發動機皮帶輪系異響分析及改進措施

汽車皮帶傳動系統一般用于發動機前端附件傳動中，是汽車發動機內部傳動系統的重要組成部分，用以將曲軸運動和動力傳遞給其他附件從動輪系。隨著汽車發動機向小型化、高效能化的發展，對汽車皮帶傳動系統的振動、噪聲等提出更高的要求，一個穩定高效的傳動系統不僅能降低傳動系統的振動和噪聲，還能延長皮帶的使用壽命減少維護成本。

本文在國內外對汽車皮帶帶傳動系統振動和噪聲研究的基礎上，針對汽車多楔帶傳動系統減振降噪的要求，通過理論分析深入研究多楔帶橫向振動噪聲和摩擦噪聲的產生機理1]。

汽車發動機前端輪系作為外附件，常見問題主要為異響2，發動機皮帶異響又是目前車輛售后市場主要問題之一，響聲皮帶表現為間斷的“唧唧”聲，在皮帶輪上噴入水霧異響可短暫消失，用工具撥動上部惰輪處皮帶異響聲明顯發生變化直至消失。售后多次反饋發動機彈性多楔帶存在的異響情況，對客戶異響問題現場調查發現多臺車故障模式基本一致，空調輪系上側的皮帶惰輪起動時出現跑偏因而皮帶偏磨產生異響，停車后皮帶能回到輪系中間位置，根據理論分析皮帶偏磨會導致異響產生，本文詳細介紹皮帶異響產生的機理和相應改進方法。

發動機皮帶異響產生機理和判斷方法

異響產生原因：皮帶輪系異響主要分為打滑異響、偏磨噪聲和其他噪聲。

1）打滑異響產生的原因有張緊力不夠[3]、傳動能力不足、帶與帶輪滑差過大，具體又可分為傳動負荷過大、包角過小、設計或使用條數（楔數）不足、轉動慣量設計錯誤、摩擦系數不足、張力設計過小或產品表面（油）污染等。

2）偏磨噪聲主要是帶切入角過大，橡膠和金屬側面摩擦異響，單邊摩擦力過大，具體有：輪系平行度偏差過大；跨距過小，平行度容差小；摩擦系數平行度容差小；張力過大；軸、支架等剛度不足等。

3）其他噪聲主要是帶輪圓度不足、輪背帶背的平整度不足、跨距過長、共振、帶輪卡滯及異物等。

異響判斷方法如下：

1）區分異響類型簡單有效的方法是皮帶運轉時加水，加水后異響變大為打滑噪聲；加水后異響減輕或消失，之后又出現為偏磨噪聲（即共面度問題）；加水后異響無變化為其他噪聲如干涉問題等。

2）還可以觀察異響是否有周期性，主要與帶輪或帶背平整度有關；觀察轉速是否有規律性與共振有關。

3）進一步深入精準的判斷方法：用工具對帶輪各處的皮帶進行撥動或按壓；對于偏磨異響來回撥動效果明顯，可直至消失；對于打滑異響，按壓會改變打滑異響聲音。此種方法需要注意安全問題，在專業人員指導下操作。

結論：模壓帶產品、飛刀產品、正常產品對偏磨的包容性依次減弱。

如何避免異響產生，設計開發前期需要進行充分計算模擬分析，如計算皮帶打滑率、預判是否可能存在打滑、楔數不足及張力不足等問題；通過橫振分析判定是否可能存在共振現象；通過跨距分析，確定允許偏移量，提高設計容差率，降低振動幅度；設計合適的摩擦系數，確保傳動能力和平行度容差達到最佳平衡。

異響問題研究及改進措施

表面初始摩擦系數較低，模壓帶產品的皮帶初始摩擦系數1.0；模壓帶產品在多楔帶偏離實驗平臺上，當偏移輪與主動輪共面度存在 4.5mm 偏差時，未出現異響只出現跳槽現象。

對于偏磨問題異響包容性研究：在同等偏離角度的情況下摩擦系數越大異響聲音及幾率增大，當多楔帶摩擦系數超過1.4時，異響幾率增大。通過對幾種狀態的皮帶進行檢驗驗證可得到以下數據見表1。

在實際應用中可用平行儀檢測輪系平行度判斷是否存在偏磨，還可以從背輪面磨損情況和皮帶楔槽兩側磨損狀態不同來確認，皮帶楔槽兩側狀態如圖1所示。

1）正常產品磨削工藝采用的是金剛砂磨削工藝，初始摩擦系數在1.27左右，當經過使用后摩擦系數在1.3～1.5 。在多楔帶偏離實驗平臺上，當偏移輪與主動輪共面度存在 3.0mm 偏差時，出現異響。

2）飛刀產品是金剛砂磨削工藝改為飛刀磨輪，使得多楔帶表面初始摩擦系數較低。飛刀產品的皮帶初始摩擦系數1.1，在多楔帶偏離試驗平臺上，當偏移輪與主動輪共面度存在 3.5mm 以上偏差，100h運行后才會出現輕微異響。

3）模壓帶產品表面有一層耐磨布層，使得多楔帶

目前售后市場經常反饋的發動機異響問題，經現場調查車子故障模式基本一致，空調輪系上側的皮帶惰輪起動時出現跑偏因而皮帶偏磨，停車后皮帶又能回到輪系中間。測量現場逾 1000km 里程的車子皮帶彈性張力450N左右。根據理論分析， 1000km 換算成臺架驗證試驗大概10h，皮帶初始張力設定在800N左右，彈性帶動態張力衰減曲線圖如圖2所示。

從彈性皮帶張力曲線圖可以看出，皮帶使用10多個小時后張力應該維持在530N左右，現場如圖3所示。測量結果皮帶彈性張力 450N ，顯示皮帶張力不足，張力不足會造成滑差過多導致異響。

分析皮帶張力不足的幾個關鍵因子：線繩即尼龍彈性線拉伸性能、彈性帶成品長度與模量、皮帶拉伸強度與伸長、靜態張力衰減、動態張力衰減與打滑率。

解決方案：在不通過大幅設計變更的條件下，撕裂性能為14.2N，改進后達到40N，抗撕裂性能提升4倍，如圖5所示。

提高皮帶張力是有效的解決方案。提高張力主要通過縮小成型模具外周，在一定范圍內縮短自由狀態長度來提高拉升使用后的張力，調節范圍在 3% 以內。模具外周長度從原先的 1223mm±5mm 縮短為1217mm±5mm ，皮帶初始張力從800N提高到 1000N 這樣實際運行張力可以達到 550～650N 左右。設計更改產品切換上場后售后市場未再反饋有此類問題，異響得到有效解決。

另外從2020年1月到2021年6月近一年半的售后數據進行分析：大部分皮帶故障都是因空調壓縮機抱死、拉缸，曲軸減振器斷裂損壞、惰輪損壞，各占30.8% 、 26% 、 10.3% 。故障車型占比情況分析，攪拌車占 68.5% ，自卸車 11.3% ，載貨車 9.6% ，說明攪拌車、自卸車的超載、急加減速工況對皮帶影響較大。皮帶的故障模式主要有斷裂、打滑、偏磨、異響、皮帶移位、皮帶松及脫落，從皮帶廠家故障占比情況分析其中一家比例在 85% 以上，明顯偏高。

對主要故障皮帶撕裂并伴隨異響問題進行深入分析，認為線繩跟橡膠結合力差導致皮帶容易撕裂。為了不更改皮帶的總厚度對皮帶結構進行優化，從原來的純膠面結構改為膠布結構。皮帶一般結構主要分為頂布層（純膠/膠布結構）、緩沖層（EPDM）、骨架層（聚酯線繩）及楔膠層（EPDM + 芳綸短纖維），如圖4所示。此次結構優化部位為頂布層從純膠改為膠布結構，材質由EPDM + 短纖維改為4501滌棉布 + （EPDM+短纖維），處理工藝優化為浸膠 + 擦膠。

此次改進主要創新點采用膠布結構在不增加皮帶厚度的情況下顯著提升皮帶抗撕裂的強度，原結構抗

通過以上兩方面改進售后故障異響情況明顯減少，皮帶整體故障率下降 70.6% ，其中皮帶松脫落比例也有明顯下降。

結語

本文介紹發動機皮帶異響的類型、產生機理以及如何判斷異響類型，針對不同因素產生的異響制定對應的解決措施。詳細列舉皮帶張力不足、皮帶撕裂問題導致發動機異響問題產生的機理及相應有效改進措施，探討針對各類異響如何有效地做出精準判斷并提出解決方案。

經過兩種售后異響問題改進，有效提升了客戶使用體驗，樹立良好的品牌形象。并通過積累實際應用過程解決問題的有益經驗，反饋給設計研發過程能更充分的進行FMEA分析，識別風險點并在研發中制定標準的研發流程并加以完善，降低新產品開發風險，保證測試和驗證可滿足個性化的需求，真正做到設計開發無風險，制造階段持續改進，本文介紹的異響問題分析及解決措施可供相關行業參考。

參考文獻：

[1]寧凱.汽車多楔帶兩輪傳動系統噪聲機理分析與試驗研究[D].吉林：長春大學，2020.

[2]李文輝，孫百重，趙金龍，等.發動機前端輪系皮帶異響的研究[J].汽車實用技術，2019（21）：65-67.

[3]萬建兵.發動機輪系異響分析[J].南方農機，2019，50（20）：35.AUTO1950