陳 萌

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

基于彈性皮帶的發(fā)動機附件驅(qū)動系統(tǒng)研究

陳 萌

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

針對新形勢下發(fā)動機附件驅(qū)動系統(tǒng)降成本減重量的需求，提出一種應(yīng)用彈性皮帶的方案。介紹了彈性皮帶的結(jié)構(gòu)、工作原理及應(yīng)用狀況，結(jié)合某開發(fā)中的三缸發(fā)動機，給出了應(yīng)用彈性皮帶的兩種優(yōu)化方案，并進行了一種方案的零部件選型。在驗證階段，使用計算機動態(tài)仿真的方式確認該方案可行，然后通過試制樣件并進行實車動態(tài)測試，確認該發(fā)動機應(yīng)用彈性皮帶的有效性。總結(jié)了在附件驅(qū)動系統(tǒng)中應(yīng)用彈性皮帶的特點及效果。

彈性皮帶；附件驅(qū)動系統(tǒng)；低成本；優(yōu)化設(shè)計；動態(tài)仿真；整車測試

隨著各國對汽車燃油消耗及尾氣排放標準不斷收嚴，更加節(jié)能環(huán)保的小排量車型開始受到整車廠及廣大消費者的青睞。從發(fā)動機的發(fā)展方向來看，小型化、輕量化也已經(jīng)成為主流趨勢。此外，從2015 年開始，我國 1.6 L 及以下小排量發(fā)動機還能享受購置稅優(yōu)惠的政策，這更加刺激了市場對于小排量發(fā)動機的需求。但發(fā)動機小型化、輕量化的過程，是建立在車輛前艙空間縮小、整車價格敏感程度上升的基礎(chǔ)上，因此也對發(fā)動機下的各個子系統(tǒng)帶來了布置空間縮小、降成本減重量壓力上升等方面的挑戰(zhàn)。

發(fā) 動 機 附 件 驅(qū) 動 系 統(tǒng)（Front End Accessory Drive System，F(xiàn)EAD 系統(tǒng)）為發(fā)動機下一個重要的子系統(tǒng)，典型的 FEAD 系統(tǒng)可以簡單理解為由一個主動輪經(jīng)由一根多楔型非彈性皮帶驅(qū)動多個從動輪的系統(tǒng)。傳統(tǒng)的 FEAD 系統(tǒng)中有一個關(guān)鍵零部件：皮帶張緊器。其功用主要是提供足夠的皮帶張力，以保證各條被驅(qū)動的皮帶輪不會打滑[1]，同時也提供阻尼，以降低 FEAD 系統(tǒng)的振動[2]。皮帶張緊器根據(jù)固定方式及位置的不同，需要發(fā)動機本體提供額外的安裝點和安裝空間，在部分應(yīng)用中還會導(dǎo)致皮帶過長。由于張緊器的內(nèi)部零件本身對于沙、石、水、泥等污染物敏感，需要額外的擋泥板保護，導(dǎo)致應(yīng)用皮帶張緊器時需要大量的布置研究，且長期沒有有效的減重降本方案。

針對皮帶張緊器帶來的一些弊端，本文提出了一種 FEAD 系統(tǒng)優(yōu)化思路，在不降低系統(tǒng)性能表現(xiàn)的前提下，實現(xiàn)取消皮帶張緊器，從而達到同時降成本減重量的目的。

1 彈性皮帶簡介

1.1 皮帶結(jié)構(gòu)

目前乘用車發(fā)動機所使用的 FEAD 皮帶為 PK型多楔帶[3]，其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，主要由頂膠、線繩、粘合膠、楔膠組成。其中，皮帶的頂膠和楔膠目前市場上主流的選擇是三元乙丙（EPDM）橡膠[4]，不同廠商的配方略有差異，但對于皮帶的彈性模量變化貢獻并不大。

圖1 PK 型多楔帶結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)芯線的不同，F(xiàn)EAD 皮帶主要分為 3 種：聚酯（Po1yester）線繩皮帶、芳綸（Aramid）線繩皮帶和尼龍（Ny1on）線繩皮帶。不同的芯線具有不同的彈性模量，一般情況下，芳綸線繩＞聚酯線繩＞尼龍線繩[5]，芳綸和聚酯線繩皮帶與尼龍線繩皮帶的彈性模量相差通常在一個數(shù)量級以上。芯線的彈性模量直接決定了皮帶的彈性模量，根據(jù)此特性，芳綸線繩和聚酯線繩皮帶也被稱為非彈性皮帶，尼龍線繩皮帶被稱為彈性皮帶。

1.2 工作原理

由于驅(qū)動輪對被驅(qū)動輪的動力輸入存在方向，故按照其旋轉(zhuǎn)方向的反向，每段皮帶跨長呈現(xiàn)出張力逐段下降的松緊邊現(xiàn)象，如圖2所示。為了避免在松邊張力過小帶來皮帶打滑的風險，需要使用皮帶張緊器在松邊進行張力穩(wěn)定。

圖2 某 FEAD 系統(tǒng)中的松緊邊示意圖

使用芳綸線繩和聚酯線繩的皮帶因其彈性模量巨大，相較皮帶張緊器而言，在 FEAD 系統(tǒng)中對張力穩(wěn)定的貢獻很小。而使用尼龍線繩皮帶因其彈性模量較小，可一定程度上替代皮帶張緊器進行張力調(diào)節(jié)。本文所提出的減重降本的優(yōu)化方案，即使用彈性皮帶替代皮帶張緊器和非彈性皮帶。

1.3 發(fā)展及應(yīng)用狀況

彈性皮帶最初主要應(yīng)用于一些工業(yè)小型機械上，滿足小功率傳動需求，因其產(chǎn)品特性，逐漸進入乘用車傳動皮帶的選擇范圍。但在最初的市場發(fā)展階段，因發(fā)動機升功率上升較快，車載電機功率迅速增長，且供應(yīng)商提供的彈性皮帶選擇范圍小等原因，一直未得到廣泛應(yīng)用。近年來，以法國哈金森[6]、美國蓋茨[7]等企業(yè)為主，各自推出了成熟的彈性皮帶產(chǎn)品，主機廠也可以根據(jù)自身的開發(fā)需求進行彈性皮帶的設(shè)計選型。目前已有現(xiàn)代、福特等整車廠將彈性皮帶作為皮帶張緊器與非彈性皮帶的替代品應(yīng)用在四缸汽油機上，但尚未有主機廠在三缸機上的應(yīng)用案例。本文將結(jié)合某開發(fā)中的自然吸氣三缸汽油機，進行應(yīng)用彈性皮帶優(yōu)化 FEAD 系統(tǒng)的可行性研究。

2 附件驅(qū)動系統(tǒng)布置優(yōu)化方案

以圖 3所示的 FEAD 系統(tǒng)為基礎(chǔ)，曲軸皮帶輪需3個附件，其中空調(diào)壓縮機與發(fā)電機、水泵分別由兩根獨立的皮帶驅(qū)動。驅(qū)動空調(diào)壓縮機與發(fā)電機的主輪系系統(tǒng)使用了皮帶張緊器和非彈性皮帶的組合對張力進行穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

圖3 某開發(fā)中的 FEAD 系統(tǒng)示意圖

針對目前的輪系布置，若應(yīng)用彈性皮帶，可產(chǎn)生兩種優(yōu)化方案。

2.1 優(yōu)化方案一

如圖4所示，使用彈性皮帶替代非彈性皮帶，取消皮帶張緊器，同時為保證曲軸皮帶輪和發(fā)電機皮帶輪的皮帶包角要求，需增加一個惰輪。本方案對發(fā)動機本體的更改影響較小，僅需在原皮帶張緊器處尋找一惰輪安裝位置即可。由于本方案實施周期更短，與驗證窗口更吻合，后續(xù)的討論將基于此方案。

2.2 優(yōu)化方案二

如圖5所示，在方案一的基礎(chǔ)上，考慮到水泵的功率一般較小，可以使用多楔帶背部進行驅(qū)動，將水泵布置在原惰輪的位置，并使用水泵皮帶輪替代惰輪。該方案可以取消一套輪系，進一步優(yōu)化布置空間，同時極大地降低 FEAD 系統(tǒng)的成本。但是由于該方案需要對發(fā)動機本體、往復(fù)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)進行較大的改動，考慮到變更成本及時間因素，只進行了 FEAD 系統(tǒng)的靜態(tài)計算，未對此方案進行如動態(tài)仿真、實車測試等進一步的研究。但是從彈性皮帶的工作原理及該布置的布局而言，此方案是切實可行的。

圖4 優(yōu)化方案一示意圖

圖5 優(yōu)化方案二示意圖

3 零件設(shè)計選型

彈性皮帶：在原 FEAD 系統(tǒng)中，各帶輪均為 5槽，因此優(yōu)化方案一中將使用5槽的尼龍線繩彈性皮帶。根據(jù) FEAD 系統(tǒng)的靜態(tài)計算，皮帶的名義長度設(shè)置為 1 150 mm。

惰輪：惰輪的位置選擇由帶輪包角、皮帶最小跨長[8]、前蓋上可提供安裝點的區(qū)域三個因素決定；惰輪的尺寸及型號選擇主要由皮帶的彎曲強度、纏繞方式及軸承所承載的徑向載荷所決定[9]。基于以上設(shè)計輸入，優(yōu)化方案一中使用的惰輪設(shè)計為單排深溝球軸承、75 mm 直徑的平惰輪。

惰輪支架：在優(yōu)化方案一中，如果直接安裝惰輪，需要對發(fā)動機前蓋的設(shè)計進行更改，但受制于更改周期較長，無法滿足試驗窗口需求，所以選用一個過渡支架來連接皮帶張緊器安裝點到惰輪安裝點。同時過渡支架的設(shè)計應(yīng)當滿足一定的振動模態(tài)及強度要求，需要進行相應(yīng)的 CAE 分析[10]。

4 計算機動態(tài)仿真

計算機動態(tài)仿真是 FEAD 系統(tǒng)設(shè)計驗證的重要環(huán)節(jié)，主要使用的工具是德國 Contecs Engineering Service 公司開發(fā)的 SimDrive3D 仿真軟件[11]。在該軟件中，針對優(yōu)化方案一的動態(tài)仿真輸入主要包括：

（1）發(fā)動機基本參數(shù)。

（2）飛輪型式及轉(zhuǎn)動慣量。

（3）皮帶基本參數(shù)。

（4）曲軸轉(zhuǎn)速波動。

（5）發(fā)電機和空調(diào)壓縮機的功率-轉(zhuǎn)矩曲線。

（6）各附件的轉(zhuǎn)動慣量。

（7）各皮帶輪的坐標位置。

SimDrive 3D 會通過步長迭代的方法進行各類仿真計算的輸出。本次仿真中，重點關(guān)注的內(nèi)容包括以下幾個方面：

（1）在最小皮帶張力下的每兩個相鄰皮帶輪之間皮帶跨長 1/2 處的橫向抖動量[12]，以到平衡位置的最大距離衡量，要求不超過該段皮帶跨長的一定比例。

（2）在最小皮帶張力下的每個皮帶輪的打滑率[13]，以一定轉(zhuǎn)速域內(nèi)所有數(shù)據(jù)點的平均打滑率和最大打滑率衡量，要求不超過一定百分比。

（3）在最大皮帶張力下的每個皮帶輪的徑向載荷，用于校核各個皮帶輪軸承壽命及安裝點的結(jié)構(gòu)強度，以滿足軸承壽命及安裝點強度要求為準。

本次仿真的工況為發(fā)動機全油門，從怠速到斷油轉(zhuǎn)速，同時 FEAD 系統(tǒng)全負載，將系統(tǒng)的皮帶最小名義張力設(shè)置在 300 N，最大名義張力設(shè)置在600 N，中位名義張力設(shè)置在 450 N。優(yōu)化方案一的動態(tài)仿真結(jié)果如下：

圖6 最小皮帶張力下，空調(diào)壓縮機皮帶輪到曲軸皮帶輪，皮帶跨長抖動量

圖7 最小皮帶張力下，發(fā)電機皮帶輪到空調(diào)壓縮機皮帶輪，皮帶跨長抖動量

圖8 最小皮帶張力下，空調(diào)壓縮機皮帶輪打滑率

圖6為空調(diào)壓縮機到曲軸皮帶輪的皮帶跨長抖動量，圖7為發(fā)電機到空調(diào)壓縮機皮帶輪的皮帶跨長抖動量。紅藍線分別代表皮帶在橫向抖動的正向和負向上的最大抖動量，均在接受標準內(nèi)。

圖8～10是每個從動皮帶輪的打滑率，藍線為最大打滑率，紅線為平均打滑率，均在接受標準內(nèi)。

圖11是每個皮帶輪的中心載荷，根據(jù)與此前使用皮帶張緊器和非彈性皮帶組合的仿真結(jié)果及相應(yīng)的軸承壽命評估和安裝點載荷分析對比，每個皮帶輪的中心載荷均可接受。

從動態(tài)仿真結(jié)果可以看出，使用優(yōu)化方案一符合 FEAD 系統(tǒng)的性能要求。

圖9 最小皮帶張力下，發(fā)電機皮帶輪打滑率

圖10 最小皮帶張力下，惰輪打滑率

圖11 最大皮帶張力下，每個皮帶輪中心載荷

5 實車動態(tài)測試

第4節(jié)中作為系統(tǒng)激勵的曲軸轉(zhuǎn)速波動，是在發(fā)動機前期開發(fā)時的仿真結(jié)果，并未在真實車輛上進行采集。為了進一步驗證實車應(yīng)用環(huán)境中，彈性皮帶性能是否如同預(yù)期，需要進行實車動態(tài)系統(tǒng)驗證。同時，在實車上測得的曲軸轉(zhuǎn)速波動，也可以成為提升 FEAD 系統(tǒng)動態(tài)仿真準確性的一個重要方式。

針對優(yōu)化方案一，進行了兩種名義張力的彈性皮帶樣件試制，分別略低于和略高于最小名義張力，并試制了惰輪及其在發(fā)動機前蓋上的安裝支架。出于整車前艙布置空間的限制及測試效率的考慮，實車動態(tài)測試僅進行了空調(diào)壓縮機打滑率、發(fā)電機皮帶輪打滑率、曲軸皮帶輪到空調(diào)壓縮機皮帶輪皮帶跨長抖動量的測試。實車測試過程中，通過對發(fā)動機加載狀況、被驅(qū)動附件加載狀況進行了不同的組合測試來進行交叉驗證。

限于篇幅，本文僅對最惡劣的工況進行討論，即發(fā)動機與 FEAD 系統(tǒng)均全負載。實車測試數(shù)據(jù)如下：

圖12 ～ 15 分別為空調(diào)壓縮機皮帶輪及發(fā)電機皮帶輪在兩種皮帶名義張力下的打滑率，圖中紅線為峰值打滑率，綠線為平均打滑率。

圖16 ～ 17 為空調(diào)壓縮機皮帶輪到曲軸皮帶輪段在兩種名義張力下的皮帶跨長抖動量，圖中紅線和綠線分別表示皮帶橫向抖動的兩個方向的峰值，藍線為其中值。

從測試結(jié)果來看，空調(diào)壓縮機皮帶輪打滑率在兩種皮帶張力下均符合要求；空調(diào)壓縮機皮帶輪到曲軸皮帶輪的皮帶跨長抖動量均符合要求。

圖12 空調(diào)壓縮機皮帶輪實測打滑率（低于最小皮帶名義張力）

圖13 空調(diào)壓縮機皮帶輪實測打滑率（高于最小皮帶名義張力）

圖14 發(fā)電機皮帶輪實測打滑率（低于最小皮帶名義張力）

圖15 發(fā)電機皮帶輪實測打滑率（高于最小皮帶名義張力）

發(fā)電機皮帶輪打滑率在低皮帶名義張力下的低轉(zhuǎn)速區(qū)間時，峰值打滑率及平均打滑率均略超出接受標準；在高皮帶名義張力下，低轉(zhuǎn)速區(qū)間的峰值打滑率略超出接受標準。同時可以看出，提升皮帶的名義張力，對打滑率的下降有明顯影響。

1.4.1 癥狀積分 陰道炎的癥狀主要有外陰瘙癢或紅腫、陰道充血、白帶增多或異味等。按照陰道炎的嚴重程度分為0～3分的等級，其中3分說明有嚴重的陰道炎癥狀，2分說明有中度的陰道炎癥狀，1分說明有輕微的陰道炎癥狀，0分說明無陰道炎癥狀。在治療前后，評價陰道癥狀的總積分，積分越高說明越嚴重[3]。

圖16 空調(diào)壓縮機皮帶輪到曲軸皮帶輪，皮帶跨長抖動量（低于最小皮帶名義張力）

圖17 空調(diào)壓縮機皮帶輪到曲軸皮帶輪，皮帶跨長抖動量（高于最小皮帶名義張力）

針對該問題，結(jié)合測試過程中對于前艙異響的評估（并未出現(xiàn)明顯異響），并綜合中位名義張力的設(shè)計值、極限工況的出現(xiàn)概率及仿真結(jié)果，可以將此問題定義為低風險問題，同時在方案正式量產(chǎn)化時給予更多關(guān)注。

綜合以上測試結(jié)果，可以進一步證明使用彈性皮帶替代皮帶張緊器和非彈性皮帶是可行的。

6 結(jié)論

彈性皮帶在本文所研究的三缸自然吸氣發(fā)動機FEAD 系統(tǒng)中可以替代皮帶張緊器與非彈性皮帶的組合。該方案在皮帶橫向抖動與皮帶輪徑向載荷方面滿足要求，但發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速高負載時，發(fā)電機皮帶輪處存在一定打滑風險，該風險可以通過多種手段來消除，例如提升發(fā)電機解耦皮帶輪的能力[14]，應(yīng)用曲軸解耦皮帶輪[15]，提升彈性皮帶名義張力等。但是需要注意皮帶名義張力的上升，會帶來 FEAD系統(tǒng)中各個摩擦副消耗的摩擦功上升，若使用該方法降低打滑風險，需要進一步驗證摩擦功的影響。

對于方案一，取消皮帶張緊器，并使用彈性皮帶替代原非彈性皮帶，需增加惰輪及其安裝支架，F(xiàn)EAD 系統(tǒng)重量下降約 5%，成本節(jié)省約 3%，減重降本效果并不明顯，其目的主要在于驗證彈性皮帶應(yīng)用的可行性。對于方案二，可以最大化彈性皮帶應(yīng)用所帶來的益處，簡化FEAD系統(tǒng)，降低布置難度，節(jié)約成本，值得繼續(xù)深入研究，在新項目上進行更廣泛的結(jié)合與創(chuàng)新。

彈性皮帶因為其本身彈性模量較小，對張力變化敏感性更高，通常在裝配過程中需要額外安裝，會對量產(chǎn)生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍有潛在影響。在實際運用中也需要進一步評估該影響。

致謝

在此感謝哈金森工業(yè)橡膠制品（蘇州）有限公司在本項目的研究過程中給予樣件試制及測試安排方面的大力配合。

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作者介紹

陳萌（1988-），男，山東濟南人。碩士，中級工程師，主要從事發(fā)動機附件驅(qū)動系統(tǒng)及混合動力系統(tǒng)集成相關(guān)研究。

Te1：18601783132

E-mai1：meng318@gmai1.com

The Study on Engine Front End Accessory Drive System Based on Stretchy Belt

CHEN Meng
（Pan Asia Technical Automotive Center Co., Ltd，Shanghai 201201，China）

A new method to lower the cost and to reduce the weight of the front end accessory drive (FEAD) system was developed in this paper by applying stretchy belts. Firstly, the structure, functional principles and application status of stretchy belts were introduced. Then two optimization schemes for a 3-cylinder engine were provided and the parts selection based on one of the schemes was conducted. In validation phase, the FEAD dynamics simulation method was employed to confirm the feasibility of this scheme and the vehicle test results were used to validate the scheme. In the end, the characteristics and effects of application of stretchy belts are summarized.

stretchy belt；front end accessory drive；low-cost；optimization design；dynamics simulation；vehicle test

引用格式：

U464.13

：A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.03.08

2017-03-15 改稿日期：2017-03-30

上汽通用創(chuàng)新孵化基金項目（16-PAT-035）

陳萌 . 基于彈性皮帶的發(fā)動機附件驅(qū)動系統(tǒng)研究［J］.汽車工程學報，2017，7(3)：212-219.

CHEN Meng. The Study on Engine Front End Accessory Drive System Based on Stretchy Be1t［J］.Chinese Journa1 of Automotive Engineering，2017，7(3)：212-219.（in Chinese）