客车空调压缩机多楔轮系的布置及传动计算

黄仕阳

（厦门金龙联合汽车工业有限公司，厦门 361023）

客车空调压缩机多楔轮系的布置及传动计算

黄仕阳

（厦门金龙联合汽车工业有限公司，厦门 361023）

介绍空调压缩机多楔轮系布置结构及其优点，以实例论述多楔带计算过程及计算方法。

空调压缩机；多楔轮系；传动计算

1 概述

目前，国内客车空调压缩机一般是固定安装在客车底盘的车架上，用V型带与发动机相连实现传动。因此，不可避免会出现如下几个问题：结构相对复杂，成本高；V型带传动平顺性不太理想，传动噪声大，且容易发生振动、翻带；驱动皮带的拉力影响动力总成悬置系统，影响其隔振效果；皮带需要定期张紧维护。由于传统结构的这些缺点，这里探讨一种新结构并引用实例介绍传动计算方法。新结构把空调压缩机集成、固定在发动机上，采用多楔带传动，实现优化NVH特性；提高皮带传动平顺性，提高效率；防止翻带，提高皮带可靠性和使用寿命[1]；结构紧凑、节省空间；提高装配及生产效率；减少零件数量，降低成本及性能优化。

新结构如图1所示。空调压缩机5通过压缩机支架6与发动机1刚性连接，消除驱动皮带拉力对发动机悬置软垫的影响；压缩机支架6下方安装发动机悬置软垫8，利用悬置软垫实现对空调压缩机的隔振。驱动皮带3采用多楔带代替目前的V型带，并用自动张紧器张紧在驱动皮带松边[2]，驱动皮带的紧边用惰轮压紧并限制驱动皮带的抖动，实现传动平顺，降低噪声、振动，提高皮带寿命。

2 空调压缩机多楔轮系设计计算

某车型的空调压缩机多楔轮系结构如图2所示。发动机曲轴皮带轮随发动机顺时针旋转。由于曲轴皮带轮与空调压缩机的跨距较大，因此，在皮带紧边增加一个惰轮限制皮带的抖动。自动张紧器布置在皮带的松边，张紧器安装角度为张紧器摇臂与水平方向的夹角。该布置实现曲轴皮带轮和空调压缩机较大的皮带包角[3-5]。

该车型的空调压缩机与发动机转速的传动比为1∶3，因此，可以根据空调压缩机的功率特性得到空调压缩机随发动机转速变化的输入功率曲线，如图3所示。

2.1 空调压缩机驱动力计算

式中：V为多楔带线速度，m/s；D为曲轴皮带轮有效直径，m；n为发动机转速，r/min。

式中：F为压缩机驱动力，N；Tt为皮带紧边拉力，N；Ts为皮带松边拉力，N；P为空调压缩机的功率，W；V为多楔带线速度，m/s。

由式（2）可求得压缩机驱动力随发动机转速变化的曲线图3。

2.2 皮带预紧张力计算

皮带预紧张力的大小依赖驱动功率以及皮带包角的大小，以保证轮系正常工作不打滑为基本原则。预紧张力是由张紧器的扭矩来提供，张紧器的角变形产生一定的扭矩，进而提供给皮带产生张力[6-7]。本车型选择的张紧器的随角变形变化的扭矩曲线如图4所示，其中上线为张紧器扭矩随角变形增大而增大的曲线，下线为张紧器回位时的曲线。上线与下线之间形成的差值为张紧器的阻尼。张紧器阻尼在这里很有用处，因为阻尼可以吸收发动机瞬间扭振，保证系统不打滑。上线与下线的平均值为张紧器平均扭矩。图4所示的张紧器工作的角变形范围为5°～50°，平均扭矩为17～28 N·m。

本张紧器的扭矩方向为顺时针张紧，因此，可设定张紧器角变形5°～50°对应的张紧器安装角度为125°～170°。根据张紧器的扭矩曲线，利用几何关系就可以用MATLAB编程算出不同角变形下的皮带预紧张力的大小。图5为本车型的计算结果。

2.3 皮带长度计算

1）汽车多楔带介绍[6-8]。汽车多楔带一般采用PK型号。其结构由带背织物、抗拉体、粘合胶、楔胶组成。带背织物作用是保护抗拉体、承受张紧轮摩擦。抗拉体承担带的主要拉力。楔胶由耐寒、耐热的橡胶组成，作用是传递摩擦力，承受横向拉力。如图6所示，多楔带上有数个齿峰，齿峰个数代表楔数。楔数的多少可以根据实际情况合理选择，汽车上用的多楔带一般不用超过10楔。多楔带与V型带相比有传动平顺、噪声低、振动低、可驱动多个负载、大弯曲等优点[9-10]。

带的有效长度是将带安装在图7的测量装置上进行测量。测量时在测量轮（图7右边的带轮）上施加每楔100 N的F力，然后测量两带轮的中心距E，并用式（3）标称出多楔带的有效长度Le。该长度与楔数一同标记在出厂的皮带上，如10PK1850，10表示10楔，PK表示齿型，1850表示长度（mm）。

式中：Le为带的标称有效长度；Emax为带轮中心距最大值；Emin为带轮中心距最小值；Ue为测量带轮的有效圆周长。

2）实际轮系中皮带长度计算及选择。由于带在测量长度时需施加拉力，并且带在实际安装时受到预紧拉力，因此，实际轮系系统中，皮带最终长度需要根据皮带的弹性模量进行计算。本车型选用皮带的弹性模量60000 N/Rib（每楔皮带伸长100%时所受的力），利用几何关系就可以用MATLAB编写程序算出实际轮系系统中皮带有效长度与张紧器位置关系的曲线图。图8是本车型的张紧器在不同的角变形下对应皮带有效长度的曲线图。

张紧器安装角度155°的位置对应张紧器角变形35°作为张紧器的名义位置。因此，对应皮带名义长度可以选取1840 mm±5 mm。皮带在使用过程中可能伸长1%，由图8可以看出，皮带伸长1%加上皮带公差，皮带长度可能在1835～1863 mm之间，也处在张紧器的工作范围之内。

2.4 轮系动态校核

1）皮带紧边张力计算。皮带松边张力Ts＝皮带预紧张力，因此，皮带的紧边张力Tt根据公式（2）计算得出。图9为利用MATLAB计算本车型的皮带紧边张力在发动机不同转速下随角变形的曲线图。

可见皮带可能的最大拉力为1300 N。

式中：S为皮带打滑系数；μ为皮带摩擦系数；α为皮带包角。

本车型用MATLAB计算皮带在不同的发动机转速下，不同的张紧器角变形的打滑系数如图10所示。

从图10中可以看出，在发动机800～2200 r/min的工作转速，在张紧器角变形的范围内，打滑系数都满足大于1的条件。

2.5 皮带寿命估算

由于多楔带为橡胶材料，不仅承受循环变化的负荷作用，还受环境温度、轮系对齐度等诸多因素的影响，因此,很难找到一个准确的计算公式，一般采用经验公式估算。这里采用盖茨公司的估算公式[1，4]。

对于内侧轮：

对于背部轮：

式中：FR为疲劳率；tt为每楔紧边张力，N；PD为皮带轮的节圆直径（取轮系系统中最小的节圆直径的带轮进行计算），mm；V为带速，m/s。

式中：CP为皮带寿命，h；EL为皮带长度，mm。

本车型采用10PK的皮带，PD取轮系中最小的节圆直径，其寿命MATLAB计算结果如图11所示。

从图11可以看出，张紧器的角变形越大，皮带寿命越短；张紧器名义位置在35°时，在不同的发动机转速下，皮带的寿命在2000～15000h之间。结合该车70%时间以80～100km/h的车速运行在高速路上的情况，可以估算出皮带运行整车公里数大概在400000～600000km。

3 结束语

汽车多楔带的应用在轿车上已经非常普遍。目前客车上应用比较多的是发电机；而客车空调压缩机采用多楔带的设计国内还比较少。由于空调体积较大，振动厉害等条件决定了该结构布置存在一定的困难。本文介绍的例子采用MATLAB仿真计算多楔带的张力、长度、打滑系数以及寿命估算等，在设计中非常实用。

[1]刘文海，范志先.发动机带传动中皮带寿命提高方法研究[J].客车技术与研究，2009，33（3）：14-16.

[2]吕兆平.多楔带轮系设计基础[J].企业科技与发展，2008，（18）

[3]李丰军,刘长波.CA6110系列发动机前端多楔带附件传动系统设计与开发[J].汽车计算，2002,（11）

[4]王彬.CA488 型发动机多楔带轮系的开发[J].汽车技术，1996，（5）

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

[6]吴昕.多楔带轮系的布置、计算和寿命分析[J].汽车技术，1997，（2）

[7]徐灏.机械设计手册[K].北京：机械工业出版社，2003.

[8]吴贻珍.HNBR及其在汽车传动带中的应用[J].橡胶工业，2002，（4）

[9]黄靖.多楔带及其生产工艺和设备[J].橡胶工业，2002，（2）

[10]GB 13552-2008,汽车多楔带[S].北京：中国标准出版社，2008.

修改稿日期：2012-05-20

Layout and Transmission Calculation of Bus/Coach Air Conditioner Compressor with Poly-rib Belt-wheel System

HUANGShi-yang
(Xiamen KingLongUnited Automotive IndustryCo.,Ltd,Xiamen 361023,China)

Theauthorintroducesthelayoutstructureoftheairconditionercompressorwithpoly-ribbelt-wheelsystem and its advantages.He presents the calculation process and calculation method taking an example of poly-rib belt-wheelsystem.

air conditioner compressor;poly-rib belt-wheel system;transmission calculation

U463.83+1

A

1006-3331（2012）04-0013-04

黄仕阳（1981-），男，发动机工程师；研究方向：客车发动机的匹配及应用。