柴油發動機前端附件帶傳動系統應用和發展綜述

隋鵬超 程 市 邢 立 尚嘉麗

（1-內燃機可靠性國家重點實驗室 山東 濰坊 261061 2-濰柴動力股份有限公司）

引言

近年來，隨著國六排放標準法規的推行，汽車整車及零部件廠商在節能減排、輕量化、智能化等方面做出了巨大努力。為滿足用戶對整車性能要求的提高，由發動機直接或間接驅動的附件逐漸增多，更優越的NVH 性能和燃油經濟性等也逐漸成為行業競逐的核心目標。

帶傳動作為柴油發動機前端附件系統工作的主要形式之一，借助汽車用V 帶或多楔帶等彈性體，依靠摩擦或嚙合傳遞動力或運動、驅動附件系統，具有結構簡單、成本低廉、振動小、噪聲低等優點。在柴油發動機中，驅動附件有風扇、水泵、發電機、空調壓縮機、空氣壓縮機、轉向泵等。

1 帶傳動的種類及適用范圍

根據皮帶截面形狀，可分為汽車用V 皮帶、同步帶和多楔帶。三者傳遞運動或動力形式如圖1 所示。

圖1 帶傳動中的傳遞運動或動力類型

汽車用V 帶的截面形狀近似為等腰梯形，與帶輪兩環槽側面壓緊產生摩擦力進行傳動，厚度較大、撓性較差、傳遞功率較小，多用于農業收割機、工程機械等有特殊要求及需定期維護的傳動系統中，當多根同時使用時，可作為聯組帶。多楔帶兼有平帶帶體薄、汽車用V 帶接觸面積大及楔緊效應的優點，可驅動較多的附件，現已普遍應用于結構緊湊、帶輪轉速較高的傳動裝置中，需借助自動張緊機構為系統提供合理的張力。同步帶通過帶齒與帶輪輪齒嚙合傳動，傳動誤差小，為保證傳動可靠性，需配合阻尼特性較好的液壓張緊器[1]使用，多用于輕型柴油發動機的正時系統或帶長伸長率較低的帶傳動系統中。

根據張緊型式可分為手動張緊、自動張緊及彈性帶[2]傳動，如圖2 所示。

圖2 不同張緊型式的帶傳動

手動張緊傳動需定期維護，通過改變附件帶輪至合理位置以使系統張力滿足傳動需求。自動張緊傳動具有免維護功能，可通過自動張緊器的往復擺動，吸收帶長變化導致的轉速波動能量，提供合理的系統張力，現普遍應用類型有機械式自動張緊器和液壓式張緊器。彈性帶傳動亦具有免維護功能，但因應用后系統張力衰減過快，目前僅用來驅動小功率附件，濰柴WP10H 發動機空調輪系即為此結構。

2 影響前端附件帶傳動系統的關鍵因素

因受到爆發壓力、慣性力、阻力以及外界反作用力等的影響，曲軸軸系上會產生扭轉、彎曲和縱向振動，最終曲軸各段以不同的轉速波動表現出來。而曲軸皮帶輪（主動輪）作為發動機前端附件輪系的主要激勵源，其轉速不均勻性會通過帶傳遞至附件帶輪，不同附件對系統動態性能產生的影響不同，有研究表明[3]：發動機前端附件輪系中等效轉動慣量最大的從動輪對輪系的動態性能影響最大。一般在實際開發中，為降低附件對發動機前端附件輪系動態性能的影響，需采用減振元件，如減振發電機、芳綸線繩、非對稱阻尼張緊器等[4]。文獻[5]、[6]分別從隔離發電機轉子總成轉動慣量的角度出發，開發了超越單向離合器（Overrunning Alternative Pulley，OAP）或單向離合器解耦器（Overrunning Alternative Decoupler，OAD）應用于等效轉動慣量較大的發電機中，被動地將發電機與曲軸皮帶輪的不規則運動分離開來。通過文獻[7]、文獻[8]可明顯看出，采用OAP 或OAD 發電機后，前端附件輪系的動態性能指標明顯變好，經驗證，應用后還可提升燃油經濟性[9]。機械式張緊器的帶傳動系統中，可通過改變張緊器阻尼大小及形式，來被動地降低附件輪系的動態性能指標[10]。目前，以上所述方案均已在柴油發動機上有所應用。

但應用上述結構有時仍不能充分解決前端附件輪系動態性能較差的問題，下面就解決此問題的關鍵技術及應用進行分析。

3 關鍵技術

通過上文所述，為改善前端輪系的動態性能，有2 方面措施可以實現，一為主動措施，一為被動措施，即從曲軸前端上著手主動降低曲軸皮帶輪的轉速波動，降低發動機前端輪系的激勵源，現具有代表性的關鍵技術產品為曲軸解耦器。再者，從輪系本身考慮，改進皮帶或張緊器來被動地吸收轉速波動所傳遞的能量，現具有代表性的關鍵技術產品為液壓張緊器。

3.1 曲軸解耦器

曲軸解耦器又稱曲軸隔離器，主要包括皮帶輪、彈性元件及阻尼元件等，如圖3 所示。

圖3 曲軸解耦器結構示意圖

低轉速時，皮帶輪與曲軸轉動的相對角度差較小，較低剛度特性的彈簧可吸收來自曲軸轉速不均勻導致的轉矩輸出波動能量，從而隔離低速段皮帶輪輸出的角振動。當曲軸轉速進一步升高時，皮帶輪與曲軸轉動的相對角度差增大，較大剛度特性的彈簧起作用，可吸收更大的曲軸轉矩輸出波動能量。當超速時，彈簧剛度表現出非線性特性，急劇增大，實現曲軸與皮帶輪的近似剛性連接。某曲軸解耦器的性能曲線如圖4 所示。

圖4 曲軸解耦器性能曲線

為保證低轉速時曲軸解耦器可較好地工作，以及轉速升高后，較高剛度的彈簧可平穩工作，避免出現較大沖擊，目前開發曲軸解耦器的關鍵主要集中在彈簧或橡膠剛度的設計及選型上。應用曲軸解耦器可從根源上，降低前后端輸出的轉速波動特性，提高整機NVH 性能，另外還可降低系統張力，減小附件軸荷、增加使用壽命，降低磨損，提高經濟燃油性，與其他新技術，如雙質量飛輪等相結合，可提高整車NVH 性能，并有助于降低怠速、駐車停缸等節油降耗等新技術的廣泛推廣。但產品成本較高，為普通皮帶輪的4～5 倍，而且開發之初，需具體問題具體分析，所開發的產品不具有通用性。

3.2 液壓張緊器

與機械式張緊器不同的是，液壓張緊器利用油液泄露作為阻尼源，其主要由液壓推桿總成、液壓推桿支架、張緊臂及帶輪組成，如圖5 所示。高耐磨性、加載大阻尼/卸載小阻尼、低噪聲、免維護等是液壓張緊器區別于機械式自動張緊器的典型特點，現已普遍應用于發動機正時系統或具有較高轉速波動的發動機中。

圖5 液壓張緊器結構示意圖

其中液壓推桿總成由單向閥、推桿、推桿彈簧、工作腔、儲油腔、油封、缸套及外殼等組成，是組成液壓張緊器的重要精密件。液壓推桿結構示意如圖6所示。

圖6 液壓推桿結構示意圖

當帶輪受到來自帶的加載沖擊載荷時，通過張緊臂推動液壓推桿總成作用，液壓推桿的活動轉軸與推桿相連，推動推桿壓縮工作腔中的液壓油。單向閥關閉，將工作腔與儲油腔隔開，工作腔內壓力升高，通過缸套與推桿間的泄油間隙，液壓油被擠出工作腔流入儲油腔。工作腔空間容積變小，壓力升高，因泄油間隙較小，液壓油流速有限，且液壓油具有不可壓縮性，所以產生較大的阻尼力。此時經活動轉軸、張緊臂將阻尼力和彈簧推力（忽略缸套側壁受到的流體粘滯阻力）作用于帶上，從而抑制帶的加載沖擊載荷。當帶松動時，液壓推桿在彈簧力作用下向活動轉軸側伸長，工作腔空間容積變大，壓力降低，單向閥打開，儲油腔中的液壓油通過單向閥被吸入工作腔，因過油面積較大，液壓推桿所產生的阻尼較小，此時作用在帶上的作用力完全由彈簧提供。液壓張緊器的性能曲線如圖7 所示。

圖7 液壓張緊器性能曲線示意圖

4 國內外研究現狀

4.1 國外研究現狀

國外生產曲軸解耦器的廠家主要為Litens、Schaeffler、Dayco、Gates 等知名廠商，所開發的產品多是在研究分離器基礎上開發的，后期開發產品較多以集成扭振減振器為主。2000 年Klaus B.等人[11]基于離合器從動盤工作原理，開發了一種曲軸解耦器，皮帶輪與輪轂間安裝有環形托架，且環形托架帶有單向超越離合裝置，可限制傳遞的最大轉矩，防止瞬時過載導致打滑。2007 年，Mevissen B.等人[12]發明了一種分離器組件，通過偏置元件和離合元件實現隔離振動與選擇性轉矩傳遞等功能。2009 年，Lehmann 等人[13]發明了棘輪空轉裝置與扭振減振器相耦合的皮帶輪，在慣性工況中，棘輪空轉裝置打開實現無摩擦力矩或僅有小摩擦力矩傳遞；牽引工況時，空轉裝置在牽引方向上閉鎖，傳遞力矩。2013 年，Kibong Yoon等人[14]研究了采用曲軸解耦器和隔振帶輪后，可通過降低系統張力實現提升燃油經濟性。2016 年，Hartmut M.等人[15]改進了棘輪空轉裝置，提高了產品的可靠性。2019 年，Hao Q.Tran 等人[16]將曲軸解耦器與扭振減振器作為一體，為產品集成化設計奠定基礎。2020 年，G?tz 等人[17]改進了弓形彈簧，通過設置多組圓柱形螺旋扭轉彈簧，也可實現曲軸解耦器的功能，該結構對國內開發應用具有較高的參考價值。

對于液壓張緊器，上世紀80 年代，由德國INA公司基于液壓間隙調整器，開發了泄露間隙產生的阻尼與推桿速度成正比的液壓張緊器并應用于六缸汽油機上。1997 年，Cantrell D.[18]通過在液壓張緊器的泄油口設置減壓閥控制泄油壓力，防止液壓油壓力過高引發溫度上升而導致發動機起火。2000 年，Eduard Kratz[19]為避免張緊器工作腔在壓力較高的情況下出現損壞，提出采用一種塑性較好的新型橡膠密封。當帶振動幅度過大，導致張緊器工作腔內壓力過高時，密封橡膠會產生縫隙，釋放出液壓張緊器工作腔中的氣體與少量液壓油，從而降低張緊器工作腔內的壓力。2007 年，Karin K.等人[20]建立了較精確的液壓張緊器仿真模型，并通過仿真與試驗分析了不同類型液壓張緊器的運動特性，綜合考慮溫度、激勵、油壓、泄露間隙等因素研究了液壓張緊器的工作性能。2008 年，Hiroshi T.等人[21]分析了帶有卸荷閥的液壓張緊器，準確預測出卸荷壓力，此時系統張力最小。2010 年，Arbogast G.等人[22]通過改進液壓張緊器，設計儲液槽防止發動機停機過程中由于高壓腔壓力降低緩慢，在單向閥無法順利打開的情況下空氣通過環形阻尼縫隙進入工作腔。2011 年，Lucas G.等人[23]結合理論研究、仿真分析及試驗分析研究了不同組件對液壓張緊器動力學特性的影響，建立了正向開發能力，并可通過優化液壓張緊器關鍵參數提供最優的設計方案。

4.2 國內研究現狀

國內對曲軸解耦器、液壓張緊器等關鍵技術的研究起步較晚。2018 年，上汽集團的肖小勇等基于振動理論建立了曲軸隔振器隔振率的計算表達式，通過Simdrive 3D 軟件仿真與臺架實測對比分析，驗證了理論計算方法的準確性[24]。2019 年，臧新群[25]等利用超越皮帶輪的工作機理，發明了一種內燃機曲軸解耦器，可實現曲軸與帶輪傳遞轉矩的連接與脫離。

2012 年，重慶大學的胡玉梅等[26]采用搭建流固耦合模型確定出了油液狀態，建立了液壓張緊器的數學模型，以最大阻尼力和阻尼能作為評價指標，探究了液壓油和推桿直徑、泄露間隙等結構及外界激勵對液壓張緊器特性的影響。2019 年，吉林大學的馮增銘等[1]從液壓張緊器的結構形式出發，系統性地建立了完整的液壓張緊器設計方法，并對其動力學特性進行了分析及試驗研究。作為國內液壓張緊器主要生產商，四川富臨精工基本具備了設計液壓張緊器的能力及試驗驗證手段。

5 結束語

綜上所述，曲軸解耦器與液壓張緊器的應用與科學技術的發展息息相關。據悉，國內零部件廠家對曲軸解耦器的研究極少，在柴油發動機上的市場應用尚處空白階段。雖然對液壓張緊器的研究已經處于起步階段，一些液壓張緊器生產廠家開始仿制國外產品，但應用效果在密封性、可靠性等方面還存在較大的技術難題，往往在應用時以國外產品為主，導致產品成本居高不下，國內企業短時間內不能掌握關鍵技術，所以設計高可靠性、成本適當的前端附件輪系關鍵產品還需要做很多工作。