汽車發動機附件輪系臺架耐久性試驗及結果分析

馬東元 黃旭 陳楠 張偉 許偉利

摘 要：在汽車發動機的可靠性設計與試驗中，側重于活塞、曲軸等構件，而對于附件輪系的關注度相對較少。國內車企在發動機自主研發中，應增加關于附件輪系的試驗研究，從而進一步提高發動機的整體質量。本文以附件輪系臺架作為研究對象，首先概述了臺架設備的基本組成和安裝要點，隨后開展了臺架耐久性試驗，在該試驗中對發動機的動力性、經濟性，以及NVH得分和附件皮帶張力變化等內容進行了對比、分析。結果表明，發動機各項性能正常，NVH特性良好，附件皮帶未出現明顯磨損，12萬公里內有滿意的可靠度。

關鍵詞：汽車發動機 附件輪系臺架 耐久性試驗 NVH特性

Abstract：In the reliability design and test of automobile engine， components such as piston and crankshaft are focused on， but less attention is paid to accessory gear train. In the independent research and development of the engine， domestic car enterprises should increase the experimental research on the accessory gear train， so as to further improve the overall quality of the engine. Taking the accessory gear train bench as the research object， this paper first summarizes the basic composition and installation points of the bench equipment， and then carries out the bench durability test. In this test， the power and economy of the engine， NVH score and the change of accessory belt tension are compared and analyzed. The results show that the engine has normal performance， good NVH characteristics， no obvious wear of accessory belt， and satisfactory reliability within 120000 km.

Key words：automobile engine， accessory gear train bench， durability test， NVH characteristics

附件輪系是由多楔帶、扭振減振器等多種零部件組成的復雜傳動結構。由于結構組成復雜，任何一個部件出現故障，都有可能導致整個附件輪系的失效。在汽車發動機的各類故障中，因為附件輪系失效引起的故障占比較高。在發動機的設計與研發中，對于附件輪系開展耐久性試驗，能夠使該系統運行中存在的缺陷及時暴露出來，通過設計優化和改良制造，進一步提高發動機的整體可靠性。

1 汽車發動機附件輪系臺架的布置

1.1 臺架設備的基本組成

本次試驗選擇國內某車企的P型發動機。該發動機臺架主要包括了AVL燃油溫控系統、EME水溫控制系統、臺架測試系統等。現選擇其中的臺架測試系統對發動機附件輪系不同失效模式下的耐久性進行試驗。

1.2 發動機臺架的安裝

在試驗室內選擇一處開闊、平整的地面，將一塊帶有減震彈簧的金屬板平鋪在地面上。將發動機專用支架放在金屬板的中間位置，并采用螺絲固定的方式，穿過支架底部的預留螺孔固定到金屬板上。試驗所用飛輪和測試設備，使用帶有減震功能的傳動軸進行連接，可有效降低試驗過程中因為飛輪高速轉動產生的振動影響。進氣系統和排氣系統相互獨立，并且連接完畢后測試進氣阻力、出氣阻力，保證標準工況下的阻力在允許范圍內。為了實時掌握發動機水溫變化，分別在發動機的進口處、出口處安裝了微型溫度傳感器，通過計算溫度差實時觀測溫度變化情況。按照同樣的方式，在空濾的進出口處，安裝了濕度傳感器，用于實時觀測濕度變化情況。

2 臺架耐久性試驗過程

為避免無關因素影響耐久性試驗結果的精度，試驗開始前對發動機的燃油、機油等做出如下要求：（1）燃油.使用97號（RON）汽油，整個試驗中燃油溫度維持在20-30℃之間;（2）機油。使用美孚SM5W-30機油，對溫度無特殊要求;（3）冷卻液。使用50%乙二醇+50%水配制成的冷卻液，整個試驗中冷卻液溫度維持在85-95℃之間。

在明確上述控制要求的基礎上，開始附件輪系臺架的耐久性試驗，基本步驟為：首先，啟動發動機，使其連續運行24h。磨合完畢，將機油、機濾倒入后，重新加入新的機油、機濾，然后開始全負荷試驗。發動機轉速從1000r/min開始，每增加500r/min記錄一次試驗數據，包括功率、燃油消耗比率等。整個試驗中可得到9組數據，利用這些數據繪制發動機性能與轉速變化的關系曲線。除此之外，該試驗中還要跟蹤觀測影響附件輪系耐久性的關鍵指標。本次試驗中共選擇5項指標，分別是：（1）多楔帶稱重。分別在試驗開始前、結束時各稱重1次;（2）附件NVH主觀評價。試驗開始前1次，試驗開始后分別在0h、100h、200h……600h各記錄一次。（3）皮帶靜態張力。測量頻率同上。（4）發動機工況的常規檢查，試驗開始后每隔50h進行1次。（5）發動機保養，試驗開始后每隔100h進行1次。

3 臺架耐久性試驗結果

根據試驗前后記錄的發動機性能變化數據，對比結果如圖1所示。

本次試驗中主要從發動機的動力性和經濟性兩方面出發，分別選擇了功率、燃油消耗比率與轉速變化的對比。結合圖1，在發動機轉速從1000r/min提升至5000r/min的過程中，發動機初試性能和復試性能，都是隨著轉速增加而增加，線性關系明顯。而燃油消耗比率與發動機轉速之間為非線性關系。在4000r/min時燃油消耗比率最高，達到380g/kw·h。

另外，試驗期間從0-600h，等間隔采取了7組數據，用于評價隨著試驗進行發動機附件系統的NVH（噪聲、振動與聲震粗糙度）特性評價，結果如表1所示。

根據表1，該發動機的附件輪系總體得分在7.9-9.4之間，怠速工況下平均得分8.8分，升速工況下平均得分8.7分。對比表1給出的評價標準，評價等級為“好”。

在本次試驗中，用皮帶張力測定儀，在發動機停機養護時測量附件皮帶張力，變化情況如圖2所示。

根據圖2，從整體上來看附件皮帶張力是隨著發動機運行時間的增加而減小的。另外，對比試驗前后附件皮帶的重量變化，試驗前為182.6g，試驗后為181.1g，實際減量為原始質量0.82%，符合相關規定中“磨損量≤1%”的要求。

4 臺架耐久性試驗分析

在發動機滿負荷運轉600h后，各軸承的形狀參數、加速系數等指標統計結果如表2所示。

根據表2，除了惰輪軸承在12萬公里內可靠度稍差外，張緊輪軸承、水泵球軸承和水泵圓柱軸承在12萬公里內的可靠度均超過了50%，達到了比較滿意的效果。

5 結語

在汽車發動機的各項試驗中，附件輪系的耐久性試驗應當引起重視。在該試驗中，通過評價NVH得分情況、附件皮帶張力變化及磨損量變化情況，以及12萬公里內附件輪系各軸承的可靠性，能夠對附件輪系臺架的整體耐久性作出準確評價，為延長其使用壽命和降低發動機運行中的附件輪系故障有積極幫助。

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