肖广朋，吴兴亮，王之瑶，李昕，杨军，王福全

（一汽轿车股份限公司，吉林 长春 130000）

某乘用车发动机前端附件驱动系统计算与试验研究

肖广朋，吴兴亮，王之瑶，李昕，杨军，王福全

（一汽轿车股份限公司，吉林 长春 130000）

发动机前端附件驱动（FEAD）系统是汽车中关键的子系统，其性能的好坏直接影响发动机动力的输出、附件的工作以及整车的 NVH 性能。其中自动张紧器是FEAD系统的核心部件，文章基于某乘用车，对发动机FEAD系统自动张紧器结构组成、工作原理、性能指标、理论计算做了详细的介绍，并对该乘用车发动机FEAD系统性能做了动态仿真计算和整车性能试验验证。计算和试验结果表明FEAD系统性能能够满足设计及整车性能要求。

发动机；FEAD；自动张紧器；多楔带

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

引言

发动机前端附件驱动（FEAD）系统是汽车中关键的子系统，其性能的好坏直接影响发动机动力的输出、附件的工作以及整车的 NVH 性能[1-2]。其中自动张紧器是FEAD系统的核心部件,本文对自动张紧器做了系统的研究，并对其结构组成、工作原理、性能指标、理论计算做了详细的介绍，并对某乘用车发动机FEAD系统性能做了动态仿真和整车性能试验验证。为后续整车开发过程中FEAD系统自动张紧器匹配开发提供了理论基础与试验支撑。

1、自动张紧器的结构组成、工作原理及性能指标

1.1 自动张紧器结构组成

自动张紧器组成部件有：基座、张紧臂、带轮、阻尼件、弹簧、销轴和销轴衬套等。同时，自动张紧器表面标记有张紧器各个工作位置标示：更换皮带位置、最长皮带位置、最短皮带位置等，自动张紧器的名义位置在最长皮带位置和最短皮带位置中间，自动张紧器绝大部分时间都在名义位置附近工作。如图1所示，为某乘用车发动机FEAD自动张紧器爆炸图。

1.2 自动张紧器工作原理

图2.2为某乘用车自动张紧器在FEAD系统中的安装位置示意图。

图2 自动张紧器安装位置示意图

当自动张紧器安装到如图2-2所示的位置后，多楔带迂回绕过所有的附件带轮，如图中的曲轴、空调压缩机、转向助力泵、惰轮、发电机、自动张紧器和水泵，而且，为了保证动力能够正常传递到各个附件上，要求带具有一定的带张力。由于自动张紧器在发动机表面固定，底座是与发动机表面固连的，张紧臂能够绕着销轴旋转，所以，张紧臂会在螺旋扭转弹簧的弹性势能的作用下，沿弹簧卸载方向转动，从而带动张紧臂上的带轮转动，如此，带轮便将多楔带张紧。

随着FEAD系统的不断运转，多楔带在摩擦损耗、高温蠕变等因素的综合影响下，会逐渐伸长，导致带张力下降，自动张紧器在螺旋扭转弹簧的作用下，会继续驱使张紧臂向着多楔带方向转动（即逆时针转动），从而弥补了传动带上的张力下降，继续维持了传动带的张紧[3-4]。反之，当FEAD系统处在加载工况的时候，多楔带会被进一步的拉紧，此时，在多楔带的驱动下，张紧臂会绕销轴沿顺时针方向转动，此时就把FEAD系统的动能转化为螺旋扭转弹簧的弹性势能储存起来，留作卸载的时候使用。

1.3 自动张紧器的性能指标

针对某乘用车自动张紧器，结合FEAD系统的多楔带张力、张紧臂摆角及带-轮间滑移率等性能参数的要求，整车对自动张紧器提出了若干条性能指标：

（1）自动张紧器在工作位置时的扭矩值要满足整车的要求。

（2）自动张紧器在工作位置时的阻尼值要满足FEAD系统的要求，以达到减振、减噪的要求，对于对称阻尼机构来说，阻尼系数一般在 20%-60%的范围内，而对于非对称阻尼机构来说，加载方向上的阻尼系数一般在20%-100%范围内，卸载方向上的阻尼系数一般在 0-20%范围内。

（3）由于自动张紧器最终是服务于FEAD系统的，所以，有些性能指标要结合系统的性能来进行评价，其他还有一些关于自动张紧器的结构上的性能，如：耐疲劳性能，抗污染性能，抗冲击性能等，这些性能都需要通过试验来验证，以确保自动张紧器产品能够符合整车的要求。

2、FEAD系统计算原理

由于自动张紧器在发动机前端附件驱动（FEAD）系统中的重要作用，所以，在进行自动张紧器设计的时候，要时刻考虑FEAD系统的性能要求。

发动机前端附件驱动（FEAD）系统主要由3部分组成：皮带轮、张紧器、多楔带。在自动张紧器系统设计计算中最主要的设计仿真参数有：张紧臂摆角、带-轮间滑移率、多楔带抖动量。下面就对这几个主要参数的计算原理进行简单叙述。

2.1 张紧臂摆角

张紧臂摆角计算方程如表1运动方程类型所示。

表1 运动方程类型

第三式中，It是张紧臂转动惯量，θt是张紧臂摆角；Ct是张紧臂阻尼；Kt是张紧器弹簧刚度；θ0是张紧器初始转角；Qt是张紧轮两端带段对张紧器支点的力矩。

2.2 带-轮间滑移率

带-轮间滑移率计算方程如下：

2.3 多楔带抖动量

多楔带抖动量的计算十分复杂，只说明计算原理。

图3 多楔带抖动量计算原理示意

多楔带抖动量计算原理：根据弦耦合振动理论或梁耦合振动理论，利用汉密尔顿积分原理，列出带段运动方程式，最后借助数值积分方法（经典四阶龙格库塔法）求解运动方程的数值解，并最终得到各带段的抖动量[5-7]。多楔带抖动量计算原理示意图如图3所示。

3、FEAD系统动态计算

本文利用FEAD系统动态分析软件AVL EXCITE TD对某乘用车FEAD系统张紧臂摆角、带-轮间滑移率、多楔带抖动量等参数进行仿真计算。

3.1 动态计算输入参数

1）轮系坐标

FEAD系统中包括曲轴、空调压缩机、转向助力泵、惰轮、发电机、自动张紧器和水泵，各个带轮在轮系中的坐标如表2所示。

表2 各个带轮在轮系中的坐标

2）自动张紧器参数

FEAD系统自动张紧器数据参数如表3所示。

表3 自动张紧器数据参数

3）曲轴激振曲线

FEAD系统曲轴激振曲线如图4所示。

图4 曲轴激振曲线

4）其他附件性能曲线

FEAD系统影响动态计算的附件还包括发电机、空压机、动力转向泵、水泵等，这些附件的性能曲线不再详细列举。

3.2 动态计算结果分析

1）张紧臂摆角

发动机在1500rpm全负荷时张紧臂摆角波动最大，最大摆角波动为4.3°，如图5所示。

2）带-轮间滑移率

在全负荷时，各带轮的带-轮间滑移率均小于3%，如图6所示。

图5 FEAD系统张紧器摆角

图6 FEAD系统各带轮滑移率

3）多楔带抖动量

在1800rpm全负荷时，最大皮带抖动量为14mm，如图7所示。

图7 FEAD系统多楔带抖动量

4）计算结果分析

某乘用车FEAD系统动态计算具体结果分析如表4所示。

表4 计算结果分析

由计算结果可知自动张紧器性能满足FEAD系统设计要求。此计算为理论动态计算，具体结果以整车系统性能试验为准。

4、FEAD系统整车性能试验

为了更好的检测自动张紧器的性能，以及自动张紧器在FEAD系统中的性能表现，必须进行整车道路性能试验，将自动张紧器样件安装到其匹配的整车的发动机上，同时安装好其他所有附件及传动带，使用德国ROTEC试验设备进行FEAD系统整车性能试验。道路性能试验主要测量的参数有张紧臂的摆角、带-轮间滑移率、多楔带抖动量等，试验工况如表5所示。

表5 道路性能试验工况

4.1 FEAD系统整车性能试验结果分析

1）冷启动时试验结果

某乘用车FEAD系统冷启动时性能试验结果如图8所示。

图8 冷启动性能试验结果

2）空挡时试验结果

某乘用车FEAD系统空挡时性能试验结果如图9所示。

图9 空挡性能试验结果

3）直线道路试验结果

某乘用车FEAD系统直线道路试验结果如图10所示。

图10 直线道路试验结果

4）转向道路试验结果

某乘用车FEAD系统转向道路试验结果如图11所示。

5）整车性能试验结果分析

某乘用车FEAD系统整车性能试验具体结果分析如表6所示。由试验结果可知自动张紧器性能满足FEAD系统整车性能要求。

表6 整车性能试验结果分析

5、结论

发动机前端附件驱动（FEAD）系统是汽车中关键的子系统，其性能的好坏直接影响发动机动力的输出、附件的工作以及整车的 NVH 性能。其中自动张紧器是FEAD系统的核心部件，本文基于某乘用车，对发动机FEAD系统自动张紧器结构组成、工作原理、性能指标、理论计算做了详细的介绍，并对该乘用车发动机FEAD系统性能做了动态仿真和整车性能试验验证。计算和试验结果表明FEAD系统性能能够满足设计及整车性能要求。

[1] 王红云. 单根多楔带附件驱动系统动态特性建模与仿真技术[D].广州: 华南理工大学, 2010.

[2] 曾祥坤, 上官文斌, 侯之超. 发动机前端附件驱动系统旋转振动特性实测与计算方法的研究[J]. 内燃机学报, 2011, 29(04): 355-363.

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[5] 张登明. 发动机附件轮系张紧装置分析[D]. 重庆: 重庆大学, 2013.

[6] 杨嘉威, 发动机前端附件驱动系统静态及动态设计方法的研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2013.

[7] 田力. 汽车自动张紧轮设计理论及优化[D]. 上海: 上海大学, 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

肖广朋，男，（1989-），硕士研究生，就职于一汽轿车股份有限公司。研究方向为发动机应用及发动机前端轮系匹配开发。