某汽油發動機前端輪系異響問題分析與解決

李 剛

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西 柳州 545005）

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提高和汽車行業的迅速發展，人們對汽車的質量和行駛品質要求不斷提高。發動機前端輪系的異響，不僅導致發動機性能的下降還直接影響整車NVH，所以發動機前端輪系的異響問題的解決，十分重要。

某汽油發動機在方向盤打死時，前端輪系出現打滑異響現象，方向盤回正后異響消除。現場檢測皮帶張緊力，發現皮帶張力下降明顯僅為250N，低于設計值。更換張緊器、壓縮機、壓縮機支架、發電機、轉向泵等輪系附件后異響有所改善，但是在發動機怠速下方向盤打死時異響未完全消除。本文通過對可能造成發動機前端輪系異響的原因進行分析，找到異響的根源，解決輪系異響問題。

1 原因分析

發動機驅動皮帶作為汽車發動機前端輪系外附件，最常見的故障現象主要為異響，皮帶異響主要分為打滑異響和對齊度異響兩類，打滑異響一般通過提高張力、降低扭振、轉動慣量等手段可以解決[1]。依據這一理論，某汽油發動機前端輪系異響問題，首先從皮帶張力、對齊度、共面度方面等方面進行分析。

1.1 張力不足

首先對發動機前端輪系皮帶張力進行測量，張力測試結果如表1所示，皮帶初張力310N，發動機熱機后張力下降僅有250N，張力衰減嚴重，熱態張力不否滿足要求。

表1 張力測試數據

1.2 對齊度、共面度問題

正常運行的輪系，通常相鄰兩輪中心平面偏差應＜0.7°，兩輪角度偏差應≤1°[2]。使用對齊度儀對輪系對齊度進行測量，某發動機輪系對齊度數據為：皮帶輪－壓縮機0.67°，轉向泵－發電機0.7°，對齊度符合設計要求。

共面度理論尺寸計算為合格，由于前端輪系部分零件工裝件的開發周期較長，發動機樣機部分零件采用的是快速樣件，快速樣件制造完成后經測量部分尺寸為不合格。為確保項目進度，裝機進行試驗時尺寸不合格的零件讓步使用。這些尺寸可能會影響到輪系共面度，將尺寸不合格的零件中涉及平面度的尺寸代入計算公式重新檢驗計算共面度。經計算，快速樣件超差的尺寸對共面度影響不大。

1.3 張緊器內部結構問題

由皮帶張力測試數據可知：皮帶初張力310N，怠速熱機后張力為250N，方向盤打死前端輪系有較嚴重的異響。該現象表明張緊器的張力輸出異常，將張緊器拆下進行檢測，發現其阻尼明顯較其他機型類似規格的張緊器低。經拆解，發現張緊器內部阻尼套磨損嚴重（圖1）。結構磨損造成內部配合出錯導致皮帶熱態張力下降，是前端輪系異響的原因之一。

圖1 阻尼套磨損

1.4 轉向泵怠速消耗功率過大

輪系布置方案確認后，由于轉向泵開發周期問題，對轉向泵進行過變更，使用輪徑較小的轉向泵。兩種狀態轉向泵功率一致，除輪徑大小不同外其他狀態相同。雖然轉向泵本體不變，但是直徑由128mm減小為115mm，相同的發動機轉速下小輪徑消耗功率更大。輪徑變小導致轉向泵功率消耗大是前端輪系異響的原因之一。

1.5 張緊輪布置問題

張緊器最初布置在發動機前端輪系左下角（輪系最松邊），后來根據項目要求，在發動機輪系中增加轉向泵。根據整車邊界，轉向泵位需布置在輪系左側偏中下的位置，該處的布置空間狹小，轉向泵布置在此處會與張緊器的工作位置干涉。由于邊界條件不能改動，為避免干涉，將張緊器位置由原先位于發動機輪系左下角移到輪系的右上角，原張緊器的位置由惰輪替代。此時張緊器的新位置位于消耗功率較大處，不在最松邊，存在設計缺陷。張緊器不在最松邊是造成皮帶異響的原因之一。

2 解決方案及效果

綜合以上原因分析，某汽油機前端輪系有打滑異響的主要原因是張力不足、張緊器阻尼系統磨損嚴重、張緊器不在最松邊等原因造成。轉向泵怠速功率消耗過大的問題，通過使用輪徑更大的轉向泵解決，針對其他造成異響原因制定優化方案解決。

2.1 優化張緊器

對張緊器進行優化，增大張緊器的彈簧扭矩，提高張緊器輸出張力，使皮帶張力達到冷機350±5% N ，熱機450±5% N。同時優化張緊器內部結構，重新設計芯軸、底座、張緊臂，其他結構借用量產機型的量產零件，避免張緊器阻尼系統磨損導致張力下降。

將優化后張緊器裝到發動機前端輪系進行驗證，經測量皮帶張力冷機時張力355N ，熱機后張力450N，符合優化設計要求。在整車上進行驗證，怠速時打死方向盤，輪系異響有所改善，僅偶爾出現異響，其他工況如急加速、急減速等無異響。雖然異響問題有改善，但是無法徹底消除異響。再次進行CAE計算，結果顯示皮帶張力需達到900N才能消除異響，提升張力到900N需要再增加彈簧線徑，目前彈簧線徑很大，現有的結構已經無法再增大線徑。優化后的張緊器無法徹底解決異響問題，該方案不可行。

2.2 重新布置輪系

由于原張緊器優化后仍然無法滿足設計要求，所以需重新布置輪系。在發動機本體主要零部件不變更的前提下，調整張緊器的位置，將其布置在最松邊，原張緊器位置由惰輪代替，同時將原來的單層輪系布置改為雙層輪系布置，轉向泵單獨組成一層輪系。

新發動機前端輪系布置分兩層，第一層主輪系（圖2）為：壓縮機、發電機、水泵等輪系附件，用張緊器進行張緊，使用6PK聚酯皮帶驅動；第二層輪系（圖3）：轉向泵、惰輪（新增零件）組成，使用彈性帶由單獨一條皮帶驅動。經Simdrive 3D分析計算，靜態布置及動態計算均符合設計指標。按照新輪系方案制作樣件，在整車上進行驗證，怠速、怠速時方向盤打死、勻速行駛、急加速、急減速、上坡、下坡等各工況均無異響，雙層輪系布置設計滿足要求，發動機前端輪系異響的問題得到徹底解決。

圖2 新輪系第一層主輪系圖

3 新輪系第二層輪系

3 結束語

本文通過對某汽油機發動機前端輪系異響進行分析，找到異響的原因。對張緊器進行優化后異響無法完全消除，最后通過重新布置將單層輪系布置改為雙層輪系布置的方法，壓縮機、發電機、水泵、張緊器為第一層輪系，轉向泵由單獨一條皮帶驅動為第二層輪系，徹底解決輪系異響的問題。為今后汽油發動機前端輪系異響問題的解決提供了一種參考。