可實現實際節油的前端附件帶傳動系統

【韓】 J.LEE S.OH K.S.JOO S.YI K-P.HA S.JOO

0 前言

為降低燃油耗及實現能源可持續利用,汽車制造商和各國政府已經作出了相當大的努力。在燃油效率驗證過程中廣泛采用標準燃油效率試驗模式,這是因為燃油耗受到多種變量的影響,如試驗模式、環境溫度和駕駛條件等。盡管如此,不同標準模式和實際駕駛條件下的燃油耗數值差別巨大。如果不考慮為車廂提供適當溫度和電力需求而導致的附件系統損失,要滿足車輛在特定駕駛循環下的實際燃油經濟性數值將極具挑戰性。該研究的目的是要定義前瑞附件傳動的損失并且設計一種改善的策略。

交流電機、空調壓縮機、液壓動力轉向泵和水泵等附件均由發動機扭矩通過多楔帶驅動。盡管使用空調系統會增大燃油耗(因為空調系統需要驅動力矩和電力的支持),但是在試驗標準中僅將其作為5循環修正系數。因此,研究改善前端附件傳動(FEAD)系統仍具有重要意義,對于空調壓縮機和交流發電機尤為如此。

目前,已經有大量利用數學模型和試驗研究帶傳動系統的文獻[1-7]。例如,為了使FEAD系統的功率損失最小化,MACKAY[2]研究了一種能夠降低驅動力矩要求的方法,RODRIGUEZ等[3]開發了一種利用試驗數據計算帶張緊和傳動損失的數學模型。

本文綜合研究了FEAD系統在附件負荷作用下的驅動力矩,評價了能夠改善燃油經濟性的測量結果。

1 系統結構

FEAD系統由多楔帶、惰輪、張緊輪和附件組成,其多楔帶彎曲、惰輪軸承滾動阻力和附件功率消耗等相關能耗情況如圖1所示。使FEAD系統產生的損失最小化是改善車輛燃油經濟性的一種方法。在確定了各個組件的實際節油效果后,對每個組件進行了系統介紹。

1.1 多楔帶

多楔帶損失是分別由激勵頻率、滑動、彎曲、壓縮和張緊剪力導致的。該損失會因角速度、張緊力、皮帶寬度和厚度、塞繩剛度,以及傳動帶輪直徑的變化而有所不同。為了確定皮帶的影響,準備了多種具有不同厚度(4.0 mm、4.4 mm和4.8 mm)和材料(聚酯纖維和芳香尼龍纖維)的試驗樣本。芳香尼龍纖維塞繩的剛度是聚酯纖維塞繩的6倍,通常有助于減小皮帶振動。圖2為多楔帶組織結構圖。

圖1 附件功率消耗結構

圖2 多楔帶組織結構

1.2 惰輪

惰輪滾動阻力受多種因素影響,如轉速、軸承設計、潤滑油屬性、浮動密封、運動半徑、溫度和輪轂負荷等。為使惰輪滾動阻力最小化,必須對每一種因素進行詳細研究。準備了多種具有不同軌道半徑和潤滑油量的試驗樣本。根據測得的數據獲得了各因素相對惰輪滾動阻力的占比,并利用測得的摩擦數據集對力矩進行了標定,這些數據集是從每根軸承的拆解試驗中收集的。在所有測試的變量中,密封摩擦的數值最高(圖3)。

圖3 室溫條件下惰輪力矩貢獻率

1.3張緊系統

張緊系統是影響動力性的主要因素,通過附件的有功波動確定其影響。該系統會產生能夠保持FEAD系統穩定性的阻尼和彈簧彈力,還會通過皮帶張緊影響附件損失、惰輪軸承損失、皮帶抖動損失、彈性滑動損失和系統損失。

1.4 交流電機

交流電機具有高轉速特性和慣性,是FEAD系統中最大的加速器。帶傳動系統的張緊系統主要受諸如驅動力矩和轉動慣量等交流電機參數的影響。為了減小系統的張緊力,交流電機應具有低慣性力和低驅動力,可通過內部設計改善得以實現。如果新設計可使交流電機在保持同等性能水平的條件下減小轉動慣量,這將是通過減小系統張緊力實現驅動力矩減小和功率產生效率改善的重大突破。

交流電機損失主要由受轉速、發電負荷、飽和度和環境溫度影響的機械阻抗、磁阻和電阻組成。此外,阻抗數值因產生電量的不同而有所差異。利用一種可調整環境溫度和發電負荷的專門設計的儀器測量驅動力(圖4)。德國汽車工業聯合會(VDA)效率(ISO 8854)也利用該儀器測量得出。

圖4 附件測量裝置

1.5 空調壓縮機

近年來,空調壓縮機已經成為保持車廂溫度和玻璃除霧不可或缺的設備。盡管空調壓縮機導致的損失在FEAD系統中占比最大,但由于其并未在標準試驗模式中得以考慮,因此在主要的結構改進中并不包括空調壓縮機。盡管如此,在未來的實際駕駛排放(RDE)試驗中還將使用空調,將根據實際道路的CO2排放量評價空調壓縮機。專門設計了一種能夠調節致冷劑溫度和壓力的裝置,利用其測量傳動損失量(圖4)。

1.6 系統布置

由圖5所示,可通過移除2個惰輪并將多楔帶變成折疊布置從而測量驅動力矩的變化量。長度縮短量和包角縮小量的減小會減少能量損失,從而減小驅動力矩,改善燃油效率。

圖5 帶傳動系統布置

2 測量FEAD系統的功率消耗

為了找出能夠減小驅動力矩的可用技術,該研究設計了一種能夠測量功率消耗的專用面板。實車條件下的驅動力矩可利用1個支架將系統直接連接到測功機上進行測量(圖4)。實際上,在利用測功機驅動電機的過程中,匹配車輛的實際驅動力矩是很困難的。但是,該研究專門設計了一種可與實車進行良好關聯的裝置。為了改善附件相關技術,利用圖4中所示的裝置對附件的驅動力矩數據進行了測量。

然后,將專用設備添加到測量裝置中,用于觀察FEAD系統的功能及測量驅動力矩(圖6)。對各種能夠提高燃油效率的零部件進行檢驗后,準備好所選的零部件,利用專用設備對其進行測量。通過在測量裝置中安裝1個扭矩脈沖模擬器(TPS)電機復制了實車起動振動,為了確保一致性,通過控制程序將測得的結果用作輸入數據。為了測量驅動力矩,將扭矩計安裝在電機的軸位置上(圖6)。

圖6 附件帶傳動系統測量裝置

2.1 試驗臺和實車功能測試

為了確定所準備零部件是否可行,必須滿足FEAD系統的基本需求,例如懸跨振動、張緊器運動、濕滑噪聲和黏滑噪聲等。在評價完車輛條件后,將配備了相同結構系統的面板進行實車試驗,利用專門設備TPS進行了具體測量。利用通常被稱為“功能試驗面板”的專門設計支架對該2.0 L柴油機結構進行了模擬和測量(圖6)。應用所準備零部件利用TPS電機進行了功能測試。

為評價通過減少FEAD系統損失對減小皮帶剛度的影響,準備了具有2種不同塞繩結構的皮帶。進行了皮帶初始評價以確保滿足其基本功能需求。

對FEAD系統施加最高激勵力的組件是交流電機。如果可以保持低轉子慣性,同時維持交流電機的性能,將有助于減小系統張緊力和驅動力矩。設計和制造了具有同等性能且低慣性的交流電機,然后評價了皮帶張緊力的減小極限。

在應用低慣性交流發電機時,為保持所開發系統的動力性,對采用的逐步自適應張緊器進行了評價。實施了功能和動態試驗以確定安裝張緊力的極限。試驗結果表明,能夠滿足皮帶系統最重要的功能,例如,皮帶滑移率、自動張緊器運動、皮帶懸跨振動、噪聲和惰輪輪轂負荷等,所采用的裝置見圖6。

表1總結了2.0 L柴油機FEAD系統利用專門設計裝置獲得的功能試驗結果。張緊力的最低限值能夠滿足皮帶系統的基本需求,且僅通過將皮帶塞繩的材料由聚酯換成芳香尼龍纖維,就使穩定動力性所需的張緊力減小6 N。在不存在其他限制的情況下,僅通過改善交流電機的轉動慣量就可使皮帶安裝張緊力減小40 N。

表1 替代零部件的功能模擬試驗結果(采用基礎結構布置)

進行了車輛功能評價,采用專門設計的裝置獲得的模擬試驗結果可應用到實車上。表2總結了利用實車試驗獲得的2.0 L柴油機FEAD系統的功能試驗結果。結果表明,滑移率略微增大,甚至在最小張緊力減小30 N的情況下,由于懸跨振動與評價標準類似,低慣性交流電機的安裝張緊力比傳統交流電機減小40 N。

3 驅動力矩測量

在無交流電機和空調壓縮機負荷的條件下,根據皮帶安裝張緊力評價驅動力矩。圖7為采用改良技術前穩態條件下針對4種安裝張緊力值(從最低張緊力200 N到320 N的發動機安裝張緊力)測得的驅動力矩。但是,這種改善帶來的優勢越來越小,因為當變化低于230 N時,通過進一步減小靜態張緊力獲得的額外改善效果要小得多。要簡化設計結構需要對傳動損失減少量進行預先研究。構建了實際應用的兩級皮帶傳動結構,并且采用與簡化前相同的張緊力在無負荷條件下對其進行了評價(圖8)。結構簡化后,驅動力矩得以極大減小。

表2 實車替代零部件的功能模擬試驗結果(采用基礎結構布置)

圖7 不同系統張緊力下的驅動力矩(當前結構)

圖8 當前結構與簡化結構的驅動力矩比較

考慮到遞減效應,皮帶結構是改善燃油效率最重要的因素。但是,在提升效率的同時必須考慮技術開發的相關成本。

當利用2種不同的皮帶塞繩材料和3種皮帶厚度對傳動損失進行評價時,所獲得的結果(圖9和圖10)與預期的一樣,傳動損失減少量隨皮帶剛度和厚度的減小而減小。此外,針對不同的轉速還存在敏感度差異,尤其是皮帶厚度越薄,高轉速區域的效率越高。

通過增大運動軌道半徑及使潤滑油量最小化,對電阻小于傳統惰輪的零部件進行了評價。由于與其他皮帶傳動系統零部件相比,其改善量很小,并且考慮到開發階段的低電阻特性,因此認為無需對惰輪進行額外的評價或改善。惰輪的規格很重要,但其并不是減少皮帶傳動系統總損失需要考慮的主要因素。

圖9 驅動力矩比較(皮帶塞繩材料)

圖10 驅動力矩比較(皮帶厚度)

4 附件驅動力矩測量

參照目前每種在產類型部件的國際標準,對諸如交流電機和空調壓縮機等主要附件的傳動損失進行了測量,并利用專門設計的設備對實車條件進行了模擬。由于運行過程中多種物理現象的復雜性,很難在模擬條件下定量測量附件的驅動力矩。細致分析了實車內產生的附件負荷條件,并通過盡可能精確地模擬對2種附件的傳動損失進行了測量。通過咨詢零部件制造商,并參照SAE和ISO等國際標準,對測量方法和條件進行了標準化處理。利用這些測得的數據,預測了整個系統的傳動損失。

圖11為通過測量同一供應商提供的旋轉斜盤變排量空調壓縮機的驅動力矩得到的進氣和排氣壓力與轉速的關系圖。傳動損失的敏感度會因轉速以及焓熵圖上致冷劑進排氣時刻的壓力和溫度而有所不同。

圖11 空調壓縮機驅動力矩特性圖

對數據的進一步檢驗結果表明,空調壓縮機在低轉速區域的傳動損失極高,足以抵消發動機在低轉速區域產生的扭矩。為補償低轉速區域的這種傳動損失,必須對發動機進行更加嚴格的燃油消耗控制。盡管旋轉斜盤變排量壓縮機針對減少燃油耗進行了結構改造,但由于旋轉斜盤的調整反應速度太慢,導致大壓縮行程容積產生的能量損失太多。未來排氣評價試驗(RDE試驗)將包含空調壓縮機損失。因此,減少空調壓縮機損失尤為重要,還需要針對這方面進行更多的研究。

空調壓縮機的主要損失包括壓縮功導致的泵氣損失、每個機械零部件導致的摩擦損失和離合器電能損失。空調系統與冷凝器、氣化器、干燥器和室內隔熱條件密切相關。因此,在考慮實車駕駛模式的條件下必須對這些損失中的每一種進行系統評價。

針對每一種環境溫度的交流電機效率和驅動力矩特性圖(圖12)表明,最低效率區域出現在以下2種情況：電流不高于15 A的低轉速、低負荷區域;電流不低于100 A的低轉速、高負荷區域。如果交流電機的轉速由發動機轉速決定,必須通過使用特性圖確定每種轉速下的最有效發電負荷,然后沿最佳效率曲線建立發電策略。

如圖12所示,由于交流電機的傳動損失會因溫度發生很大變化,因此應將外部溫度考慮在內。盡管如此,由于通常采用的國際測量標準ISO 8854僅測量23°C時的數據,因此根據制造商提供的數據很難單獨確定交流電機的實際傳動損失。此外,還發現由國際標準確定飽和度的測量方法也與實際條件不兼容。在實車條件下,交流發電機無法縮短發電時間,直至其達到飽和平衡狀態。與空調壓縮機不同,無論交流電機的比容有多大,根據實際負荷,交流電機之間的傳動損失差別很大。試驗結果表明,隨容量的增大,轉子的尺寸通常也增大,導致轉子旋轉所需的機械損失略有增加。

圖12 交流電機效率和驅動力矩特性圖

成功完成FEAD系統零部件測量后,帶傳動系統改善實車燃油經濟性的潛力很大。圖13所示為未考慮附件負荷條件下的平均摩擦壓力(FMEP)穩態分布。但是,當考慮負荷重新計算損失分布時,FMEP分布變成如圖14所示的狀態。如果測得的2種附件的傳動力矩用FMEP表示,數值要大于發動機在低轉速下的總摩擦損失。正如預測所示,這將成為發動機在低轉速區域驅動的沉重負擔。

圖13 2.0 L柴油機FMEP分布測量結果(未考慮附件負荷)

5 FEAD系統對燃油耗的影響

表3所示為盡可能多地系統研究所有方面得到的FEAD系統驅動力矩改善潛力。傳動損失的改善量會因發動機條件和FEAD系統布置而有所不同。但是,結果明顯表明,無論在何種條件下,通過改善FEAD系統,實車的燃油經濟性改善量超過5%。因此,需要進一步研究在FEAD系統中產生最大量損失的交流電機和空調壓縮機。

圖14 2.0 L柴油機FMEP分布測量結果(考慮附件負荷)

表3 每種FEAD零部件的驅動力矩改善潛力

為了定量確定FEAD系統驅動力矩對實際燃油經濟性的改善量,在驅動皮帶輪上安裝了1個力矩測量裝置(圖15),然后測量了燃油耗。該研究安裝了1個由HA等人[8]先前開發的專用力矩測量裝置,將其安裝在驅動皮帶輪上。在FTP工況和高速駕駛模式下對實車進行了評價。

圖15 實車扭矩計測量機理

在所有駕駛模式下測量了驅動力矩改善前后的平均差值。對于測量中采用的車輛,力矩平均改善量為1 N·m,相應的實車燃油效率改善超過1%。

6 結論

皮帶剛度和厚度會影響FEAD系統的傳動損失。交流電機的轉動慣量會影響系統的安裝張緊力,交流電機的效率和轉動慣量會極大影響系統的傳動損失。FEAD系統的驅動力矩受到安裝張緊力的極大影響。對于較低的皮帶張緊力,隨皮帶張緊力的進一步減小,額外改善量要小得多。為減少傳動損失,FEAD系統最重要的考慮是系統布置對燃油經濟性的影響。

在實車條件下對諸如交流電機和空調壓縮機等具有極高驅動力矩損失的零部件進行了定量測量,在低轉速區域測得的數值高于發動機摩擦力矩值。數據集將測得的數據用于計算總FEAD能量損失。由于FEAD系統得到改善,因此,通過系統優化可使燃油經濟性提高至少5%。利用車載扭矩計測量了實車的平均力矩減小量,結果表明,系統改善直接影響實車燃油耗。