某乘用車發動機前端附件驅動系統計算與試驗研究

肖廣朋，吳興亮，王之瑤，李昕，楊軍，王福全

（一汽轎車股份限公司，吉林 長春 130000）

某乘用車發動機前端附件驅動系統計算與試驗研究

肖廣朋，吳興亮，王之瑤，李昕，楊軍，王福全

（一汽轎車股份限公司，吉林 長春 130000）

發動機前端附件驅動（FEAD）系統是汽車中關鍵的子系統，其性能的好壞直接影響發動機動力的輸出、附件的工作以及整車的 NVH 性能。其中自動張緊器是FEAD系統的核心部件，文章基于某乘用車，對發動機FEAD系統自動張緊器結構組成、工作原理、性能指標、理論計算做了詳細的介紹，并對該乘用車發動機FEAD系統性能做了動態仿真計算和整車性能試驗驗證。計算和試驗結果表明FEAD系統性能能夠滿足設計及整車性能要求。

發動機；FEAD；自動張緊器；多楔帶

CLC NO.: U463.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-212-04

引言

發動機前端附件驅動（FEAD）系統是汽車中關鍵的子系統，其性能的好壞直接影響發動機動力的輸出、附件的工作以及整車的 NVH 性能[1-2]。其中自動張緊器是FEAD系統的核心部件,本文對自動張緊器做了系統的研究，并對其結構組成、工作原理、性能指標、理論計算做了詳細的介紹，并對某乘用車發動機FEAD系統性能做了動態仿真和整車性能試驗驗證。為后續整車開發過程中FEAD系統自動張緊器匹配開發提供了理論基礎與試驗支撐。

1、自動張緊器的結構組成、工作原理及性能指標

1.1 自動張緊器結構組成

自動張緊器組成部件有：基座、張緊臂、帶輪、阻尼件、彈簧、銷軸和銷軸襯套等。同時，自動張緊器表面標記有張緊器各個工作位置標示：更換皮帶位置、最長皮帶位置、最短皮帶位置等，自動張緊器的名義位置在最長皮帶位置和最短皮帶位置中間，自動張緊器絕大部分時間都在名義位置附近工作。如圖1所示，為某乘用車發動機FEAD自動張緊器爆炸圖。

1.2 自動張緊器工作原理

圖2.2為某乘用車自動張緊器在FEAD系統中的安裝位置示意圖。

圖2 自動張緊器安裝位置示意圖

當自動張緊器安裝到如圖2-2所示的位置后，多楔帶迂回繞過所有的附件帶輪，如圖中的曲軸、空調壓縮機、轉向助力泵、惰輪、發電機、自動張緊器和水泵，而且，為了保證動力能夠正常傳遞到各個附件上，要求帶具有一定的帶張力。由于自動張緊器在發動機表面固定，底座是與發動機表面固連的，張緊臂能夠繞著銷軸旋轉，所以，張緊臂會在螺旋扭轉彈簧的彈性勢能的作用下，沿彈簧卸載方向轉動，從而帶動張緊臂上的帶輪轉動，如此，帶輪便將多楔帶張緊。

隨著FEAD系統的不斷運轉，多楔帶在摩擦損耗、高溫蠕變等因素的綜合影響下，會逐漸伸長，導致帶張力下降，自動張緊器在螺旋扭轉彈簧的作用下，會繼續驅使張緊臂向著多楔帶方向轉動（即逆時針轉動），從而彌補了傳動帶上的張力下降，繼續維持了傳動帶的張緊[3-4]。反之，當FEAD系統處在加載工況的時候，多楔帶會被進一步的拉緊，此時，在多楔帶的驅動下，張緊臂會繞銷軸沿順時針方向轉動，此時就把FEAD系統的動能轉化為螺旋扭轉彈簧的彈性勢能儲存起來，留作卸載的時候使用。

1.3 自動張緊器的性能指標

針對某乘用車自動張緊器，結合FEAD系統的多楔帶張力、張緊臂擺角及帶-輪間滑移率等性能參數的要求，整車對自動張緊器提出了若干條性能指標：

（1）自動張緊器在工作位置時的扭矩值要滿足整車的要求。

（2）自動張緊器在工作位置時的阻尼值要滿足FEAD系統的要求，以達到減振、減噪的要求，對于對稱阻尼機構來說，阻尼系數一般在 20%-60%的范圍內，而對于非對稱阻尼機構來說，加載方向上的阻尼系數一般在20%-100%范圍內，卸載方向上的阻尼系數一般在 0-20%范圍內。

（3）由于自動張緊器最終是服務于FEAD系統的，所以，有些性能指標要結合系統的性能來進行評價，其他還有一些關于自動張緊器的結構上的性能，如：耐疲勞性能，抗污染性能，抗沖擊性能等，這些性能都需要通過試驗來驗證，以確保自動張緊器產品能夠符合整車的要求。

2、FEAD系統計算原理

由于自動張緊器在發動機前端附件驅動（FEAD）系統中的重要作用，所以，在進行自動張緊器設計的時候，要時刻考慮FEAD系統的性能要求。

發動機前端附件驅動（FEAD）系統主要由3部分組成：皮帶輪、張緊器、多楔帶。在自動張緊器系統設計計算中最主要的設計仿真參數有：張緊臂擺角、帶-輪間滑移率、多楔帶抖動量。下面就對這幾個主要參數的計算原理進行簡單敘述。

2.1 張緊臂擺角

張緊臂擺角計算方程如表1運動方程類型所示。

表1 運動方程類型

第三式中，It是張緊臂轉動慣量，θt是張緊臂擺角；Ct是張緊臂阻尼；Kt是張緊器彈簧剛度；θ0是張緊器初始轉角；Qt是張緊輪兩端帶段對張緊器支點的力矩。

2.2 帶-輪間滑移率

帶-輪間滑移率計算方程如下：

2.3 多楔帶抖動量

多楔帶抖動量的計算十分復雜，只說明計算原理。

圖3 多楔帶抖動量計算原理示意

多楔帶抖動量計算原理：根據弦耦合振動理論或梁耦合振動理論，利用漢密爾頓積分原理，列出帶段運動方程式，最后借助數值積分方法（經典四階龍格庫塔法）求解運動方程的數值解，并最終得到各帶段的抖動量[5-7]。多楔帶抖動量計算原理示意圖如圖3所示。

3、FEAD系統動態計算

本文利用FEAD系統動態分析軟件AVL EXCITE TD對某乘用車FEAD系統張緊臂擺角、帶-輪間滑移率、多楔帶抖動量等參數進行仿真計算。

3.1 動態計算輸入參數

1）輪系坐標

FEAD系統中包括曲軸、空調壓縮機、轉向助力泵、惰輪、發電機、自動張緊器和水泵，各個帶輪在輪系中的坐標如表2所示。

表2 各個帶輪在輪系中的坐標

2）自動張緊器參數

FEAD系統自動張緊器數據參數如表3所示。

表3 自動張緊器數據參數

3）曲軸激振曲線

FEAD系統曲軸激振曲線如圖4所示。

圖4 曲軸激振曲線

4）其他附件性能曲線

FEAD系統影響動態計算的附件還包括發電機、空壓機、動力轉向泵、水泵等，這些附件的性能曲線不再詳細列舉。

3.2 動態計算結果分析

1）張緊臂擺角

發動機在1500rpm全負荷時張緊臂擺角波動最大，最大擺角波動為4.3°，如圖5所示。

2）帶-輪間滑移率

在全負荷時，各帶輪的帶-輪間滑移率均小于3%，如圖6所示。

圖5 FEAD系統張緊器擺角

圖6 FEAD系統各帶輪滑移率

3）多楔帶抖動量

在1800rpm全負荷時，最大皮帶抖動量為14mm，如圖7所示。

圖7 FEAD系統多楔帶抖動量

4）計算結果分析

某乘用車FEAD系統動態計算具體結果分析如表4所示。

表4 計算結果分析

由計算結果可知自動張緊器性能滿足FEAD系統設計要求。此計算為理論動態計算，具體結果以整車系統性能試驗為準。

4、FEAD系統整車性能試驗

為了更好的檢測自動張緊器的性能，以及自動張緊器在FEAD系統中的性能表現，必須進行整車道路性能試驗，將自動張緊器樣件安裝到其匹配的整車的發動機上，同時安裝好其他所有附件及傳動帶，使用德國ROTEC試驗設備進行FEAD系統整車性能試驗。道路性能試驗主要測量的參數有張緊臂的擺角、帶-輪間滑移率、多楔帶抖動量等，試驗工況如表5所示。

表5 道路性能試驗工況

4.1 FEAD系統整車性能試驗結果分析

1）冷啟動時試驗結果

某乘用車FEAD系統冷啟動時性能試驗結果如圖8所示。

圖8 冷啟動性能試驗結果

2）空擋時試驗結果

某乘用車FEAD系統空擋時性能試驗結果如圖9所示。

圖9 空擋性能試驗結果

3）直線道路試驗結果

某乘用車FEAD系統直線道路試驗結果如圖10所示。

圖10 直線道路試驗結果

4）轉向道路試驗結果

某乘用車FEAD系統轉向道路試驗結果如圖11所示。

5）整車性能試驗結果分析

某乘用車FEAD系統整車性能試驗具體結果分析如表6所示。由試驗結果可知自動張緊器性能滿足FEAD系統整車性能要求。

表6 整車性能試驗結果分析

5、結論

發動機前端附件驅動（FEAD）系統是汽車中關鍵的子系統，其性能的好壞直接影響發動機動力的輸出、附件的工作以及整車的 NVH 性能。其中自動張緊器是FEAD系統的核心部件，本文基于某乘用車，對發動機FEAD系統自動張緊器結構組成、工作原理、性能指標、理論計算做了詳細的介紹，并對該乘用車發動機FEAD系統性能做了動態仿真和整車性能試驗驗證。計算和試驗結果表明FEAD系統性能能夠滿足設計及整車性能要求。

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[2] 曾祥坤, 上官文斌, 侯之超. 發動機前端附件驅動系統旋轉振動特性實測與計算方法的研究[J]. 內燃機學報, 2011, 29(04): 355-363.

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[7] 田力. 汽車自動張緊輪設計理論及優化[D]. 上海: 上海大學, 2008.

Front of a passenger car engine accessory drive system calculation and
experimental study on

Xiao Guangpeng, Wu Xingliang, Wang Zhiyao, Li Xin, Yang Jun, Wang Fuquan
( Steamcar Company Limited, Jilin Changchun 130000 )

The engine front end accessory drive (FEAD) system is key subsystems in the vehicle, the stand or fall of its performance directly affect the work of engine power output, attachments and harshness (NVH) performance of the vehicle. Including automatic tensioner is the core component of FEAD system, based on a passenger car, the engine FEAD system automatic tensioner structure composition, working principle, performance index and the theoretical calculation is introduced in detail, and the dynamic simulation of the passenger car engine FEAD system performance calculation and performance test. The results show that the performance of FEAD system can meet the requirements of design and vehicle performance.

engine; FEAD; Automatic tensioner Wedge belt

U463.66

A

1671-7988 (2017)10-212-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.073

肖廣朋，男，（1989-），碩士研究生，就職于一汽轎車股份有限公司。研究方向為發動機應用及發動機前端輪系匹配開發。