某款48 V BSG附件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

陳強(qiáng)，丘勝?gòu)?qiáng)，羅海鵬，吳廣權(quán)，高博

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

面對(duì)越來越嚴(yán)峻的能源和環(huán)保壓力，以及越來越嚴(yán)苛的汽車油耗排放法規(guī)要求，越來越多的主機(jī)廠開始研究各種整車節(jié)油技術(shù)，48 V電氣系統(tǒng)便是其中一種研究應(yīng)用比較廣的技術(shù)。48 V電氣系統(tǒng)是通過在原有的12 V電氣系統(tǒng)上增加48 V電機(jī)以及與之相匹配的電氣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)、助力、能量回收及怠速停機(jī)等功能，以達(dá)到節(jié)油的效果。

根據(jù)48 V電機(jī)布置位置的不同，48 V系統(tǒng)可以分為5類：

(1)P0(也稱BSG(Belt Driven Starter and Generator)):48 V電機(jī)取代12 V電機(jī)，布置在發(fā)動(dòng)機(jī)前端，通過皮帶與發(fā)動(dòng)機(jī)連接；

(2)P1:48 V電機(jī)布置在發(fā)動(dòng)機(jī)輸出端，離合器之前;

(3)P2:48 V電機(jī)布置在介于離合器和變速器之間;

(4)P3:48 V電機(jī)布置在變速器后端，與輸出軸直接連接;

(5)P4:48 V電機(jī)布置在前/后橋，單獨(dú)作為驅(qū)動(dòng)模塊。

文中介紹的是48 V P0系統(tǒng)，在前端附件系統(tǒng)采用48 V BSG系統(tǒng)后，由于發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的附件負(fù)載增加，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件系統(tǒng)影響比較大，需要對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。

文中以某4缸發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一款48 V BSG附件系統(tǒng)方案，遵循靜態(tài)布置原則判別所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)滿足布置要求，通過系統(tǒng)測(cè)試進(jìn)行方案性能評(píng)估，并對(duì)方案存在問題進(jìn)行分析及優(yōu)化,這對(duì)工程開發(fā)具有重要意義。

1 方案設(shè)計(jì)

如圖1所示為某款發(fā)動(dòng)機(jī)48 V BSG前端附件系統(tǒng)布局圖，該48 V BSG附件系統(tǒng)主要由減震皮帶輪(TVD)、空調(diào)壓縮機(jī)、48 V發(fā)電機(jī)、雙向張緊器及皮帶組成。

圖1 48 V BSG前端附件系統(tǒng)布局

一般來說，要判斷附件系統(tǒng)方案的布置是否合理，可以從附件輪包角和帶段長(zhǎng)度等靜態(tài)參數(shù)來判斷系統(tǒng)布置的合理性，表1為各附件輪包角結(jié)果。

由表1可知，帶輪包角基本上滿足設(shè)計(jì)參考值。

表1 各附件輪包角

表2為各帶段長(zhǎng)度結(jié)果。

表2 各帶段長(zhǎng)度

由表2可知，帶段長(zhǎng)度基本上滿足設(shè)計(jì)參考值。

綜上，此系統(tǒng)空間布置比較緊湊，附件輪包角及帶段長(zhǎng)度基本上均能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，所以48 V BSG系統(tǒng)布置上判斷是合理的。

2 TVD方案測(cè)試結(jié)果

該設(shè)計(jì)方案曲軸皮帶輪采用普通減震皮帶輪,附件系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)張力為380 N。

通過Rotec測(cè)試設(shè)備對(duì)此附件系統(tǒng)進(jìn)行整車系統(tǒng)測(cè)試，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的BSG系統(tǒng)性能。

由于在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，張緊臂擺動(dòng)角度是附件系統(tǒng)性能最重要的衡量指標(biāo)，張緊臂擺動(dòng)幅度太大,會(huì)影響系統(tǒng)張力波動(dòng)過大,系統(tǒng)容易引起異響發(fā)生，所以在測(cè)試驗(yàn)證中重點(diǎn)關(guān)注張緊臂的擺動(dòng)幅度指標(biāo)。

如圖2所示為各模式(助力模式、發(fā)電模式、回收模式、48 V啟動(dòng)、12 V啟動(dòng))張緊臂擺動(dòng)量測(cè)試值。

圖2 各模式張緊臂擺動(dòng)角度

由圖2可知，助力模式、48 V啟動(dòng)、12 V啟動(dòng)下張緊臂擺動(dòng)角度均較大，尤其在車輛12 V起動(dòng)機(jī)啟動(dòng)工況更嚴(yán)重,左臂擺動(dòng)角度達(dá)到30°,右臂擺動(dòng)角度達(dá)到50°。在該模式啟動(dòng)時(shí)，出現(xiàn)明顯的異響，如圖3所示為12 V啟動(dòng)異響聲壓級(jí)曲線，聲壓級(jí)最大值為93.3 dB。

從圖2和圖3可以看出，異響發(fā)生時(shí)刻是在左、右側(cè)張緊臂同方向運(yùn)動(dòng)(逆時(shí)針為正值，順時(shí)針為負(fù)值)，且擺動(dòng)角度比較大，此時(shí)張緊輪出現(xiàn)脫離皮帶現(xiàn)象(見圖4)，當(dāng)張緊臂來回運(yùn)動(dòng)時(shí)，出現(xiàn)皮帶與帶輪拍打而引起異響。傳遞到附件端的曲軸角振動(dòng)大小對(duì)張緊器擺動(dòng)影響較大[1]，較大角振動(dòng)會(huì)引起帶輪脫離皮帶，為此，需要對(duì)此方案進(jìn)行優(yōu)化，考慮到空間等因素所限，把曲軸減震皮帶輪更換成隔離皮帶輪，通過隔離皮帶輪的隔振作用，減少傳遞到附件端的角振動(dòng)。

圖3 12 V啟動(dòng)聲壓級(jí)曲線

圖4 異響時(shí)刻張緊輪位置

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

隔離皮帶輪內(nèi)部彈簧結(jié)構(gòu)可以很好地減少對(duì)曲軸傳遞到附件端的扭轉(zhuǎn)角振動(dòng)，緩和沖擊，對(duì)改善張緊臂擺動(dòng)有很好的改善作用，可避免因張緊器擺動(dòng)過大而產(chǎn)生噪聲。

3.1 隔振率理論計(jì)算

隔振率是隔離皮帶輪隔振效果一個(gè)很重要的性能指標(biāo)。如圖5所示為曲軸軸系簡(jiǎn)化的力學(xué)模型。

圖5 曲軸軸系簡(jiǎn)化模型

以隔離皮帶輪外圈Ib作為研究對(duì)象，皮帶輪內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Ia,θa作為附件端(內(nèi)圈)的輸入激勵(lì)，K為隔離皮帶輪彈簧剛度，C為隔離皮帶輪阻尼。則運(yùn)動(dòng)學(xué)公式為

假設(shè)θa=Asin(wt)，則

則皮帶輪外圈響應(yīng)幅值為

隔振率為

由于隔離皮帶輪阻尼很小，可忽略不計(jì)，則ε=0，隔振率可表示為

3.2 隔離皮帶輪方案測(cè)試結(jié)果

各模式張緊臂擺動(dòng)角度如圖6所示。

圖6 各模式張緊臂擺動(dòng)角度

根據(jù)需求隔振效果，匹配相適應(yīng)的隔離皮帶輪，采用隔離皮帶輪后，張緊輪擺動(dòng)角TVD方案得到了改善，如圖6所示為各模式(助力模式、發(fā)電模式、回收模式、48 V啟動(dòng)、12 V啟動(dòng))張緊臂擺動(dòng)量測(cè)試結(jié)果。

從測(cè)試結(jié)果上看，使用了隔離皮帶輪后，各模式張緊器擺幅明顯下降，尤其是12 V啟動(dòng)張緊器左臂擺動(dòng)量最大為17.5°,降幅約為29%；右臂擺動(dòng)量最大約為25°,降幅約為50%,且發(fā)動(dòng)機(jī)并沒有發(fā)生明顯的異響。

圖7為12 V啟動(dòng)聲壓級(jí)曲線，從圖中可以看出，聲壓級(jí)峰值為89.9 dB，較原方案降低約3.4 dB。

圖7 12 V啟動(dòng)聲壓級(jí)曲線

在聲壓級(jí)最大時(shí)刻(即張緊器擺動(dòng)最大),右側(cè)張緊輪沒有脫離皮帶(見圖8)，說明使用帶有減震功能的曲軸皮帶輪對(duì)48 V BSG系統(tǒng)性能具有很好的改善作用，該方案滿足對(duì)系統(tǒng)功能要求。

圖8 張緊輪位置

4 結(jié)束語(yǔ)

48 V BSG附件系統(tǒng)方案可行性需滿足靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果兩方面評(píng)價(jià)結(jié)果。隔離皮帶輪相比TVD對(duì)48 V BSG系統(tǒng)張緊器擺動(dòng)和附件算聲壓級(jí)有較好的優(yōu)化效果，這對(duì)工程實(shí)際應(yīng)用及解決工程實(shí)際問題具有重要意義。