發動機前端附件驅動系統振動性能探討

張震亞

摘 要：針對市場上汽車前端的驅動系統會因振動而產生的噪音，隨著人們對汽車質量要求的提高，人們需要一種更靜音、可靠性更好的前端附件驅動系統。本文主要介紹了振動噪音產生的問題及原因，并在此基礎上，從系統的設計原則、設計流程以及設計方法等方面對驅動系統的振動性能進行分析。

關鍵詞：汽車發動機；振動噪音；振動性能；設計方法

前端附件驅動系統作（以下簡稱FEAD 系統）為發動機的重要部分，其設計的安靜性能、低振性能以及可靠性能都直接決定了整車發動機質量的好壞，比如好的驅動系統可以有效地減少皮帶的磨損、降低因系統產生共振而產生的噪音以及前端部件的失效等問題的發生幾率，所以系統的振動性能已經成為了各大開發商在發動機設計領域最為關注的問題之一。

1.振動噪音產生及原因

針對上述問題，經過國內外汽車發動機附件研發領域有關人士的多年經驗，總結出，發動機前端附件傳動系統產生系統振動噪音的原因有很多種，比如皮帶由于橫向振動而產生的機械噪音；由于采用多楔帶作為傳動樞紐，其與之接觸的皮帶輪之間而產生的打滑噪音；或者由于安裝或者系統輪系外形尺寸差異而產生的皮帶輪之間的平整度誤差，最終導致因多楔帶再輸入楔時發出的噪音；再比如因為整個輪系設計時，張緊力較小，從而會導致皮帶在高速運行時，會產生很大的抖動現象，這時不僅僅會產生很大的噪音，而且還會極大地損害系統的使用壽命；再者由于安裝誤差導致輪系之間的主要承載受力的輪系間距過大，這就導致傳動過程中皮帶的支撐載荷的輪系跨度較大，這樣也會導致系統發生異響，其實在設計時，傳動皮帶的雙邊振動幅度值大概控制在300mm以內，最大不會超過310mm，如果因客觀原因，實在達不到這個范圍時，就需要在超標的輪系之間增加惰輪，從而最大限度的降低因皮帶抖動而產生的噪音問題；此外最嚴重的一種情況就是輪系振動與發動機做功時產生的振動發生共振，從而會極大地讓皮帶產生抖動，一般情況下，當發動機處于怠速時，其運行頻率應該高于所設計的驅動系統的振動頻率，這樣就不會出現，汽車剛發動時，因共振而產生的抖動問題。

2.附件驅動系統設計

由于系統共振產生的振動噪音不僅僅會對驅動系統本身造成很大的機械損傷，較少使用年限，同時，也影響了使用者的使用感受，為了更好的降低由于驅動系統振動帶來的問題，在設計最初時，就應該對系統的整體振動進行噪音控制，而為了降低振動帶來的振動噪音，現在比較流行采用的是使用自動張緊器，所以，對系統的振動性能進行研究設計，就必須對附件驅動系統中用來進行皮帶張緊的裝置進行研究。

2.1附件驅動系統的設計原則

在進行附件驅動系統的設計時，考慮到實際運用中，必須在保證系統工作的穩定性、可靠性的基礎上，進行振動性能的噪音控制研究，所以，應該堅持以下原則：1、工作穩定、具有較強的可靠性能；2、在有限的空間里，可以合理的進行布局；3、產生較小的噪音及振動。系統設計的整體思路基本上就是，在前期進行全部零部件的空間布局時，由于不同的零部件擺放順序會導致系統的共振頻率發生很大的變化，會對整個系統在實際運行時的穩定狀態產生影響，所以初期就需要考慮到系統零部件的安裝順序，以及驅動系統中零部件的相對空間坐標，基本上是以曲軸帶輪為一個平面中心，然后以此為基準，按照涉及順序，進行系統零部件空間布局的原則。

2.2附件驅動系統的設計步驟

針對系統振動性問題進行設計時，首先就需要在不存在系統零部件發生干涉以及重疊的前提下，把靜態設計的幾個關鍵因素考慮進去。首先我們參考已經有的經驗數據，對驅動系統的帶輪外形尺寸、相對帶輪之間的空間坐標進行初步設定，從而得到一個初步的設計方案；然后根據這個方案求出系統的關鍵數據，例如帶輪的包角、帶輪之間的間隙大小、相互輪系之間的傳動比等參數；然后再根據所設計的張緊器所需要的皮帶負載，計算出在空間各個位置的帶輪的軸承受力大小以及受力的角度大小；然后再根據系統輪系各個零部件之間的轉速大小、運行功率等參數計算皮帶的打滑率以及移動值，然后在對其皮帶的使用壽命進行預估計算；最后為了保證發動機附件驅動系統具有足夠的驅動扭矩、以及發動機附件系統動態驅動系統穩定，在靜態布置設計完成后，還需要使用動態仿真軟件進行了此款發動機附件驅動系統的動態仿真計算，，其仿真分析的主要內容包括：曲軸皮帶輪的轉速、驅動系統中張緊器所施加張緊力的極限有效范圍、以及張緊器在有效作用下的擺動幅度范圍，以及其他帶輪的轉速、帶輪角度大小等有關參數；然后對整個系統進行綜合評估，評估此款發動機的附件帶輪的打滑極限、輪系之間的位置干涉情況、惰輪的軸向最大承受范圍、附件輪系的最常使用時間以及附件輪系易發生共振噪音的振動頻率，并且為了避免附件驅動系統在發動機的升速過程的系統共振帶來的零部件過早失效風險，需要進行了發動機附件驅動系統的測試工作，根據測試結果調整傳動帶的彈性剛度從而避開了系統的低頻振動，優化輪系的NVH性能。

2.3附件驅動系統的參數計算方法

因為本文采用的是使用皮帶張緊器對系統提供靜態張緊力的，所以，在初期設計時，需要根據經驗和標準設定一下張緊器的有關參數，比如在進行張緊臂長的計算時，需要提供張緊器的空間坐標，以及皮帶輪的中心坐標，然后再對處在張緊器有效范圍內輪系中的軸承受力、受力的角度，皮帶的包角大小等參數進行計算，從而計算出所設計的驅動系統產生振動或者打滑的危險范圍值，然后由于皮帶的帶楔數量是影響皮帶使用壽命的主要參數依據，所以根據皮帶系統中楔帶每楔的最大靜態允許張力，確定出皮帶的帶楔數量，從而計算出驅動系統的使用壽命，最后根據所設計分析得出的數據分析，以此確定驅動系統的振動設計是否達到設計要求。然后為了對系統進行動態分析，需要運用SIMDRIVE 3D軟件對所設計的驅動系統進行仿真分析，同時，根據仿真的結果，對初期的設計方案進行修正、改進，如此反復進行多次，只有在模擬仿真中得到，其系統的振動幅度都處在可控范圍內時，才可以驗證分析計算的正確性。

3.結束語

本文首先對發動機前端附件驅動系統振動問題產生的原因進行分析，然后對其系統進行靜態分析的原則、步驟、主要注意事項進行闡述，指出靜態設計需要計算的關鍵參數，比如帶輪包角、輪系間隙、各輪系軸承所承受載荷的大小等參數計算，然后對其進行動態仿真分析，從而優化驅動系統的振動性能，這也為以后發動機附件驅動系統的研究提供了一定的借鑒意義。

參考文獻：

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