)布置參數(shù)表

3.2.2 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)受力對(duì)比分析結(jié)果

評(píng)價(jià)附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)水平是否可以接受，還需要評(píng)價(jià)系統(tǒng)振動(dòng)是否會(huì)導(dǎo)致很高的受力，包括緊邊皮帶張力和系統(tǒng)內(nèi)軸承徑向載荷，從而能評(píng)價(jià)出皮帶、軸承及附件支架是否能達(dá)到預(yù)期的壽命，是否存在安全隱患。

圖4 曲軸帶輪打滑分析

圖5為系統(tǒng)中最緊邊皮帶（即曲軸-空調(diào)段皮帶）的動(dòng)態(tài)張力分析結(jié)果?？梢钥闯?，在安裝普通發(fā)電機(jī)皮帶輪狀態(tài)下，最高動(dòng)態(tài)皮帶張力超過(guò)2 000 N，這可能會(huì)扯斷皮帶；而在安裝OAD狀態(tài)下，最高張力約1 500 N。顯然，安裝OAD后，系統(tǒng)的最大動(dòng)態(tài)張力明顯降低，皮帶壽命有了很大的延長(zhǎng)。

圖5 曲軸-空調(diào)皮帶的動(dòng)態(tài)張力

圖6為系統(tǒng)中的惰輪動(dòng)態(tài)徑向載荷對(duì)比分析結(jié)果?？梢钥闯觯惭bOAD后，軸承的動(dòng)態(tài)徑向載荷和平均徑向載荷都比安裝普通發(fā)電機(jī)皮帶輪時(shí)要小；從而系統(tǒng)中的其它附件及附件支架上的載荷也會(huì)相應(yīng)減少，軸承、附件支架等的壽命都會(huì)相應(yīng)地得到提高。

圖6 惰輪動(dòng)態(tài)徑向載荷

圖7為系統(tǒng)中的張緊輪擺臂幅度對(duì)比分析結(jié)果?？梢钥闯?，安裝OAD后，張緊輪幾乎不擺動(dòng)，張緊輪的壽命將會(huì)大大提高；而對(duì)安裝普通發(fā)電機(jī)帶輪的輪系進(jìn)行分析，張緊輪在低速階段擺動(dòng)幅度非常大，超過(guò)了3°以上，將大大降低張緊輪的壽命。

4 總結(jié)

通過(guò)對(duì)該柴油機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬仿真對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：不帶OAD系統(tǒng)的分析結(jié)果存在極大的風(fēng)險(xiǎn)，從動(dòng)態(tài)張力曲線(xiàn)上也可以明顯看到不帶OAD的系統(tǒng)在低速段振動(dòng)非常明顯；而安裝OAD后，可以使系統(tǒng)避開(kāi)共振，系統(tǒng)運(yùn)行非常平穩(wěn)。這也體現(xiàn)在系統(tǒng)對(duì)初始張力需求的差別、最高張力的差別以及動(dòng)態(tài)張力振幅上的差別。

圖7 張緊輪擺臂幅度

不帶OAD所帶來(lái)的高動(dòng)態(tài)張力，很可能導(dǎo)致零部件（包括張緊輪、皮帶、附件軸承、附件支架等）的早期失效；高的動(dòng)態(tài)張力也會(huì)引發(fā)NVH和整車(chē)舒適性問(wèn)題，對(duì)整車(chē)產(chǎn)生負(fù)面影響。而OAD所帶來(lái)的低張力，使惰輪的設(shè)計(jì)可以采用更小的軸承，降低了惰輪的成本；OAD可以使附件軸承、支架、張緊輪及皮帶壽命得到提高；OAD還可以降低油耗，降低對(duì)支架和附件的要求。

通過(guò)以上的對(duì)比分析，本系統(tǒng)最終采用了帶OAD的減振措施來(lái)對(duì)該前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的性能。

1綦勝利．汽車(chē)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述[C]．杭州：2007年全國(guó)橡膠工業(yè)信息發(fā)布會(huì)暨首屆中國(guó)汽車(chē)橡膠制品技術(shù)與市場(chǎng)發(fā)展研討會(huì)，2007．

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Optimum Design of Diesel Engine Front End Accessory Drive System

Yue Xiaoping1,2
（1.Shanghai Diesel Engine CO.,LTD.,Shanghai 200438；2.Tongji University,Shanghai 200092）

The structure and function of OAD was introduced based on the development of some engine front end accessory trive system(FEAD),A dynamic simulation of the engine FEDA was made to compare the OAD pulley with a generally pulley.Eventually,OAD pulley was adopted for the engine to optimize the design of the FEAD,thereby improving the performance of the system..

front end accessory,drive system,OAD,dynamic simulation

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.03.005

來(lái)稿日期：2012-06-11

岳小平（1975-），女，工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。