發(fā)動機前端附件驅(qū)動系統(tǒng)振動性能探討

張震亞

摘 要：針對市場上汽車前端的驅(qū)動系統(tǒng)會因振動而產(chǎn)生的噪音，隨著人們對汽車質(zhì)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(qū)動系統(tǒng)。本文主要介紹了振動噪音產(chǎn)生的問題及原因，并在此基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)的設(shè)計原則、設(shè)計流程以及設(shè)計方法等方面對驅(qū)動系統(tǒng)的振動性能進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動機；振動噪音；振動性能；設(shè)計方法

前端附件驅(qū)動系統(tǒng)作（以下簡稱FEAD 系統(tǒng)）為發(fā)動機的重要部分，其設(shè)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(fā)動機質(zhì)量的好壞，比如好的驅(qū)動系統(tǒng)可以有效地減少皮帶的磨損、降低因系統(tǒng)產(chǎn)生共振而產(chǎn)生的噪音以及前端部件的失效等問題的發(fā)生幾率，所以系統(tǒng)的振動性能已經(jīng)成為了各大開發(fā)商在發(fā)動機設(shè)計領(lǐng)域最為關(guān)注的問題之一。

1.振動噪音產(chǎn)生及原因

針對上述問題，經(jīng)過國內(nèi)外汽車發(fā)動機附件研發(fā)領(lǐng)域有關(guān)人士的多年經(jīng)驗，總結(jié)出，發(fā)動機前端附件傳動系統(tǒng)產(chǎn)生系統(tǒng)振動噪音的原因有很多種，比如皮帶由于橫向振動而產(chǎn)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(chǎn)生的打滑噪音；或者由于安裝或者系統(tǒng)輪系外形尺寸差異而產(chǎn)生的皮帶輪之間的平整度誤差，最終導(dǎo)致因多楔帶再輸入楔時發(fā)出的噪音；再比如因為整個輪系設(shè)計時，張緊力較小，從而會導(dǎo)致皮帶在高速運行時，會產(chǎn)生很大的抖動現(xiàn)象，這時不僅僅會產(chǎn)生很大的噪音，而且還會極大地?fù)p害系統(tǒng)的使用壽命；再者由于安裝誤差導(dǎo)致輪系之間的主要承載受力的輪系間距過大，這就導(dǎo)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(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生異響，其實在設(shè)計時，傳動皮帶的雙邊振動幅度值大概控制在300mm以內(nèi)，最大不會超過310mm，如果因客觀原因，實在達(dá)不到這個范圍時，就需要在超標(biāo)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(chǎn)生的噪音問題；此外最嚴(yán)重的一種情況就是輪系振動與發(fā)動機做功時產(chǎn)生的振動發(fā)生共振，從而會極大地讓皮帶產(chǎn)生抖動，一般情況下，當(dāng)發(fā)動機處于怠速時，其運行頻率應(yīng)該高于所設(shè)計的驅(qū)動系統(tǒng)的振動頻率，這樣就不會出現(xiàn)，汽車剛發(fā)動時，因共振而產(chǎn)生的抖動問題。

2.附件驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

由于系統(tǒng)共振產(chǎn)生的振動噪音不僅僅會對驅(qū)動系統(tǒng)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(qū)動系統(tǒng)振動帶來的問題，在設(shè)計最初時，就應(yīng)該對系統(tǒng)的整體振動進(jìn)行噪音控制，而為了降低振動帶來的振動噪音，現(xiàn)在比較流行采用的是使用自動張緊器，所以，對系統(tǒng)的振動性能進(jìn)行研究設(shè)計，就必須對附件驅(qū)動系統(tǒng)中用來進(jìn)行皮帶張緊的裝置進(jìn)行研究。

2.1附件驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計原則

在進(jìn)行附件驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計時，考慮到實際運用中，必須在保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性、可靠性的基礎(chǔ)上，進(jìn)行振動性能的噪音控制研究，所以，應(yīng)該堅持以下原則：1、工作穩(wěn)定、具有較強的可靠性能；2、在有限的空間里，可以合理的進(jìn)行布局；3、產(chǎn)生較小的噪音及振動。系統(tǒng)設(shè)計的整體思路基本上就是，在前期進(jìn)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(dǎo)致系統(tǒng)的共振頻率發(fā)生很大的變化，會對整個系統(tǒng)在實際運行時的穩(wěn)定狀態(tài)產(chǎn)生影響，所以初期就需要考慮到系統(tǒng)零部件的安裝順序，以及驅(qū)動系統(tǒng)中零部件的相對空間坐標(biāo)，基本上是以曲軸帶輪為一個平面中心，然后以此為基準(zhǔn)，按照涉及順序，進(jìn)行系統(tǒng)零部件空間布局的原則。

2.2附件驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計步驟

針對系統(tǒng)振動性問題進(jìn)行設(shè)計時，首先就需要在不存在系統(tǒng)零部件發(fā)生干涉以及重疊的前提下，把靜態(tài)設(shè)計的幾個關(guān)鍵因素考慮進(jìn)去。首先我們參考已經(jīng)有的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，對驅(qū)動系統(tǒng)的帶輪外形尺寸、相對帶輪之間的空間坐標(biāo)進(jìn)行初步設(shè)定，從而得到一個初步的設(shè)計方案；然后根據(jù)這個方案求出系統(tǒng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，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(shù)；然后再根據(jù)所設(shè)計的張緊器所需要的皮帶負(fù)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(jù)系統(tǒng)輪系各個零部件之間的轉(zhuǎn)速大小、運行功率等參數(shù)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(jìn)行預(yù)估計算；最后為了保證發(fā)動機附件驅(qū)動系統(tǒng)具有足夠的驅(qū)動扭矩、以及發(fā)動機附件系統(tǒng)動態(tài)驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定，在靜態(tài)布置設(shè)計完成后，還需要使用動態(tài)仿真軟件進(jìn)行了此款發(fā)動機附件驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)仿真計算，，其仿真分析的主要內(nèi)容包括：曲軸皮帶輪的轉(zhuǎn)速、驅(qū)動系統(tǒng)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(zhuǎn)速、帶輪角度大小等有關(guān)參數(shù)；然后對整個系統(tǒng)進(jìn)行綜合評估，評估此款發(fā)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(fā)生共振噪音的振動頻率，并且為了避免附件驅(qū)動系統(tǒng)在發(fā)動機的升速過程的系統(tǒng)共振帶來的零部件過早失效風(fēng)險，需要進(jìn)行了發(fā)動機附件驅(qū)動系統(tǒng)的測試工作，根據(jù)測試結(jié)果調(diào)整傳動帶的彈性剛度從而避開了系統(tǒng)的低頻振動，優(yōu)化輪系的NVH性能。

2.3附件驅(qū)動系統(tǒng)的參數(shù)計算方法

因為本文采用的是使用皮帶張緊器對系統(tǒng)提供靜態(tài)張緊力的，所以，在初期設(shè)計時，需要根據(jù)經(jīng)驗和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定一下張緊器的有關(guān)參數(shù)，比如在進(jìn)行張緊臂長的計算時，需要提供張緊器的空間坐標(biāo)，以及皮帶輪的中心坐標(biāo)，然后再對處在張緊器有效范圍內(nèi)輪系中的軸承受力、受力的角度，皮帶的包角大小等參數(shù)進(jìn)行計算，從而計算出所設(shè)計的驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生振動或者打滑的危險范圍值，然后由于皮帶的帶楔數(shù)量是影響皮帶使用壽命的主要參數(shù)依據(jù)，所以根據(jù)皮帶系統(tǒng)中楔帶每楔的最大靜態(tài)允許張力，確定出皮帶的帶楔數(shù)量，從而計算出驅(qū)動系統(tǒng)的使用壽命，最后根據(jù)所設(shè)計分析得出的數(shù)據(jù)分析，以此確定驅(qū)動系統(tǒng)的振動設(shè)計是否達(dá)到設(shè)計要求。然后為了對系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)分析，需要運用SIMDRIVE 3D軟件對所設(shè)計的驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，同時，根據(jù)仿真的結(jié)果，對初期的設(shè)計方案進(jìn)行修正、改進(jìn)，如此反復(fù)進(jìn)行多次，只有在模擬仿真中得到，其系統(tǒng)的振動幅度都處在可控范圍內(nèi)時，才可以驗證分析計算的正確性。

3.結(jié)束語

本文首先對發(fā)動機前端附件驅(qū)動系統(tǒng)振動問題產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，然后對其系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)分析的原則、步驟、主要注意事項進(jìn)行闡述，指出靜態(tài)設(shè)計需要計算的關(guān)鍵參數(shù)，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(shù)計算，然后對其進(jìn)行動態(tài)仿真分析，從而優(yōu)化驅(qū)動系統(tǒng)的振動性能，這也為以后發(fā)動機附件驅(qū)動系統(tǒng)的研究提供了一定的借鑒意義。

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