某汽油發動機改造對前端附件驅動系統動態特性影響的研究

賴星

摘 要：結合某款汽油發動機由管道噴射（PI）改造為缸內直噴（DI）的開發，利用實驗與仿真相結合的方法，建立了FEAD系統的動力學模型，從皮帶張力、皮帶抖動、帶-輪滑輪率、張緊器擺角等方面，對比了改造前后的FEAD系統動態特性，驗證了直接改造方案的不足，并提出了增加OAD的方案。

關鍵詞：PI改DI;輔機皮帶系統;動態特性

1 前言

汽車發動機前端附件驅動系統（Front End Accessory Drive系統，簡稱FEAD系統）是給發動機附件提供工作動力的一種帶傳動裝置，其動態特性直接影響附件的工作性能。FEAD系統的動態特性包括：皮帶的動態張力、皮帶的橫向抖動、帶-輪間的滑移、張緊臂的擺角等。當FEAD系統工作時，系統內部產生的振動會加速皮帶的磨損并產生噪音，嚴重時會導致系統失效和損壞，甚至影響整機、整車的技術指標。因此，FEAD系統動態特性的計算分析是發動機設計和開發時需要重點考慮的課題。

某汽車發動機公司計劃對某款汽油管道噴射（PI）發動機進行優化設計，改造為缸內直噴（DI）發動機。為節約開發時間及零件模具成本，計劃最大程度保留原發動機的FEAD系統，但對原FEAD系統能否滿足改造后的動態特性要求，需重新檢討。本文即基于該款發動機的改造背景，通過試驗與仿真相結合的辦法，建立該FEAD系統的動力學模型，模擬在改造前和改造后的動態特性比較，驗證了直接改造方案的不足，并提出了增加OAD的優化方案。

2 FEAD系統動力學模型建立

該款發動機的FEAD系統由五個帶輪和一根多楔帶組成。圖1為該FEAD系統的示意圖。

利用AVL EXCITE Timing Drive軟件，通過各帶輪布置、皮帶特性等各項參數建立初始模型，帶輪的布置參數及皮帶的特性參數分別見表1及表2。

圖2為建立的FEAD動力學模型，使用臺架全負荷下測得的發動機轉速波動作為模型的激勵源，并對各輔機賦予實際的扭矩負載，進行模型的仿真計算。

模型的仿真結果受張緊器參數的影響很大，不同的張緊器參數，仿真的結果千差萬別，很難驗證仿真結果是否準確。在無法準確獲得張緊器參數的前提下，進行臺架測試結果的對比，是有效驗證仿真模型準確與否的方法。

測試的方法是通過應變片測試水泵殼體受力間接獲得水泵段的皮帶張力，通過激光位移傳感器測試皮帶壓縮機-曲軸段的抖動，圖3是測試的原理圖。

通過臺架測試獲得張力及抖動的真實結果，從而調整仿真模型的張緊器參數，修正仿真模型的計算結果與測試結果一致。圖4和圖5分別是仿真與測試的張力和抖動的結果對比，兩者相當吻合，從而判斷模型與實際一致。

3 直接改造方案對比

從PI改造為DI后，為滿足動力性提升需求，發動機扭矩預計提高5%，同時由于整車舒適性提高需要更高的電流輸出及空調制冷能力，對發電機和空調壓縮機的驅動扭矩和轉動慣量都有增大。圖6和圖7分別是PI原機及DI改造方案的發動機扭矩和附件驅動扭矩，表3是附件轉動慣量的對比。

在動力學模型中分別輸入上述改造前后的發動機扭矩、附件驅動扭矩、附件轉動慣量，進行對比分析。對比的結果分別見圖8-圖11。

相比PI原機，DI改造后FEAD系統的張力、抖動及擺角等各方面的動態特性參數都在低速時明顯劣化，對FEAD系統的NVH性能及耐久性能都是非常不利，判斷直接改造方案不可行。

4 新方案提出

由于直接改造方案的弊端都是在于低速時各項動態特性劣化，而根據過往研究表明，在發電機帶輪增加OAD（發電機內裝解藕器皮帶輪），可有效降低FEAD系統在低速下的張力波動及橫向抖動，可進行相關方面驗證。

5 結論

通過本次PI改DI對輔機皮帶系統動態特性影響的研究，獲得以下結論：

（1）明確了PI改DI后FEAD系統的皮帶張力、皮帶抖動、帶/輪滑移率、張緊器擺角等重要的動態特性都會增大，對FEAD系統的壽命及NVH都有不利影響;

（2）造成這種差異的主要原因是改造為DI后，發動機性能提升，導致作用至FEAD系統的交變扭矩變高;

（3）提出在不改動原FEAD系統布置的前提下，增加OAD方案的方向。