王德成，隋鹏超，曾 超，程 市，王俊然

（1.内燃机可靠性国家重点实验室，山东 潍坊 261061；2.潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261061）

0 引言

柴油机前端附件驱动系统（Front End Accessory Drive System，FEADS）中，由多楔带传动的附件增多，且用户对整车舒适性的要求越来越高，使得发动机设计之初需提升速比或采用大功耗附件。单向离合器可降低附件不规则振动［1］，本文从FEAD附件转速波动展开，指出了对动态性能影响较大的关键因素之一——等效转动惯量，并采用Simdrive仿真软件对比分析了搭载刚轮、超越离合器（Overrunning Alternator Pulley，OAP）结构的发电机在FEADS上的表现。

1 前端附件转速波动

1.1 转速波动的由来

四冲程发动机，曲轴每转2周，激励力矩变化1次，导致曲轴系扭转振动频率是曲轴转频的一半［2］。某直列六缸发动机，角位移及相位角可由式（1）得出：

其中：n0为基准转速；j为阶数，j＝0.5，1，1.5，…；Aj为第j阶角位移幅值；t为时间；φj为第j阶相位角。

1.2 转速波动对FEADS的影响

发动机突加速时，为维持带传动系统所需张力，自动张紧器摆动以增大相邻带轮的包角；发动机突减速时，装有刚轮的附件短时间内保持原有运动，紧边被“放松”，松边被“拉紧”，导致带段皮带跳动增大、自动张紧器向安装位置方向摆动。长此以往，会导致带与带轮拍击、自动张紧器阻尼磨损加剧，最终影响FEADS性能。附件轮上的转矩变化如式（2）所示［3］：

其中：Ttq为附件轮转矩；Iacc为附件转子部分的惯性矩；A为发动机转速振幅；ωacc为附件轮角速度；ωcrk为曲轴轮角速度；i为速比。将附件转子的转动惯量与速比平方的乘积称为附件等效转动惯量，由此可知，附件轮的动态转矩与附件等效转动惯量成正比。柴油机常见附件的最大等效转动惯量如表1所示，附件转动惯量包含同轴所有的转动部分。由表1可知：柴油机FEADS中，风扇、发电机的最大等效转动惯量较大，因此降低其影响是FEADS降低故障、延长寿命的主要方向之一。

表1 附件的最大等效转动惯量

2 附件带轮与轴的转速解耦

2.1 发电机加装超越离合器

为减少发动机转速突变对轮系动态性能的影响，通常在附件等效转动惯量较大的发电机轮中加装OAP［4］，而风扇运转时由于阻力较大，不采用此结构。因此，只考虑为发电机加装OAP。

2.2 超越离合器（OAP）

OAP［5］主要由单向超越离合单元、皮带轮、端盖、轴承等组成，其结构如图1所示。单向离合单元［6］由中心枢轴、弹簧保持架、弹簧、离合滚针和外圈衬套等组成，其结构如图2所示。静态时，离合滚针在弹簧弹力作用下，在中心枢轴斜面坡道中部，与外圈衬套、中心枢轴间形成正压力，保持平衡。发动机加速时，OAP外圈衬套对离合滚针产生同旋向的摩擦力，导致离合滚针产生向中心枢轴坡道顶端滚动，进而楔紧中心枢轴与外圈衬套，中心枢轴做加速运动，直至与外圈衬套同步。减速时，发电机带轮和中心枢轴出现转速差，离合滚针在反向摩擦力作用下沿坡道向下滚动，中心枢轴与外圈衬套楔紧作用解除，离合滚针回压弹簧，向中心枢轴斜度坡道底部滚动，发电机带轮与中心枢轴实现运动脱离。

3 仿真方法验证

3.1 FEADS的几何参数

针对某发动机前端轮系进行仿真研究。曲轴通过6PK多楔带驱动发电机、空调附件，依靠自动张紧轮进行自动张紧，对比分析应用刚轮与OAP的发电机对轮系动态性能的影响，轮系几何参数如表2所示。表2中各附件位置均为相对于曲轴坐标的位置坐标。

图1 OAP结构示意图

图2 单向离合单元结构示意图

3.2 曲轴系及附件计算参数

从仿真软件Simdrive中提取该发动机角振动主激励的曲轴系扭转振动特性曲线，如图3所示。

表2 FEADS几何参数

该发动机FEADS中，发电机、空调附件对应不同发动机转速下的扭矩、功耗曲线如图4所示。

FEADS采用自动张紧器的性能特性曲线［7］，见图5。

3.3 建立搭载有OAP的发电机模型

采用One-Way-Clutch模块建模，初始运动时，传递扭矩T与转角差Δφ遵循的变化规律如式（3）所示：

其中：当外圈衬套从初始位置转过角度为Δφ1时，所能传递扭矩为T1；当外圈衬套从初始位置转过角度为Δφ2时，所能传递扭矩为T2；E为指数因子，其表达式为：

根据轮系中所采用OAP结构参数，设置OAP的特性参数如表3所示。

图3 曲轴系扭转振动幅值特性曲线

图4 附件扭矩／功耗特性曲线

图5 自动张紧器扭转特性曲线

表3 OAP特性参数表

拟合得出OAP的扭矩—转角性能曲线如图6所示。

图6 OAP扭矩—转角性能曲线

从图6可以看出：当Δφ小于零时，为超越状态，发电机轴转速高于带轮转速，实现超越带轮速度运转；当Δφ大于零时，为耦合状态。

4 搭载OAP与刚轮的发电机对FEADS动态性能的影响

为具体说明发电机搭载刚轮与OAP带轮，对FEADS动态性能指标的影响，仿真计算曲轴转速为1 000r／min时，前端轮系动态性能指标的变化。

4.1 发电机转速对比

此时，发电机理论转速为2 690r／min，搭载刚轮与OAP带轮，时域内的转速波动变化如图7所示。

从图7可以看出：搭载刚轮与搭载OAP结构，均在基准转速上上下波动，但搭载刚轮的转速波动较大，且因内部弹簧元件的作用，转速峰值出现微小漂移。

4.2 带段张力对比

搭载刚轮与OAP带轮，空调与发电机带段间的皮带张力变化如图8所示。

由图8可以看出：搭载刚轮的皮带张力波动较大，对轮系中皮带寿命、张紧臂摆角会产生不利影响。

4.3 张紧臂摆角对比

搭载刚轮与OAP带轮后，张紧臂摆角变化见图9。

由图9可以看出：搭载刚轮的张紧臂摆角波动亦较大，影响张紧臂内部阻尼元件的使用寿命，影响整车NVH性能。在某些张紧臂摆角较大的FEADS中，可以推广应用OAP结构。

4.4 皮带寿命对比

同样，在发动机900r／min、附件满负载情况下，考虑应用温度占比统计如表4所示。参考文献［8］计算方法，得出两种结构多楔带使用寿命如表5所示。

由表5可看出：搭载刚轮导致的皮带动态张力较大，从而导致多楔带寿命较搭载OAP结构的低很多。

5 结语

在发动机前端轮系中，相比传统刚轮而言，搭载有OAP的发电机结构，可明显降低转速波动，进而降低多楔带动态张力，提升多楔带的使用寿命，而且对带传动中自动张紧轮的摆幅亦有明显的限制。随着整机轻量化及排放升级的需求，采用OAP发电机结构不乏为较好的选择。

图7 时域内转速对比

图8 带段张力对比

图9 张紧臂摆角对比

表4 应用温度占比统计

表5 两结构对应多楔带寿命