柴油机前端附件驱动系统的优化设计

岳小平

（1.上海柴油机股份有限公司，上海200438；2.同济大学上海200092）

柴油机前端附件驱动系统的优化设计

岳小平1,2

（1.上海柴油机股份有限公司，上海200438；2.同济大学上海200092）

结合某新型发动机前端附件驱动系统的开发，介绍了OAD的结构、功能原理，并对该前端附件驱动系统进行了动态模拟仿真分析（分别进行了应用OAD带轮和普通发电机带轮两种状态的对比仿真），并最终在该发动机前端附件驱动系统上采用了OAD带轮来进行系统优化设计，从而提高系统性能。

前端附件驱动系统、OAD动态模拟仿真

1 前言

FEAD是英文Front End Accessory Drive的4个首字母的缩写，意即前端附件驱动系统[1]。随着用户对整车操控舒适性的要求提高，一方面，要求现代汽车发动机必须驱动更多的附件[2]，同时附件的转动惯量和消耗功率也更大；而另一方面，为了追求更高的燃油经济性，发动机怠速又被设置得越来越低。这样发动机前端附件驱动系统将运行在更高的转速波动激励水平下。这些要求将对传统的发动机FEAD系统性能提出了挑战。一些普通的方法，如提高张力和张紧轮阻尼，都不能让系统同时满足NVH和耐久性的要求。

在发动机FEAD系统中，发电机转子的转动惯量通常是最大的，发电机驱动速比又高达到3倍以上；曲轴转速的波动将会按照一定的倍数传递到发电机皮带轮上。曲轴转速的波动导致发电机转子被加速和减速，促使皮带动态张力增加。这在很大程度上也是产生皮带抖动、噪声、打滑和更大的张紧轮臂摆动的根本原因[3]。

为降低由于发电机转子的大惯性所引起的FEAD系统大的振动，莱顿加拿大公司开发出了一种新型的发电机皮带轮装置Overrunning Alternator Decoupler（简称OAD），该装置用于代替普通的发电机皮带轮[4]。最近，它作为一种解决前端附件驱动系统问题的新技术被广泛地应用于汽车工业，能有效解决主要因皮带的动态张力波动幅度太大而引起的FEAD系统大振动的问题。

本文结合某新型发动机前端附件驱动系统的设计开发，介绍了OAD的结构及功能原理，着重对该附件驱动系统进行对比模拟仿真及仿真数据的分析。分别进行了应用OAD带轮和普通发电机带轮2种状态的前端附件驱动系统的模拟仿真，并且对仿真数据进行了对比分析，揭示了OAD的应用对提高该发动机前端附件驱动系统的益处。最终在该发动机前端附件驱动系统上采用了OAD带轮，对系统进行优化设计。

2 OAD的结构及功能

2.1 OAD的结构

OAD由如图1所示的下列部分组成：1个带轮、1个单向离合器部件、1个调谐过的隔离弹簧、1根轴和1个球轴承。OAD通过轴与发电机相连，球轴承承载径向力以及使OAD带轮和轴之间能产生相对运动。

图1 OAD结构图

由皮带传递的驱动扭矩先作用在OAD带轮上，再通过离合器部件、隔离弹簧和OAD轴传递到发电机转子上。弹簧将发电机转子从扭振中隔离出来，从而减少了发电机转动惯量对系统的影响。在发动机减速过程中，单向离合器部件的应用使发电机转子的转速快于发电机带轮的转速。

2.2 OAD的功能

从上面的OAD结构部分可以看到，单向离合器部件和隔离弹簧串联在OAD带轮和发电机之间，这种结构给OAD提供了2种功能：（1）扭振隔离的功能；（2）反向超越的功能。

2.2.1 扭振隔离的功能

如果发电机转子由刚性带轮驱动，见图2a，发电机带轮和转子的最高加、减速度是相同的；发电机皮带轮上的动态扭矩与发电机带轮的转速波动太小以及发电机转子的惯量大小是成正比的。高的发动机扭振和大的发电机转动惯量将引起高的动态扭矩和大的皮带张力波动。

当OAD被应用于FEAD系统去驱动发电机发电时，见图2b，发电机转子将通过隔离弹簧与皮带轮相连。由振动理论可知，发电机转子转速的波动将比发电机皮带轮转速的波动减少，由发电机转子加、减速引起的动态扭振和动态皮带张力（响应动态扭振）也将相应减少。以上就是OAD的扭振隔离功能。

图2 发电机与FEAD系统之间的连接示意图

2.2.2 反向超越功能

如果发电机转子由刚性带轮驱动，当发动机在急减速时，比如快速换挡或者发动机停机，驱动发电机带轮的扭矩将反过来降低发电机转子的转速，最初的发电机带轮的紧边将变成松边，最初的发电机带轮的松边变成紧边。驱动带轮所需要的扭矩与转子的减速度成正比，当反向扭矩超过一定水平时，松边的皮带张力可能降至零。这将导致皮带与带轮之间打滑，从而产生异常打滑噪声。

发电机安装了OAD后，发电机转子将通过单向离合器部件与皮带轮相连，当反向扭矩超过离合器释放扭矩时，OAD的单向离合器部件将脱离。发电机转子将比带轮运行得更快（超越功能），反向扭矩将减少到释放扭矩。因此，在发动机减速时，将会避免出现零皮带张力，以上就是OAD的反向超越功能[5]。

3 前端附件驱动系统仿真分析

该发动机为国外引进，在国内进行国产化设计，系统中原来所用的发电机皮带轮为普通带轮；在该发动机国产化过程中，整个附件系统做了比较大的改动：要求发电机的输出电流增大，从而发电机驱动功率和转动惯量也同时增大；在同样的制冷效果下，空调的驱动功率和转动惯量都增大；由于整机布置的需要，曲轴的包角变小；考虑到以上附件驱动系统的修改所带来的不利影响，打算在系统中应用OAD进行系统优化设计，并分别进行了应用OAD带轮和普通带轮的对比仿真。

图3 发动机前端系统布置图

3.1 系统仿真输入

该附件驱动系统包括曲轴带轮、空调、发电机、惰轮、动力转向泵和张紧轮，系统布置图参见图3，主要布置参数如表1所示。

该系统的皮带楔数为6，皮带线绳为聚酯线绳，皮带模量为96 kN/mm2。OAD隔离弹簧的弹簧刚度为0.37 N·m/deg。）

用SimDrive软件对该FEAD系统进行动态模拟仿真。表1中所列的参数作为基本的输入数据用以搭建模拟分析模型。从整车上实际测得的曲轴转速可以用做该FEAD系统动态模拟仿真的激励输入[6]。

3.2 系统对比仿真分析结果

3.2.1 系统所需的初始皮带张力对比结果

评价附件驱动系统的振动水平是否可以接受，首先应该评价设置多大的初始张力时，系统可以正常地传递功率，系统打滑是否可以接受。在一个系统中，打滑比较严重的往往是在曲轴带轮上。通过对该系统曲轴带轮上的打滑进行对比分析发现（见图4），应用OAD带轮时系统所需的初始张力仅为300 N，而应用普通发电机带轮时系统所需的初始张力将为450 N。显然，应用OAD后，系统初始张力能设置得更低，发动机运行后，系统内各处的受力就会更低。

表1 系统布置参数表

3.2.2 系统动态受力对比分析结果

评价附件驱动系统的振动水平是否可以接受，还需要评价系统振动是否会导致很高的受力，包括紧边皮带张力和系统内轴承径向载荷，从而能评价出皮带、轴承及附件支架是否能达到预期的寿命，是否存在安全隐患。

图4 曲轴带轮打滑分析

图5为系统中最紧边皮带（即曲轴-空调段皮带）的动态张力分析结果。可以看出，在安装普通发电机皮带轮状态下，最高动态皮带张力超过2 000 N，这可能会扯断皮带；而在安装OAD状态下，最高张力约1 500 N。显然，安装OAD后，系统的最大动态张力明显降低，皮带寿命有了很大的延长。

图5 曲轴-空调皮带的动态张力

图6为系统中的惰轮动态径向载荷对比分析结果。可以看出，安装OAD后，轴承的动态径向载荷和平均径向载荷都比安装普通发电机皮带轮时要小；从而系统中的其它附件及附件支架上的载荷也会相应减少，轴承、附件支架等的寿命都会相应地得到提高。

图6 惰轮动态径向载荷

图7为系统中的张紧轮摆臂幅度对比分析结果。可以看出，安装OAD后，张紧轮几乎不摆动，张紧轮的寿命将会大大提高；而对安装普通发电机带轮的轮系进行分析，张紧轮在低速阶段摆动幅度非常大，超过了3°以上，将大大降低张紧轮的寿命。

4 总结

通过对该柴油机前端附件驱动系统进行动态模拟仿真对比分析发现：不带OAD系统的分析结果存在极大的风险，从动态张力曲线上也可以明显看到不带OAD的系统在低速段振动非常明显；而安装OAD后，可以使系统避开共振，系统运行非常平稳。这也体现在系统对初始张力需求的差别、最高张力的差别以及动态张力振幅上的差别。

图7 张紧轮摆臂幅度

不带OAD所带来的高动态张力，很可能导致零部件（包括张紧轮、皮带、附件轴承、附件支架等）的早期失效；高的动态张力也会引发NVH和整车舒适性问题，对整车产生负面影响。而OAD所带来的低张力，使惰轮的设计可以采用更小的轴承，降低了惰轮的成本；OAD可以使附件轴承、支架、张紧轮及皮带寿命得到提高；OAD还可以降低油耗，降低对支架和附件的要求。

通过以上的对比分析，本系统最终采用了带OAD的减振措施来对该前端附件驱动系统进行优化设计，提高了系统的性能。

1綦胜利．汽车前端附件驱动系统概述[C]．杭州：2007年全国橡胶工业信息发布会暨首届中国汽车橡胶制品技术与市场发展研讨会，2007．

2俞培泳，张敏．TJ376QE发动机多楔带轮系的开发[J]．天津汽车，2004（2）．

3舍佛勒贸易（上海）有限公司．皮带传动的创新：INA发电机超越皮带轮[J]．汽车维修技师，2008（10）．

4 Xu J，Antchak J．New Technology to Improve the Performance of Front End Accessory Drive System [C]．SAE 2004-01-3017．

5董辉．发电机用内装单向离合器的皮带轮介绍[J]．汽车电器，2011（3）．

6曾祥坤，上官文斌．具有单向离合解耦器的发动机前端附件驱动系统的旋转振动建模及参数优化设计[J]．内燃机学报，2012（2）．

Optimum Design of Diesel Engine Front End Accessory Drive System

Yue Xiaoping1,2
（1.Shanghai Diesel Engine CO.,LTD.,Shanghai 200438；2.Tongji University,Shanghai 200092）

The structure and function of OAD was introduced based on the development of some engine front end accessory trive system(FEAD),A dynamic simulation of the engine FEDA was made to compare the OAD pulley with a generally pulley.Eventually,OAD pulley was adopted for the engine to optimize the design of the FEAD,thereby improving the performance of the system..

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10.3969/j.issn.1671-0614.2012.03.005

来稿日期：2012-06-11

岳小平（1975-），女，工程师，主要研究方向为发动机结构设计。