汽車發動機前端輪系方案設計

熊賢學

摘 要：針對市場上有些汽車在天氣較冷的情況下，發動機會頻繁的出現異響現象，為了解決這一問題，本文主要就產生這種故障的原因和應對辦法進行闡述，并對前端輪系方案，提出了取消發動機附件傳動系統中機械張緊結構，使用穩定、高效的彈性皮帶驅動方案，以此來解決發動機異響的問題。

關鍵詞：汽車發動機；故障分析；前端輪系；方案設計

隨著汽車本身使用性能要求的提高，其主要組成部分前端輪系，設計的好壞將直接影響到整車的質量和在使用者中的口碑，因此其發動機的前端輪系設計越來越受到設計者的高度重視。本文主要針對發動機在天氣較冷情況下會頻繁的出現異響現象進行探討，，首先著手分析導致這種故障發生的原因，并根據存在問題的調查結果，針對性的對前輪輪系進行分析，然后提出一種使用彈性皮帶驅動方案并且增加輪系中的減震帶輪的設計方案，來代替之前使用的發動機附件傳動系統中、可靠性能較低的一種機械式的張緊裝置，然后再借助仿真軟件或者是動態計算軟件設計對結果進行分析，以此來確保設計方案符合要求，從而達到解決問題的目的。

1前端輪系故障分析

據某車型市場上的使用者反饋冬天發動機存在異響，漏水漏油等現象，尤其是在天氣較冷的情況下，從頻繁的發動機傳動系統異響問題來看，該款車型的發動機傳動輪系異響主要為皮帶打滑異響。產生這種故障的原因很多，有皮帶輪上有異物粘附，例如泥沙粉末之類的異物存在，或者是張緊輪有油脂滲出，溢漏，從而導致軸承產生短時的卡頓，機械結構內部出現了很大的摩擦力，從而導致聲音很大等原因，但是該車型異響的故障大多數來自于皮帶張力在使用的過程中，不斷地產生張力衰減，此外還有用來張緊皮帶的張緊機構，在經過長時間的使用，由于受到皮帶反作用力的作用，持續不斷的擠壓張緊輪，導致了張緊輪產生松動，從而導致張緊輪設計間隙改變，張緊皮帶的作用明顯減退。

2輪系設計方案

鑒于之前發動機附件驅動輪系的設計方案使用的是手動張緊皮帶結構，需要使用機械式張緊輪來進行皮帶張緊調節，由于其使用過程中，對皮帶的張緊調節不是十分準確，而且隨著發動機的高速、長時間轉動，皮帶的張緊力會不斷地衰減變小，這樣就導致產生異響情況，現綜合考慮發動機放置空間內的剩余空間以及提高輪系的可靠性，決定采用彈性皮帶驅動并且增加輪系中的減震帶輪的設計方案來改善傳動輪系的異響現象。

2.1發動機空間布局

由于發動機室空間有限，而作為發動機結構中，最重要的組成部分—前端輪系，前端輪系設計必須要充分考慮好其部件擺放的相對位置關系，必須要考慮其各部件之間的間隙大小，這是因為在實際生產以及使用過程中，不同的放置位置，會對部件的外形尺寸有不同的生產要求，會對其使用的性能產生不一樣的影響。

2.2帶輪主要設計參數

2.2.1帶輪的輸入包角參數

在進行輪系設計時，尤其是進行張緊輪的張緊力的設計時，首先要進行包角設計，這可以在調整帶輪的相對空間坐標以及改變惰輪的角度給予充分的考慮。有些包角的設計參數范圍可以根據以往設計的經驗值進行設定，具體見表1。

2.2.2帶輪的相對間隙參數

由于發動機艙的空間較為有限，所以在設計時，要充分考慮到輪系之間的相對位置不能過大，否則不僅增加空間占用率，導致生產安裝麻煩，還會因為間隙過大，皮帶的震動幅度增加，從而導致使用效果較差和使用壽命較低，但是也不能過小，過小導致皮帶安裝困難，皮帶與輪系摩擦增大，導致產生異響，再則會增加輪系平面度的安裝標準。在以往的使用設計過程中發現，例如在進行水泵輪系設計時，其平輪的相對位置間隙基本上保持最小50mm，槽輪的相對位置間距為60mm以上，帶輪的相對間隙控制在不大于300mm，具體詳見表2。

2.2.3帶輪的外形尺寸參數

在進行輪系設計時，除了要考慮輪系的相對坐標，還需要考慮整個輪系各部件的外形尺寸大小，因為各部件本身尺寸如果太大的話，不僅僅會影響安裝空間，增加各部件輪系軸承的徑向承受力的大小，從而使得輪系部件的磨損比較嚴重，也增加了整個輪系的功率消耗，導致耗油量間接的增加，還會導致傳動的傳動比改變，從而影響發動機正常工作，但是也不能太小，太小的話，會增加其皮帶受彎曲應力，會導致皮帶使用壽命降低。根據以往的設計經驗可以看出，當帶輪正向彎曲半徑保持在22.5mm以上，反向彎曲半徑尺寸保持在35mm以上最為合理、高效。

2.3輪系設計方案

作為輪系的重要設計參數，張緊力的大小必須要嚴格的合理控制，在進行發動機輪系的研發工作時，也應該考慮到整個環節，比如生產零部件的成本和研發零部件的周期，此外最重要的就是控制整個輪系主要零部件空間坐標的相對穩定，使得其輸出數據較為可靠、穩定，如圖1設計輪系布局就是新設計的輪系零部件的相對空間位置。

2.3.1主要參數模擬輸入

在進行輪系計算時，需要重新選取發動機特性參數、各附件輪系坐標以及皮帶參數。

以某發動機的前端輪系為例，其具體的幾個主要參數為：當車速高速運行時，輪系保持在6200（r/min），怠速運行時，其轉速在750+50（r/min），其具有4個氣缸數，其內的沖程數與氣缸數一致，都為4個；而該發動機的各附件輪系相對位置的坐標參數為：壓縮機的X值為149.30，Y值為-7.25，與水泵間的傳動比為1.34，有效直徑為136mm。

2.3.2參數仿真設計

在確定了輪系的布局設計后，還需要在進行進一步的計算模擬，需要運用Simdrive3D軟件進行模型的搭建，然后在軟件中，輸入設計時所涉及到的有關參數數據，比如各附件的外形尺寸，帶輪間距，帶輪的使用材料、帶輪的轉動慣量，曲軸扭矩角位移等設計數據，然后進行動態模型的仿真研究。

2.3.3打滑及異響測試

在進行仿真的數據分析后，可以看出，前端輪系彈性皮帶的打滑以及因為皮帶抖動而產生的異響現象都滿足了設計要求。其輪系帶輪與皮帶之間的最大打滑率小于3.2%，其平均打滑率基本上控制在2%以內，處于合理的范圍之內，所以，水泵處以及各部件間的打滑率基本上沒有問題。

3結論

本文主要針對現在車型出現的故障進行針對性的設計，提出了使用一種彈性皮帶驅動方案來代替之前使用的可靠性能低、而且操作較為復雜的機械式張緊的驅動方案，以此來解決附件輪系中因為振動而產生的噪音問題，在進行發動機前端輪系的初步設計時，首先對故障原因進行查找、分析，然后根據結果分析，運用標準的發動機輪系設計要求，運用靜態、動態系統軟件對整個系統進行方案設計，這樣做是為了能夠更好地降低了系統研發的時間以及成本花費，最終，此設計方案也得到了很好的市場反應，為后續研發新車型發動機輪系設計提供了很好的借鑒意義。

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