BSG雙向張緊器阻尼襯套失效分析

陳浩，韓文飛，許雨濤，李強，劉國慶，汪名月，趙福成，王瑞平，2

(1.寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，浙江寧波 315336；2.浙江吉利羅佑發動機有限公司，浙江寧波 315800)

0 引言

目前國內外都在對BSG新能源車進行研發和應用，國外已有量產經驗，國內主機廠于2018年陸續量產進入市場。帶傳動一體化起動/發電機(BSG)轎車屬于弱混合動力電動汽車，采用皮帶驅動一體化起動/發電機技術，能夠有效降低油耗和改善排放。此種車輛結構較傳統車型改動小，控制簡單、成本低，容易實現產業化[1]。

而對于BSG電機處于不同工作模式時張緊器的匹配是相當重要的，BSG張緊器為前端附件輪系提供穩定的系統張力。如果張緊器失效，BSG電機將不能實現自身的功能。目前對于新技術的研發都存在一些經驗不足，導致系統失效的風險，而通過試驗可以暴露出這些問題，經過后期對失效問題分析研究和試驗驗證，可以明確問題發生的根本原因以及有效的對策，總結經驗防止后期再發生。本文作者將對這一問題進行討論。

1 BSG雙向張緊器的工作原理

BSG雙向張緊器的工作原理是：張緊器皮帶輪在回位彈簧回彈力的作用下緊壓在皮帶上，使皮帶具有所要求的預張力，在此預張力的作用下皮帶即可傳遞扭矩。此時回位彈簧力與皮帶張緊力相平衡，張緊器初始安裝處于靜止狀態，其扭轉彈簧工作扭轉角度及其他結構參數均是固定的，對皮帶施加的張緊力也是固定的[2]。

發動機工作時，張緊器皮帶輪在彈簧的作用下自動壓緊皮帶，保證系統張力。要使得彈簧扭矩隨擺臂位置的變化保持理想的阻尼特性，通過彈簧的反作用力來驅動阻尼元件。理想的阻尼特性所起的作用是在皮帶緊邊的張緊力波動稍有增加的前提下，可大幅度減少松邊皮帶的波動，從而增加輪系運行的平穩性[3]。由此可見，阻尼對輪系而言起著舉足輕重的作用。

2 問題描述

在發動機臺架耐久試驗中，日常停機檢查時發現皮帶位于帶輪外邊緣，拆掉皮帶使用共面度測量儀觀察輪系未見異常；復裝皮帶后，發動機怠速運行時皮帶明顯跑出帶輪外邊緣，進一步觀察張緊器搖臂之間出現不均勻的間隙(見圖1)，張緊器安裝支架上有金屬粉末，懷疑內部零件磨損。

對張緊器進行拆解分析，其余零部件未見異常，只有阻尼襯套發生磨損失效，嚴重部分已脫落，磨損嚴重部分有搖臂鑄鋁露出(見圖2)。由此可見，支架上的金屬粉末是搖臂與阻尼襯套發生摩擦導致。

圖2 阻尼襯套磨損照片

3 張緊器阻尼襯套失效的原因分析

通過對故障件解析初步認為，張緊器連續擺幅大導致阻尼襯套與搖臂之間發生異常摩擦，導致失效。對于張緊器試驗過程中擺幅大進行如下的分析：

3.1 臺架試驗工況分析

使用高清相機觀察試驗過程中張緊器擺幅情況，在BSG電機實現能量回收工況時，張緊器連續擺幅大(最大為12°)，且擺動頻率快(頻率為40 Hz)。進一步了解，BSG電機能量回收時，發動機為全負荷輸出。

對整車實際應用條件及標定策略進行確認，整車實際標定策略為制動能量回收，即只有制動剎車(此時發動機斷油)才會實現能量回收功能，發動機有負荷輸出或者全負荷輸出時，BSG電機不能實現能量回收功能。

因此，臺架試驗方法與整車標定策略相悖。臺架的策略類似于整車上油門和剎車同時踩到底，實際應用中不會存在這種現象，由此可以判斷臺架試驗中張緊器已經超出了應用條件。

3.2 耐久后樣件拆解分析

對所有耐久后的張緊器樣件進行拆解分析，發現張緊器阻尼襯套失效的均為臺架耐久，整車無失效，結果如下所示：

(1)動機臺架耐久試驗后的張緊器阻尼襯套均出現不同程度的磨損，嚴重時有局部脫落的現象，詳見表1。

(2)整車耐久試驗后張緊器阻尼襯套均無磨損，詳見表2。

表1 臺架耐久后拆解統計

表2 整車耐久后拆解統計

通過對耐久試驗后的樣件拆解分析可知：臺架試驗后張緊器阻尼襯套失效不是偶然的，在臺架這樣的控制策略下，張緊器阻尼襯套失效是必然的。

3.3 張緊器故障復現試驗

按照張緊器試驗臺架極限條件進行故障模擬試驗，張緊器持續擺幅加至最大，擺動頻率最大，張緊器持續185 h，這個時間和發動機臺架上出現連續擺幅大的時間基本吻合。由試驗結果可知：4個張緊器阻尼襯套均發生嚴重磨損，失效模式和系統耐久一致，說明阻尼襯套磨損失效的根本原因是張緊器連續擺幅大導致，結果詳見表3。

表3 模擬試驗統計

3.4 原因分析總結

BSG電機、發動機、測功機3個動力源在發動機全負荷能量回收時，是在不同的扭矩方向上工作，且相互之間由于單獨控制的原因未做適當的動力分配及動力耦合，造成發動機轉速持續波動，張緊器連續擺幅超標導致內部阻尼襯套磨損，這是張緊器阻尼襯套失效的根本原因。

臺架耐久中BSG能量回收時發動機全負荷輸出與實際標定策略相悖，導致張緊器處于長時間異常工作模式，也超出了張緊器的許用條件，臺架控制示意見圖3。

圖3 臺架控制策略示意圖

4 FEAD校核分析

對張緊器擺幅進行校核，當BSG電機處于制動能量回收時，張緊器最大擺幅小于5°，通過輪系動態計算分析可知，此套輪系滿足設計要求，而實際臺架運行時張緊器連續擺幅已超標，張緊器的應用已超出許用條件，動態校核分析結果見圖4。

圖4 張緊器擺幅CAE分析

5 輪系測試

為了驗證臺架試驗工況的合理性，分別使用整車ECU、臺架ECU+BSG單獨控制，在臺架上進行輪系測試，結果如下：

(1)使用整車ECU模擬整車工況，BSG電機實現能量回收功能時，張緊器最大擺幅小于2°，見圖5。

圖5 整車ECU控制輪系測試數據

(2)使用臺架ECU+BSG電機(單獨控制)，BSG電機實現能量回收功能時，張緊器最大擺幅小于4°，見圖6。

圖6 臺架ECU+BSG控制輪系測試數據

通過實際測試可以確定，在整車實際運行工況下沒有出現張緊器連續擺幅超標現象，張緊器滿足整車應用條件。

6 解決方案

通過理論分析和實際測試可知：臺架耐久試驗工況不合理，即BSG電機實現能量回收功能時發動機為全負荷輸出，這種工況已超出了張緊器的許用條件，與實際整車策略相悖。

特對試驗工況進行優化(詳見圖7)：BSG電機能量回收時給發動機斷油，由測功機拖動BSG電機，同時BSG電機扭矩加之最大，實現最大能量回收功能，這樣就和實際標定策略一致。經過測試，張緊器擺幅在輪系設計要求之內，滿足張緊器的許用條件。

圖7 優化后臺架控制策略示意圖

7 結束語

(1)此次張緊器阻尼襯套磨損的主要原因是臺架試驗工況不合理，張緊器連續擺幅超標、擺動頻率大，導致張緊器內部阻尼襯套嚴重磨損；

(2)在新技術輪系設計驗證時，必須要考慮輪系的許用條件，避免由于試驗工況不合理造成輪系異常考核；

(3)對于BSG輪系問題的處理，必須對BSG標定策略有較深入的了解，這樣才能加快質量問題的推進和解決。