V6發動機前端附件系統布置及計算

袁 催，羅世君

隨著發動機前端附件系統布置日趨復雜，汽車電器功率越來越大，發動機前端附件系統的布置與設計將直接影響到發動機的性能，進而影響到整車的工作可靠性及技術指標，因而前端附件系統的布置也越來越引起業內的關注。多楔帶是V型皮帶中傳動效率最高的，利用PK型多楔帶驅動發動機前端各附件已是現代汽車中廣泛應用的附件傳動形式。多楔帶和三角帶類似，一般由三部分組成：頂層纖維、張力線及底層橡膠。多楔帶具有傳動扭矩大、使用壽命長、傳動平穩及傳動效率高等優點，而且可雙面驅動帶輪，既增加了驅動附件的數量，又可滿足輪系布置緊湊性原則。

1 皮帶輪簡介

1.1 發電機單向離合器皮帶輪

多楔帶的結構和材料構成使其質量不斷提高，使用壽命越來越長，壽命一般在80 000 km以上，但即使附件系統能達到設計要求的壽命，但噪音和振動常常是附件系統常見的問題。為減小系統振動與噪音實現系統的平穩可靠性，合理的輪系布置尤為重要。皮帶中心偏差和彈性系統振動是產生系統噪音和皮帶磨損的主要原因。內裝單向離合器的發電機皮帶輪可有效地減小皮帶彈性振動，改善附件系統NVH，提高系統可靠性。

發電機轉子的慣性矩較大，和曲軸的傳動比一般在2～3左右，所以曲軸轉速的波動會通過多楔帶傳遞到每一個驅動附件，其中發電機受到的振動最為嚴重，容易引起多楔帶的打滑并產生振動噪音，甚至降低多楔帶的使用壽命。內裝單向離合器的發電機皮帶輪可有效地解決這一問題，目前應用較廣的皮帶輪結構是OAP皮帶輪。

1.2 OAP發電機皮帶輪

OAP發電機皮帶輪即為發電機超越皮帶輪，分為內圈和外圈兩個部分，當主從動部件速度變化時可以通過內圈和外圈脫離實現自行離合功能。當發動機轉速降低時，OAP皮帶輪內圈轉速超過外圈轉速，皮帶輪立即打滑，此時內圈和外圈之間脫離，外圈隨發動機轉速降低，而內圈轉速仍靠慣性持續高速運轉，但隨著發動機轉速升高，外圈轉速逐漸接近內圈，內外圈恢復了結合狀態，可達到在發動機急停狀態降低發電機急停扭曲振動及保護傳動皮帶作用，降低了皮帶振動改善輪系系統的NVH，延長了皮帶使用壽命。

2 輪系布置原則

前端附件系統是利用多楔帶與帶輪之間的摩擦力，將發動機的動力通過多楔帶傳遞給各驅動附件。為獲得可靠的附件傳動系統，應保證附件系統布置的合理性與可靠性，具體體現在以下幾方面。

2.1 附件帶輪位置及直徑

輪系附件所處位置和帶輪直徑直接影響整個前端附件系統的布置，輪系布置首先必須滿足整車機艙布置要求，盡量保證輪系布置的緊湊性。布置過程中負荷較大的附件盡量布置在曲軸皮帶輪緊邊的位置。負荷相對較小的附件可布置在松邊位置。

根據發動機的轉速范圍和驅動附件的性能要求，確定各附件的傳動比（一般發電機傳動比在2～3左右，空調壓縮機傳動比≥1.2）.在由曲軸皮帶輪直徑和各附件的傳動比確定各附件帶輪直徑。通常正面允許槽輪直徑≥φ55 mm，背部光輪直徑≥φ85 mm.帶輪直徑過小，會導致多楔帶的彎曲變形過大，多楔帶承受較大的拉伸應力，降低使用壽命。

2.2 皮帶張緊和皮帶長度

皮帶張緊形式可分為機械張緊和自動張緊。每個皮帶輪都可以作為附件輪系的機械張緊裝置，盡量做到在松邊張緊。自動張緊器可以控制皮帶張力始終在±5%范圍內，延長皮帶的使用壽命。根據皮帶老化等因素造成的皮帶伸長和皮帶的有效長度偏差，可計算出帶長的變化范圍。在根據皮帶安裝預留量確定張緊器的初始位置和張緊角度。多楔帶老化會引起皮帶有效長度伸長2%左右，多楔帶公差通常是帶有效長度的0.5%左右，多楔帶安裝預留量需求在帶有效長度的1%左右。

2.3 帶輪包角和附件跨度

帶輪的包角是輪系布置中的重要參數之一。布置過程中帶輪的有效直徑及位置決定了帶輪包角的大小。如果帶輪包角不滿足要求，可以通過調整帶輪的位置或者通過增加惰輪、張緊器等背部帶輪來增大槽面帶輪包角。整個驅動輪系一般需要2個背部纏繞帶輪，背部纏繞的帶輪的位置比槽面纏繞的零件包角和性能更為關鍵。皮帶跨度≤75 mm時極容易產生系統噪音，長跨度從背部纏繞零件進入槽輪時也容易產生系統噪音。

2.4 皮帶張力

多楔帶的張力是保證輪系正常工作的重要條件，皮帶張力也是影響多楔帶的使用壽命主要因素，張力過小會產生多楔帶打滑現象，但張力過大又會降低多楔帶的使用壽命。所以在布置過程中應根據設計經驗或通過輪系計算合理給出多楔帶的初張力，對于未使用過的新帶，帶的初張力的確定非常重要，初張力過大，不僅會降低皮帶的使用壽命，還會增加帶輪軸承的負荷，進而影響軸承的使用壽命；初拉力過小，在發動機起動或變工況運轉時，多楔帶由于受帶輪的沖擊，很容易打滑并產生摩擦噪音。

2.5 皮帶中心對齊

附件系統中各附件皮帶中心對齊偏差是產生皮帶噪音與磨損的主要原因。通常累計偏差大于1°時，容易產生振動噪音，當累計偏差大于1.5°時，皮帶會出現明顯的磨損現象。導致皮帶中心對齊偏差的原因有三個：各附件安裝平面的共面度、背部帶輪導致的橫向偏斜、帶輪橫向位移和搖晃，累計產生總的對齊偏差。相鄰附件的安裝平面的的對齊偏差和跨度長短成正比。考慮到皮帶在背部帶輪表面的位移，背部帶輪寬度應大于皮帶寬度1.5～2 mm.帶輪橫向移動或搖晃產生的軸向位移會導致皮帶對齊偏差角度的增加，進而容易引起間歇性的噪音。

2.6 附件支架的設計

附件支架是將各附件安裝在發動機上的支撐結構，其可靠性影響著前端附件系統的正常工作，所以附件支架必須有足夠的剛度和高的制造精度。從拆裝工藝及輪系共面度考慮附件支架設計過程中盡量做成集成形式，集成支架可以安裝所有附件，即可保證輪系共面度要求，而且拆裝更方便。

3 V6發動機輪系布置方案

3.1 基本型輪系

V6發動機基本型輪系驅動的附件有發電機、空調壓縮機。輪系的布置如圖1所示。

圖1 基本型輪系布置

V6發動機衍生機型輪系驅動附件：空調壓縮機、空氣壓縮機、轉向助力泵。其中空調壓縮機尺寸加大，需要重新布置衍生機型輪系。根據機艙尺寸要求，衍生機型輪系分為兩層輪系，內層輪系命名為發電機輪系，驅動發電機、空調壓縮機，輪系布置方案見圖2，不裝空調壓縮機輪系見圖4.外層輪系命名為附件輪系，驅動空氣壓縮機、轉向助力泵，輪系布置方案見圖3.

圖2 發電機輪系布置（裝空調）

圖3 附件輪系布置

圖4 發電機輪系布置（不裝空調）

3.2 輪系的校核計算

發電機輪系曲軸緊邊最大拉力的計算

其中 Kr＝ eμd，α 為帶輪包角。

多楔帶每楔許用張力為155 N，6PK多楔帶張力為930 N，大于輪系最大的設計張力759 N.系統不會出現打滑現象，發電機輪系方案滿足設計要求。

用同樣的方法計算附件系統的曲軸緊邊張力380 N，6PK多楔帶張力930 N，大于最大的設計張力380 N，附件輪系方案滿足設計要求。

3.3 輪系共面度計算

根據尺寸鏈計算整個多楔帶輪系中各帶輪中心平面偏差均未超出1°，輪系共面度滿足設計要求。

3.4 附件支架的設計與剛度及模態計算

V6發動機附件支架為集成支架，方案經多次優化，支架剛度較好，固有頻率較高，各階頻率值均高于發動機最大功率點轉速時的激振頻率。

4 結束語

本文對多楔帶和OAP皮帶輪的結構和工作原理進行了簡單介紹，結合V6發動機前端輪系的布置過程和驗證方法，對發動機附件系統布置的基本原則和驗證方法進行了探究。V6發動機輪系設計方案通過向張緊輪及多楔帶廠家咨詢進行了專業分析計算，并通過多輪耐久試驗考核，確認了整個輪系布置的合理性及可靠性。