基于發電機問題的發動機前端輪系及附件系統設計改進

張鵬程 張靜宇

摘要：前端輪系及附件系統簡稱附件輪系，它的作用是通過皮帶在一定的系統張力下實現動力傳遞，驅動發電機、空調壓縮機、動力轉向泵、水泵等附件功能附件的正常工作，是發動機的重要組成部分之一。其中任何一個部件的布置位置發生較大變化，將直接影響整個附件輪系的布局，需要對附件輪系進行重新設計、校核、分析及驗證。

發電機是附件輪系中重要的零件，它的作用是利用電磁感應的原理，將發動機帶動發電機軸轉動的機械能轉變為電能輸出，在發動機正常運轉時，向除起動機外的所有用電設備供電，同時向蓄電池充電。隨著現代汽車工業的急速發展，整車的用電設備數量也極具增加，所以發電機出現故障，將直接影響整車供電系統以及用電系統的正常工作。

本文結合附件輪系的設計原則，以某發動機搭載越野車項目中發電機不發電故障為背景，通過調查分析，針對越野車的特殊用途，提出了優化發電機布置位置的改進方案，通過對該方案的理論分析及試驗驗證，最終完成對附件輪系進行重新設計，解決發電機問題。

關鍵詞：附件輪系;發電機;越野車;布置

1 問題背景

某型越野車在進行整車強化試驗過程中，累計反饋了10多例電瓶指示燈常亮或車輛無法啟動的故障。通過與試驗人員了解以及對整車的現場確認，得知強化道路試驗需要模擬越野車使用的惡劣環境，試驗過程中整車需要通過水溝、泥坑等道路，發動機涉水浸泡經常放生，這導致發動機底部側部均裹著一層厚厚泥土。通過對車輛的檢測，初步分析該故障為發電機進泥水導致運轉不靈，影響發電機正常發電。

為了進一步分析確認發電機的故障原因，以便后期進行改善，收集了10臺故障發電機，進行單體分析。首先將發電機在性能試驗臺進行檢測，根據檢測結果確定此故障為發電機進泥進水導致發電機碳刷卡滯，最終導致發電機不發電影響整車正常工作。考慮到越野車特殊的使用環境，為了徹底解決此問題，經過研討需要對發電機在附件輪系中的布置位置進行優化。

2 總體方案

圖1是附件輪系變更方案的布置對比，為了盡量減少系統中零件變更，總體方案是將發電機⑤上移到進氣歧管上方，保持在進氣側，空調壓縮機②、水泵③、助力轉向泵④位置保持不變，變更后發電機上移332mm，左移65mm。根據實際零件的布置情況，附件輪系共需要對5個零件進行需要重新設計布置，包括發電機支架、張緊器、皮帶以及兩個惰輪。

1.曲軸皮帶輪;2.空調壓縮機帶輪;3.水泵帶輪;4、助力轉向泵帶輪;5.發電機帶輪;6.張緊器帶輪;7.惰輪;8惰輪;9惰輪.

3 詳細方案

3.1 發電機支架

發電機支架是安裝發電機的主要零件，有固定和支撐發電機的作用。根據輪系布置的需求，還還可以增加其他零件的固定點。發電機上移后，發電機支架需要安裝張緊器和惰輪，所以對發電機支架的設計要求較高。

3.2 惰輪總成

惰輪是兩個不互相接觸的輪中間起傳遞作用的輪。在附件輪系中，如果跨度或包角等因素不滿足要求，將影響附件輪系的正常工作，可以適當的增加惰輪解決此問題。

發電機上移方案中，曲軸皮帶輪、空調壓縮機、水泵、助力轉向泵位置保持不變，發電機位置確定后，為了保證張緊器的張緊，同時保證張緊器帶輪和曲軸皮帶輪的的包角，需要在曲軸皮帶輪和張緊器之間增加一個惰輪，同時由于發電機與助力轉向泵之間跨度太大，需要在發電機與助力轉向泵輪之間再增加一個惰輪，這兩個惰輪可選用同型號的光輪，根據實際的安裝情況，用不同長度的螺栓進行安裝。

3.3 張緊器總成

張緊器是皮帶、鏈條傳動系統上常用的保持裝置，它可以保持皮帶、鏈條在傳動過程中有適當的張緊力，避免皮帶打滑。

發電機上移后，由于發電機的轉動慣量較大，將張緊器安裝位置布置在發電機支架上靠近電機的位置，根據張緊方向的需要，與原張緊器相比需要將張緊器的張緊方向改變為與原方向相反。

3.4皮帶

皮帶是附件輪系中傳遞動力的主要元件，附件輪系設計的過程中，需要進行皮帶材料選擇、長度計算、楔數計算、楔面幾何形狀等參數的設計。

發電機上移后，與原附件輪系相比，由于僅發電機位置上移，皮帶的類型、楔數、楔高、背部高度等參數均可以保持不變，重新計算皮帶長度即可。

4 附件輪系的校核

發電機上移方案確定后，需要對附件輪系進行靜態與動態的校核，用以完善設計，防止因為尺寸等設計不合理導致輪系出現其他問題。

4.1靜態校核

4.1.1 包角校核

附件輪系中，各個帶輪要求的包角與附件傳遞功率大小、帶輪直徑等有關。根據各帶輪包角經驗數據，對發電機上移方案中各個帶輪包角進行校核，符合要求。

4.1.2 共面度校核

附件輪系的共面度是指各個附件輪的共面程度，當共面程度超過一定范圍時，皮帶進入帶槽的帶輪時，就會發生噪音問題。

共面度的校核一般只校核相鄰帶輪均為槽輪的情況，一般情況下相鄰兩輪中心最大平面偏差Z應符合下式：

Z≤L×tan0.7°

式中：Z——共面度要求，表示相鄰兩槽輪中心面軸向偏差最大值;

L——相鄰兩槽輪間皮帶跨距。

發電機上移后，附件輪系中包含的相鄰槽輪只有曲軸皮帶輪→空調壓縮機、發電機→張緊器，通過理論計算，其共面偏差最大值分別為1.63max和1.75max，符合要求。

4.2 動態校核

附件輪系的動態校核主要運用CAE模擬動態運行過程中附件受力、皮帶振動、皮帶打滑情況，通過模擬分析，可得出各帶輪打滑率、各段皮帶抖動量、張緊器擺幅、附件帶輪載荷。根據分析結果對零件進行優化設計。

一般情況下，帶輪打滑率限值2%，大于2%小于3%且無異響也可接受;皮帶抖動量單邊抖動量小于皮帶跨距的5%，同時無異響;皮帶張力一般為每楔小于250N;張緊器振動角位移一般≤5°。動態校核結果表1所示

5試驗驗證

對于發電機上移后的輪系，還需要完成整車的強化驗證，將新狀態的附件輪系裝在前期發電機問題相同的車型上進行強化驗證。

經過驗證，發電機上移后可以有效的避免發電機進泥進水問題。

6 結論

發電機上移后，涉及到輪系附件5個零件重新設計，完成了系統的校核及分析，符合設計要求，同時隨整車通過了強化試驗考核，解決了發電機進泥進水的問題。