BSG雙向張緊器阻尼襯套失效分析

陳浩，韓文飛，許雨濤，李強(qiáng)，劉國(guó)慶，汪名月，趙福成，王瑞平，2

(1.寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司，浙江寧波 315336；2.浙江吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，浙江寧波 315800)

0 引言

目前國(guó)內(nèi)外都在對(duì)BSG新能源車進(jìn)行研發(fā)和應(yīng)用，國(guó)外已有量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)主機(jī)廠于2018年陸續(xù)量產(chǎn)進(jìn)入市場(chǎng)。帶傳動(dòng)一體化起動(dòng)/發(fā)電機(jī)(BSG)轎車屬于弱混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，采用皮帶驅(qū)動(dòng)一體化起動(dòng)/發(fā)電機(jī)技術(shù)，能夠有效降低油耗和改善排放。此種車輛結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)車型改動(dòng)小，控制簡(jiǎn)單、成本低，容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化[1]。

而對(duì)于BSG電機(jī)處于不同工作模式時(shí)張緊器的匹配是相當(dāng)重要的，BSG張緊器為前端附件輪系提供穩(wěn)定的系統(tǒng)張力。如果張緊器失效，BSG電機(jī)將不能實(shí)現(xiàn)自身的功能。目前對(duì)于新技術(shù)的研發(fā)都存在一些經(jīng)驗(yàn)不足，導(dǎo)致系統(tǒng)失效的風(fēng)險(xiǎn)，而通過(guò)試驗(yàn)可以暴露出這些問(wèn)題，經(jīng)過(guò)后期對(duì)失效問(wèn)題分析研究和試驗(yàn)驗(yàn)證，可以明確問(wèn)題發(fā)生的根本原因以及有效的對(duì)策，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)防止后期再發(fā)生。本文作者將對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行討論。

1 BSG雙向張緊器的工作原理

BSG雙向張緊器的工作原理是：張緊器皮帶輪在回位彈簧回彈力的作用下緊壓在皮帶上，使皮帶具有所要求的預(yù)張力，在此預(yù)張力的作用下皮帶即可傳遞扭矩。此時(shí)回位彈簧力與皮帶張緊力相平衡，張緊器初始安裝處于靜止?fàn)顟B(tài)，其扭轉(zhuǎn)彈簧工作扭轉(zhuǎn)角度及其他結(jié)構(gòu)參數(shù)均是固定的，對(duì)皮帶施加的張緊力也是固定的[2]。

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，張緊器皮帶輪在彈簧的作用下自動(dòng)壓緊皮帶，保證系統(tǒng)張力。要使得彈簧扭矩隨擺臂位置的變化保持理想的阻尼特性，通過(guò)彈簧的反作用力來(lái)驅(qū)動(dòng)阻尼元件。理想的阻尼特性所起的作用是在皮帶緊邊的張緊力波動(dòng)稍有增加的前提下，可大幅度減少松邊皮帶的波動(dòng)，從而增加輪系運(yùn)行的平穩(wěn)性[3]。由此可見(jiàn)，阻尼對(duì)輪系而言起著舉足輕重的作用。

2 問(wèn)題描述

在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架耐久試驗(yàn)中，日常停機(jī)檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)皮帶位于帶輪外邊緣，拆掉皮帶使用共面度測(cè)量?jī)x觀察輪系未見(jiàn)異常；復(fù)裝皮帶后，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)行時(shí)皮帶明顯跑出帶輪外邊緣，進(jìn)一步觀察張緊器搖臂之間出現(xiàn)不均勻的間隙(見(jiàn)圖1)，張緊器安裝支架上有金屬粉末，懷疑內(nèi)部零件磨損。

對(duì)張緊器進(jìn)行拆解分析，其余零部件未見(jiàn)異常，只有阻尼襯套發(fā)生磨損失效，嚴(yán)重部分已脫落，磨損嚴(yán)重部分有搖臂鑄鋁露出(見(jiàn)圖2)。由此可見(jiàn)，支架上的金屬粉末是搖臂與阻尼襯套發(fā)生摩擦導(dǎo)致。

圖2 阻尼襯套磨損照片

3 張緊器阻尼襯套失效的原因分析

通過(guò)對(duì)故障件解析初步認(rèn)為，張緊器連續(xù)擺幅大導(dǎo)致阻尼襯套與搖臂之間發(fā)生異常摩擦，導(dǎo)致失效。對(duì)于張緊器試驗(yàn)過(guò)程中擺幅大進(jìn)行如下的分析：

3.1 臺(tái)架試驗(yàn)工況分析

使用高清相機(jī)觀察試驗(yàn)過(guò)程中張緊器擺幅情況，在BSG電機(jī)實(shí)現(xiàn)能量回收工況時(shí)，張緊器連續(xù)擺幅大(最大為12°)，且擺動(dòng)頻率快(頻率為40 Hz)。進(jìn)一步了解，BSG電機(jī)能量回收時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)為全負(fù)荷輸出。

對(duì)整車實(shí)際應(yīng)用條件及標(biāo)定策略進(jìn)行確認(rèn)，整車實(shí)際標(biāo)定策略為制動(dòng)能量回收，即只有制動(dòng)剎車(此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)斷油)才會(huì)實(shí)現(xiàn)能量回收功能，發(fā)動(dòng)機(jī)有負(fù)荷輸出或者全負(fù)荷輸出時(shí)，BSG電機(jī)不能實(shí)現(xiàn)能量回收功能。

因此，臺(tái)架試驗(yàn)方法與整車標(biāo)定策略相悖。臺(tái)架的策略類似于整車上油門和剎車同時(shí)踩到底，實(shí)際應(yīng)用中不會(huì)存在這種現(xiàn)象，由此可以判斷臺(tái)架試驗(yàn)中張緊器已經(jīng)超出了應(yīng)用條件。

3.2 耐久后樣件拆解分析

對(duì)所有耐久后的張緊器樣件進(jìn)行拆解分析，發(fā)現(xiàn)張緊器阻尼襯套失效的均為臺(tái)架耐久，整車無(wú)失效，結(jié)果如下所示：

(1)動(dòng)機(jī)臺(tái)架耐久試驗(yàn)后的張緊器阻尼襯套均出現(xiàn)不同程度的磨損，嚴(yán)重時(shí)有局部脫落的現(xiàn)象，詳見(jiàn)表1。

(2)整車耐久試驗(yàn)后張緊器阻尼襯套均無(wú)磨損，詳見(jiàn)表2。

表1 臺(tái)架耐久后拆解統(tǒng)計(jì)

表2 整車耐久后拆解統(tǒng)計(jì)

通過(guò)對(duì)耐久試驗(yàn)后的樣件拆解分析可知：臺(tái)架試驗(yàn)后張緊器阻尼襯套失效不是偶然的，在臺(tái)架這樣的控制策略下，張緊器阻尼襯套失效是必然的。

3.3 張緊器故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)

按照張緊器試驗(yàn)臺(tái)架極限條件進(jìn)行故障模擬試驗(yàn)，張緊器持續(xù)擺幅加至最大，擺動(dòng)頻率最大，張緊器持續(xù)185 h，這個(gè)時(shí)間和發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上出現(xiàn)連續(xù)擺幅大的時(shí)間基本吻合。由試驗(yàn)結(jié)果可知：4個(gè)張緊器阻尼襯套均發(fā)生嚴(yán)重磨損，失效模式和系統(tǒng)耐久一致，說(shuō)明阻尼襯套磨損失效的根本原因是張緊器連續(xù)擺幅大導(dǎo)致，結(jié)果詳見(jiàn)表3。

表3 模擬試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

3.4 原因分析總結(jié)

BSG電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、測(cè)功機(jī)3個(gè)動(dòng)力源在發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷能量回收時(shí)，是在不同的扭矩方向上工作，且相互之間由于單獨(dú)控制的原因未做適當(dāng)?shù)膭?dòng)力分配及動(dòng)力耦合，造成發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速持續(xù)波動(dòng)，張緊器連續(xù)擺幅超標(biāo)導(dǎo)致內(nèi)部阻尼襯套磨損，這是張緊器阻尼襯套失效的根本原因。

臺(tái)架耐久中BSG能量回收時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷輸出與實(shí)際標(biāo)定策略相悖，導(dǎo)致張緊器處于長(zhǎng)時(shí)間異常工作模式，也超出了張緊器的許用條件，臺(tái)架控制示意見(jiàn)圖3。

圖3 臺(tái)架控制策略示意圖

4 FEAD校核分析

對(duì)張緊器擺幅進(jìn)行校核，當(dāng)BSG電機(jī)處于制動(dòng)能量回收時(shí)，張緊器最大擺幅小于5°，通過(guò)輪系動(dòng)態(tài)計(jì)算分析可知，此套輪系滿足設(shè)計(jì)要求，而實(shí)際臺(tái)架運(yùn)行時(shí)張緊器連續(xù)擺幅已超標(biāo)，張緊器的應(yīng)用已超出許用條件，動(dòng)態(tài)校核分析結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 張緊器擺幅CAE分析

5 輪系測(cè)試

為了驗(yàn)證臺(tái)架試驗(yàn)工況的合理性，分別使用整車ECU、臺(tái)架ECU+BSG單獨(dú)控制，在臺(tái)架上進(jìn)行輪系測(cè)試，結(jié)果如下：

(1)使用整車ECU模擬整車工況，BSG電機(jī)實(shí)現(xiàn)能量回收功能時(shí)，張緊器最大擺幅小于2°，見(jiàn)圖5。

圖5 整車ECU控制輪系測(cè)試數(shù)據(jù)

(2)使用臺(tái)架ECU+BSG電機(jī)(單獨(dú)控制)，BSG電機(jī)實(shí)現(xiàn)能量回收功能時(shí)，張緊器最大擺幅小于4°，見(jiàn)圖6。

圖6 臺(tái)架ECU+BSG控制輪系測(cè)試數(shù)據(jù)

通過(guò)實(shí)際測(cè)試可以確定，在整車實(shí)際運(yùn)行工況下沒(méi)有出現(xiàn)張緊器連續(xù)擺幅超標(biāo)現(xiàn)象，張緊器滿足整車應(yīng)用條件。

6 解決方案

通過(guò)理論分析和實(shí)際測(cè)試可知：臺(tái)架耐久試驗(yàn)工況不合理，即BSG電機(jī)實(shí)現(xiàn)能量回收功能時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)為全負(fù)荷輸出，這種工況已超出了張緊器的許用條件，與實(shí)際整車策略相悖。

特對(duì)試驗(yàn)工況進(jìn)行優(yōu)化(詳見(jiàn)圖7)：BSG電機(jī)能量回收時(shí)給發(fā)動(dòng)機(jī)斷油，由測(cè)功機(jī)拖動(dòng)BSG電機(jī)，同時(shí)BSG電機(jī)扭矩加之最大，實(shí)現(xiàn)最大能量回收功能，這樣就和實(shí)際標(biāo)定策略一致。經(jīng)過(guò)測(cè)試，張緊器擺幅在輪系設(shè)計(jì)要求之內(nèi)，滿足張緊器的許用條件。

圖7 優(yōu)化后臺(tái)架控制策略示意圖

7 結(jié)束語(yǔ)

(1)此次張緊器阻尼襯套磨損的主要原因是臺(tái)架試驗(yàn)工況不合理，張緊器連續(xù)擺幅超標(biāo)、擺動(dòng)頻率大，導(dǎo)致張緊器內(nèi)部阻尼襯套嚴(yán)重磨損；

(2)在新技術(shù)輪系設(shè)計(jì)驗(yàn)證時(shí)，必須要考慮輪系的許用條件，避免由于試驗(yàn)工況不合理造成輪系異常考核；

(3)對(duì)于BSG輪系問(wèn)題的處理，必須對(duì)BSG標(biāo)定策略有較深入的了解，這樣才能加快質(zhì)量問(wèn)題的推進(jìn)和解決。