基于Simdrive的發動機前端輪系分析及優化

謝有路，劉彤，羅俊，羅亞偉

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

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基于Simdrive的發動機前端輪系分析及優化

謝有路，劉彤，羅俊，羅亞偉

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章基于Simdrive軟件建立某發動機的前端輔助驅動系統的仿真模型，后通過對系統的各帶輪包角、打滑率、張緊器擺幅、皮帶抖動等指標進行分析優化，以達到優化提高前端輔助驅動系統的穩定性和NVH性能的目的。

Simdrive；前端輔助驅動系統；穩定性；NVH性能

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.024

CLC NO.: U466 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)06-69-03

引言

隨著顧客對整車NVH性能和舒適性的要求越來越高，在發動機設計過程中，對發動機前端輔助驅動系統的穩定性和NVH性能的要求也越來越高，一個發動機若前端輔助驅動系統設計不當，后期在顧客使用過程中很容易就會出現皮帶打滑或者抖動等產生的“嘰嘰嘰嘰”或者“嗚嗚嗚嗚”等的異響，嚴重影響顧客駕駛體驗。本文通過使用Simdrive軟件，對某發動機的前端輔助驅動系統進行動態仿真分析，通過分析優化，在設計開發初期將前端輔助驅動系統的各項指標優化調整到可接受范圍內，以避免后期生產過程中質量問題的發生。

1、Simdrive軟件的簡介及工作原理

Simdrive軟件是一款集成了德國5大OEM工程經驗和研發理念的，前端輪系和正時系統的分析軟件，且目前已經擴展成為了系統級的傳動系統仿真平臺，能夠很好的完成整機的動力性、經濟性、排放、控制策略等的仿真。

Simdrive采用邊界元模型，自動化的積木式建模，無需繪制網格，從皮帶、鏈條到DMF都有獨立的單元模擬，界面和操作方式統一，可以非常簡便迅速的完成建模；且其可以一維和三位模型進行混搭分析，引入柔性體模擬缸體，可以保證輸入參數來源廣泛，設計過程連續無斷層。

使用Simdrive軟件對前端輔助驅動系統進行分析，一般分為五個步驟：建模，動態分析，參數優化，動態分析，參數確定，其中第2、3、4部根據不同發動機可能需要進行多輪調整才可達到最優效果。

2、前端輔助驅動系統主要考核指標及使用Simdrive建立模型

2.1前端輔助驅動系統主要考核指標

2.1.1前端輔助驅動系統各皮帶輪包角及跨長

前端輔助驅動系統即由一條多楔帶驅動發動機附件，如水泵、空調壓縮機、動力轉向泵、發電機等附件，各皮帶輪包角大小會直接影響到系統的性能，若包角太小，則皮帶很難很好的提供驅動附件的驅動力，則皮帶與附件皮帶輪之間會發生打滑，而導致皮帶磨損和異響；因此，在設計前端輔助驅動系統時需要對各帶輪包角進行考量，其主要指標如下表1：

表1　發動機前端輪系布置設計基礎要求

在發動機設計初期，根據以上布置要求，即可得出發動機前端輔助驅動系統的初步布置模型，下面以某一發動機的前端輔助驅動系統為例進行布置及仿真。在發動機設計初期，根據附件功能的需求，會將水泵、發電機、空調壓縮機、動力轉向泵等各附件位置確定下來，如下為某一自然吸氣發動機的附件初始布置位置圖：

圖1　一種發動機的前端輪系各附件位置示意圖

各附件位置確定后，根據以上包角及跨長布置要求，使用皮帶將各附件連接起來，這樣即可得出發動機前端輔助驅動系統的初步布置模型，如下圖：

圖2　前端輪系初步布置方案

2.1.2前端輔助驅動系統各皮帶輪打滑率

通過 Simdrive軟件可以動態計算獲得各皮帶輪的打滑率，根據設計經驗一般其需要小于±3%，才可保證皮帶打滑不會致使皮帶異常磨損和異響。

2.1.3前端輔助驅動系統自動張緊器擺幅

通過 Simdrive軟件可以動態計算獲得自動張緊器的擺幅，若擺幅過大，則張緊器壽命會很低，皮帶抖動會很劇烈，根據設計經驗一般其需要小于 5°，才可保證張緊器的可靠性。

2.1.3前端輔助驅動系統各皮帶段的抖動

通過Simdrive軟件可以動態計算獲得各皮帶段的抖動情況，一般要求抖動需要小于跨長的 5%，否則可能會抖動異響，設置會與周圍邊界零部件干涉而致使皮帶異常破損。

2.2使用Simdrive軟件建立前端輔助驅動系統模型

通過以上2.1.1中方法得到前端輪系的初步布置后，即可通過各帶輪的坐標在Simdrive中建立輪系的初步模型，由于軟件中代表發電機、水泵、惰輪、張緊器等都是模塊化的，因此可以直接選擇相應模型，輸入坐標及直徑即可得到輪系的初步模型，如下圖：

圖3　前端輪系初步布置模型

建立以上模型后需要對每個零部件的單元進行參數設定，每個附件單元都需要輸入其功率扭矩消耗曲線及相應的轉動慣量，并需要對曲軸單元輸入輪系的激勵源，也就是曲軸角振動，皮帶需要輸入相應的線繩等參數，張緊器也需要輸入相應的張力曲線，其具體輸入信息如下：

圖4　各單元需要輸入的信息圖

將以上信息分別輸入至代表該零部件的單元后，輪系建模就完成了，即可開始驅動軟件，對輪系進行動態仿真計算。

3、通過Simdrive對前端輔助驅動系統進行動態計算與優化

通過Simdrive軟件對以上模型進行仿真計算，即可得出輪系的幾個主要關鍵參數隨發動機轉速的變化情況：

3.1各附件的打滑率

圖5　前端輪系各附件打滑率計算結果

要求：各附件打滑率皆小于±3%；在發動機全負載和附件全負載且張緊器張力最小的工況下，仿真計算結果如圖5。

由以上結果可以知道，目前布置方案打滑率符合≤±3%的設計要求。

3.2各皮帶段的抖動情況

要求：各皮帶段抖動需小于皮帶段跨長的 5%，且不會與周圍邊界干涉；在發動機全負載和附件全負載且張緊器張力最小的工況下，仿真計算結果如下：

圖6　前端輪系各皮帶段抖動情況計算結果

由以上結果可以知道，目前布置方案各皮帶段抖動符合設計要求。

3.3自動張緊器擺幅

要求：張緊器在全壽命內擺幅小于5°；在發動機全負載和附件全負載且張緊器張力最小的工況下，仿真計算結果如下：

圖7　前端輪系張緊器擺幅計算結果

由以上計算結果可知，目前前端輪系的布置，在發動機怠速階段張緊器擺幅嚴重超標，很有可能會導致在整車運行時，張緊器提前失效而致使輪系異響甚至會導致整個輪系突然奔潰而釀成慘禍。

3.4調整優化自動張緊器擺幅

由以上計算結果可知，目前前端輪系的布置，張緊器擺幅嚴重超標，很有可能會導致張緊器提前失效而致使輪系異響。因此，需要通過增大張緊器張力、使用輪系調諧原件等方法來提高輪系的穩定性，降低張緊器擺幅。但由于提高張緊器張力會使輪系消耗的摩擦損失提高，而致使發動機油耗偏高，因此，此次選擇增加發電機調諧皮帶輪來提高輪系穩定性，即將原來的發電機皮帶輪由普通帶輪優化為發電機調諧皮帶輪，與普通皮帶輪相比，發電機調諧皮帶輪可以在皮帶轉速需要快速提高和快速下降時，將發電機軸與發電機皮帶輪斷開，這樣皮帶不需要輸出很大的力就可以將整個輪系提高或降低到預期的速度，而負載部分則通過調諧皮帶輪慢慢提高或降低到預期轉速，而達到使輪系穩定的目的。因此，使用彈簧率為0.32Nm/deg的發電機調諧皮帶輪后，輪系張緊器擺幅計算結果如下：

圖8　優化后前端輪系張緊器擺幅計算結果

由上圖可以看出，優化后輪系符合前端輪系設計要求。由此，各項指標均已達標，前端輔助驅動系統設計階段即以完成，從設計初期保證了輪系的可行性和穩定性。

當然，此次分析只是根據某一發動機的前端輪系情況選用了使用發電機調諧皮帶輪的方案來解決存在的問題，而在不同發動機、不同輪系中分析遇到的不同的問題時，可以有非常多的方案來進行選擇，如增大自動張緊器張力、增加自動張緊器阻尼、調整皮帶線繩彈性模量、調整皮帶背部結構、增加惰輪、增加附件帶輪包角等等，這就需要根據具體情況具體分析，對比選擇最優的設計方案，以達到前端輪系的設計需求。

4、結束語

本文以一個簡單的實例，通過使用Simdrive軟件對其前端輪系進行仿真分析，分析得出了前端輪系幾個重要指標的情況，并根據分析結果自動張緊器擺幅過大的情況，調整優化了發電機皮帶輪，由普通皮帶輪改為使用發電機調諧皮帶輪，從而達到了設計目標，避免了后期因張緊器擺幅過大而導致輪系失效、異響等現象的發生，從而避免了后期因質量問題而進行大規模設計變更，造成成本損失和企業形象的損失的慘狀的發生。

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Application of Simdrive on Auxiliary system design

Xie Youlu, Liu Tong, Luo Jun, Luo Yawei
（Anhui jianghuai Automobile Co. Ltd., Anhui Hefei 230601）

It was based on Simdrive to establish a simulation model of Auxiliary system,and optimize the stability and NVH of the system by dynamic simulation of wrap angle,slip of each pulley,tensioner arm motion, and belt span vibration.

Simdrive:Auxiliary system:Stability:NVH

謝有路，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。

U466

A

1671-7988 （2016）06-69-03