某汽油發(fā)動(dòng)機(jī)改造對(duì)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性影響的研究

賴星

摘 要：結(jié)合某款汽油發(fā)動(dòng)機(jī)由管道噴射（PI）改造為缸內(nèi)直噴（DI）的開發(fā)，利用實(shí)驗(yàn)與仿真相結(jié)合的方法，建立了FEAD系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，從皮帶張力、皮帶抖動(dòng)、帶-輪滑輪率、張緊器擺角等方面，對(duì)比了改造前后的FEAD系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，驗(yàn)證了直接改造方案的不足，并提出了增加OAD的方案。

關(guān)鍵詞：PI改DI;輔機(jī)皮帶系統(tǒng);動(dòng)態(tài)特性

1 前言

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（Front End Accessory Drive系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱FEAD系統(tǒng)）是給發(fā)動(dòng)機(jī)附件提供工作動(dòng)力的一種帶傳動(dòng)裝置，其動(dòng)態(tài)特性直接影響附件的工作性能。FEAD系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性包括：皮帶的動(dòng)態(tài)張力、皮帶的橫向抖動(dòng)、帶-輪間的滑移、張緊臂的擺角等。當(dāng)FEAD系統(tǒng)工作時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)加速皮帶的磨損并產(chǎn)生噪音，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失效和損壞，甚至影響整機(jī)、整車的技術(shù)指標(biāo)。因此，F(xiàn)EAD系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的計(jì)算分析是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和開發(fā)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的課題。

某汽車發(fā)動(dòng)機(jī)公司計(jì)劃對(duì)某款汽油管道噴射（PI）發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改造為缸內(nèi)直噴（DI）發(fā)動(dòng)機(jī)。為節(jié)約開發(fā)時(shí)間及零件模具成本，計(jì)劃最大程度保留原發(fā)動(dòng)機(jī)的FEAD系統(tǒng)，但對(duì)原FEAD系統(tǒng)能否滿足改造后的動(dòng)態(tài)特性要求，需重新檢討。本文即基于該款發(fā)動(dòng)機(jī)的改造背景，通過試驗(yàn)與仿真相結(jié)合的辦法，建立該FEAD系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，模擬在改造前和改造后的動(dòng)態(tài)特性比較，驗(yàn)證了直接改造方案的不足，并提出了增加OAD的優(yōu)化方案。

2 FEAD系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型建立

該款發(fā)動(dòng)機(jī)的FEAD系統(tǒng)由五個(gè)帶輪和一根多楔帶組成。圖1為該FEAD系統(tǒng)的示意圖。

利用AVL EXCITE Timing Drive軟件，通過各帶輪布置、皮帶特性等各項(xiàng)參數(shù)建立初始模型，帶輪的布置參數(shù)及皮帶的特性參數(shù)分別見表1及表2。

圖2為建立的FEAD動(dòng)力學(xué)模型，使用臺(tái)架全負(fù)荷下測(cè)得的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)作為模型的激勵(lì)源，并對(duì)各輔機(jī)賦予實(shí)際的扭矩負(fù)載，進(jìn)行模型的仿真計(jì)算。

模型的仿真結(jié)果受張緊器參數(shù)的影響很大，不同的張緊器參數(shù)，仿真的結(jié)果千差萬別，很難驗(yàn)證仿真結(jié)果是否準(zhǔn)確。在無法準(zhǔn)確獲得張緊器參數(shù)的前提下，進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試結(jié)果的對(duì)比，是有效驗(yàn)證仿真模型準(zhǔn)確與否的方法。

測(cè)試的方法是通過應(yīng)變片測(cè)試水泵殼體受力間接獲得水泵段的皮帶張力，通過激光位移傳感器測(cè)試皮帶壓縮機(jī)-曲軸段的抖動(dòng)，圖3是測(cè)試的原理圖。

通過臺(tái)架測(cè)試獲得張力及抖動(dòng)的真實(shí)結(jié)果，從而調(diào)整仿真模型的張緊器參數(shù)，修正仿真模型的計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果一致。圖4和圖5分別是仿真與測(cè)試的張力和抖動(dòng)的結(jié)果對(duì)比，兩者相當(dāng)吻合，從而判斷模型與實(shí)際一致。

3 直接改造方案對(duì)比

從PI改造為DI后，為滿足動(dòng)力性提升需求，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩預(yù)計(jì)提高5%，同時(shí)由于整車舒適性提高需要更高的電流輸出及空調(diào)制冷能力，對(duì)發(fā)電機(jī)和空調(diào)壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)扭矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都有增大。圖6和圖7分別是PI原機(jī)及DI改造方案的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和附件驅(qū)動(dòng)扭矩，表3是附件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的對(duì)比。

在動(dòng)力學(xué)模型中分別輸入上述改造前后的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、附件驅(qū)動(dòng)扭矩、附件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)比的結(jié)果分別見圖8-圖11。

相比PI原機(jī)，DI改造后FEAD系統(tǒng)的張力、抖動(dòng)及擺角等各方面的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)都在低速時(shí)明顯劣化，對(duì)FEAD系統(tǒng)的NVH性能及耐久性能都是非常不利，判斷直接改造方案不可行。

4 新方案提出

由于直接改造方案的弊端都是在于低速時(shí)各項(xiàng)動(dòng)態(tài)特性劣化，而根據(jù)過往研究表明，在發(fā)電機(jī)帶輪增加OAD（發(fā)電機(jī)內(nèi)裝解藕器皮帶輪），可有效降低FEAD系統(tǒng)在低速下的張力波動(dòng)及橫向抖動(dòng)，可進(jìn)行相關(guān)方面驗(yàn)證。

5 結(jié)論

通過本次PI改DI對(duì)輔機(jī)皮帶系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性影響的研究，獲得以下結(jié)論：

（1）明確了PI改DI后FEAD系統(tǒng)的皮帶張力、皮帶抖動(dòng)、帶/輪滑移率、張緊器擺角等重要的動(dòng)態(tài)特性都會(huì)增大，對(duì)FEAD系統(tǒng)的壽命及NVH都有不利影響;

（2）造成這種差異的主要原因是改造為DI后，發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升，導(dǎo)致作用至FEAD系統(tǒng)的交變扭矩變高;

（3）提出在不改動(dòng)原FEAD系統(tǒng)布置的前提下，增加OAD方案的方向。