柴油发动机前端附件带传动系统应用和发展综述

隋鹏超 程 市 邢 立 尚嘉丽

（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）

引言

近年来，随着国六排放标准法规的推行，汽车整车及零部件厂商在节能减排、轻量化、智能化等方面做出了巨大努力。为满足用户对整车性能要求的提高，由发动机直接或间接驱动的附件逐渐增多，更优越的NVH 性能和燃油经济性等也逐渐成为行业竞逐的核心目标。

带传动作为柴油发动机前端附件系统工作的主要形式之一，借助汽车用V 带或多楔带等弹性体，依靠摩擦或啮合传递动力或运动、驱动附件系统，具有结构简单、成本低廉、振动小、噪声低等优点。在柴油发动机中，驱动附件有风扇、水泵、发电机、空调压缩机、空气压缩机、转向泵等。

1 带传动的种类及适用范围

根据皮带截面形状，可分为汽车用V 皮带、同步带和多楔带。三者传递运动或动力形式如图1 所示。

图1 带传动中的传递运动或动力类型

汽车用V 带的截面形状近似为等腰梯形，与带轮两环槽侧面压紧产生摩擦力进行传动，厚度较大、挠性较差、传递功率较小，多用于农业收割机、工程机械等有特殊要求及需定期维护的传动系统中，当多根同时使用时，可作为联组带。多楔带兼有平带带体薄、汽车用V 带接触面积大及楔紧效应的优点，可驱动较多的附件，现已普遍应用于结构紧凑、带轮转速较高的传动装置中，需借助自动张紧机构为系统提供合理的张力。同步带通过带齿与带轮轮齿啮合传动，传动误差小，为保证传动可靠性，需配合阻尼特性较好的液压张紧器[1]使用，多用于轻型柴油发动机的正时系统或带长伸长率较低的带传动系统中。

根据张紧型式可分为手动张紧、自动张紧及弹性带[2]传动，如图2 所示。

图2 不同张紧型式的带传动

手动张紧传动需定期维护，通过改变附件带轮至合理位置以使系统张力满足传动需求。自动张紧传动具有免维护功能，可通过自动张紧器的往复摆动，吸收带长变化导致的转速波动能量，提供合理的系统张力，现普遍应用类型有机械式自动张紧器和液压式张紧器。弹性带传动亦具有免维护功能，但因应用后系统张力衰减过快，目前仅用来驱动小功率附件，潍柴WP10H 发动机空调轮系即为此结构。

2 影响前端附件带传动系统的关键因素

因受到爆发压力、惯性力、阻力以及外界反作用力等的影响，曲轴轴系上会产生扭转、弯曲和纵向振动，最终曲轴各段以不同的转速波动表现出来。而曲轴皮带轮（主动轮）作为发动机前端附件轮系的主要激励源，其转速不均匀性会通过带传递至附件带轮，不同附件对系统动态性能产生的影响不同，有研究表明[3]：发动机前端附件轮系中等效转动惯量最大的从动轮对轮系的动态性能影响最大。一般在实际开发中，为降低附件对发动机前端附件轮系动态性能的影响，需采用减振元件，如减振发电机、芳纶线绳、非对称阻尼张紧器等[4]。文献[5]、[6]分别从隔离发电机转子总成转动惯量的角度出发，开发了超越单向离合器（Overrunning Alternative Pulley，OAP）或单向离合器解耦器（Overrunning Alternative Decoupler，OAD）应用于等效转动惯量较大的发电机中，被动地将发电机与曲轴皮带轮的不规则运动分离开来。通过文献[7]、文献[8]可明显看出，采用OAP 或OAD 发电机后，前端附件轮系的动态性能指标明显变好，经验证，应用后还可提升燃油经济性[9]。机械式张紧器的带传动系统中，可通过改变张紧器阻尼大小及形式，来被动地降低附件轮系的动态性能指标[10]。目前，以上所述方案均已在柴油发动机上有所应用。

但应用上述结构有时仍不能充分解决前端附件轮系动态性能较差的问题，下面就解决此问题的关键技术及应用进行分析。

3 关键技术

通过上文所述，为改善前端轮系的动态性能，有2 方面措施可以实现，一为主动措施，一为被动措施，即从曲轴前端上着手主动降低曲轴皮带轮的转速波动，降低发动机前端轮系的激励源，现具有代表性的关键技术产品为曲轴解耦器。再者，从轮系本身考虑，改进皮带或张紧器来被动地吸收转速波动所传递的能量，现具有代表性的关键技术产品为液压张紧器。

3.1 曲轴解耦器

曲轴解耦器又称曲轴隔离器，主要包括皮带轮、弹性元件及阻尼元件等，如图3 所示。

图3 曲轴解耦器结构示意图

低转速时，皮带轮与曲轴转动的相对角度差较小，较低刚度特性的弹簧可吸收来自曲轴转速不均匀导致的转矩输出波动能量，从而隔离低速段皮带轮输出的角振动。当曲轴转速进一步升高时，皮带轮与曲轴转动的相对角度差增大，较大刚度特性的弹簧起作用，可吸收更大的曲轴转矩输出波动能量。当超速时，弹簧刚度表现出非线性特性，急剧增大，实现曲轴与皮带轮的近似刚性连接。某曲轴解耦器的性能曲线如图4 所示。

图4 曲轴解耦器性能曲线

为保证低转速时曲轴解耦器可较好地工作，以及转速升高后，较高刚度的弹簧可平稳工作，避免出现较大冲击，目前开发曲轴解耦器的关键主要集中在弹簧或橡胶刚度的设计及选型上。应用曲轴解耦器可从根源上，降低前后端输出的转速波动特性，提高整机NVH 性能，另外还可降低系统张力，减小附件轴荷、增加使用寿命，降低磨损，提高经济燃油性，与其他新技术，如双质量飞轮等相结合，可提高整车NVH 性能，并有助于降低怠速、驻车停缸等节油降耗等新技术的广泛推广。但产品成本较高，为普通皮带轮的4～5 倍，而且开发之初，需具体问题具体分析，所开发的产品不具有通用性。

3.2 液压张紧器

与机械式张紧器不同的是，液压张紧器利用油液泄露作为阻尼源，其主要由液压推杆总成、液压推杆支架、张紧臂及带轮组成，如图5 所示。高耐磨性、加载大阻尼/卸载小阻尼、低噪声、免维护等是液压张紧器区别于机械式自动张紧器的典型特点，现已普遍应用于发动机正时系统或具有较高转速波动的发动机中。

图5 液压张紧器结构示意图

其中液压推杆总成由单向阀、推杆、推杆弹簧、工作腔、储油腔、油封、缸套及外壳等组成，是组成液压张紧器的重要精密件。液压推杆结构示意如图6所示。

图6 液压推杆结构示意图

当带轮受到来自带的加载冲击载荷时，通过张紧臂推动液压推杆总成作用，液压推杆的活动转轴与推杆相连，推动推杆压缩工作腔中的液压油。单向阀关闭，将工作腔与储油腔隔开，工作腔内压力升高，通过缸套与推杆间的泄油间隙，液压油被挤出工作腔流入储油腔。工作腔空间容积变小，压力升高，因泄油间隙较小，液压油流速有限，且液压油具有不可压缩性，所以产生较大的阻尼力。此时经活动转轴、张紧臂将阻尼力和弹簧推力（忽略缸套侧壁受到的流体粘滞阻力）作用于带上，从而抑制带的加载冲击载荷。当带松动时，液压推杆在弹簧力作用下向活动转轴侧伸长，工作腔空间容积变大，压力降低，单向阀打开，储油腔中的液压油通过单向阀被吸入工作腔，因过油面积较大，液压推杆所产生的阻尼较小，此时作用在带上的作用力完全由弹簧提供。液压张紧器的性能曲线如图7 所示。

图7 液压张紧器性能曲线示意图

4 国内外研究现状

4.1 国外研究现状

国外生产曲轴解耦器的厂家主要为Litens、Schaeffler、Dayco、Gates 等知名厂商，所开发的产品多是在研究分离器基础上开发的，后期开发产品较多以集成扭振减振器为主。2000 年Klaus B.等人[11]基于离合器从动盘工作原理，开发了一种曲轴解耦器，皮带轮与轮毂间安装有环形托架，且环形托架带有单向超越离合装置，可限制传递的最大转矩，防止瞬时过载导致打滑。2007 年，Mevissen B.等人[12]发明了一种分离器组件，通过偏置元件和离合元件实现隔离振动与选择性转矩传递等功能。2009 年，Lehmann 等人[13]发明了棘轮空转装置与扭振减振器相耦合的皮带轮，在惯性工况中，棘轮空转装置打开实现无摩擦力矩或仅有小摩擦力矩传递；牵引工况时，空转装置在牵引方向上闭锁，传递力矩。2013 年，Kibong Yoon等人[14]研究了采用曲轴解耦器和隔振带轮后，可通过降低系统张力实现提升燃油经济性。2016 年，Hartmut M.等人[15]改进了棘轮空转装置，提高了产品的可靠性。2019 年，Hao Q.Tran 等人[16]将曲轴解耦器与扭振减振器作为一体，为产品集成化设计奠定基础。2020 年，Götz 等人[17]改进了弓形弹簧，通过设置多组圆柱形螺旋扭转弹簧，也可实现曲轴解耦器的功能，该结构对国内开发应用具有较高的参考价值。

对于液压张紧器，上世纪80 年代，由德国INA公司基于液压间隙调整器，开发了泄露间隙产生的阻尼与推杆速度成正比的液压张紧器并应用于六缸汽油机上。1997 年，Cantrell D.[18]通过在液压张紧器的泄油口设置减压阀控制泄油压力，防止液压油压力过高引发温度上升而导致发动机起火。2000 年，Eduard Kratz[19]为避免张紧器工作腔在压力较高的情况下出现损坏，提出采用一种塑性较好的新型橡胶密封。当带振动幅度过大，导致张紧器工作腔内压力过高时，密封橡胶会产生缝隙，释放出液压张紧器工作腔中的气体与少量液压油，从而降低张紧器工作腔内的压力。2007 年，Karin K.等人[20]建立了较精确的液压张紧器仿真模型，并通过仿真与试验分析了不同类型液压张紧器的运动特性，综合考虑温度、激励、油压、泄露间隙等因素研究了液压张紧器的工作性能。2008 年，Hiroshi T.等人[21]分析了带有卸荷阀的液压张紧器，准确预测出卸荷压力，此时系统张力最小。2010 年，Arbogast G.等人[22]通过改进液压张紧器，设计储液槽防止发动机停机过程中由于高压腔压力降低缓慢，在单向阀无法顺利打开的情况下空气通过环形阻尼缝隙进入工作腔。2011 年，Lucas G.等人[23]结合理论研究、仿真分析及试验分析研究了不同组件对液压张紧器动力学特性的影响，建立了正向开发能力，并可通过优化液压张紧器关键参数提供最优的设计方案。

4.2 国内研究现状

国内对曲轴解耦器、液压张紧器等关键技术的研究起步较晚。2018 年，上汽集团的肖小勇等基于振动理论建立了曲轴隔振器隔振率的计算表达式，通过Simdrive 3D 软件仿真与台架实测对比分析，验证了理论计算方法的准确性[24]。2019 年，臧新群[25]等利用超越皮带轮的工作机理，发明了一种内燃机曲轴解耦器，可实现曲轴与带轮传递转矩的连接与脱离。

2012 年，重庆大学的胡玉梅等[26]采用搭建流固耦合模型确定出了油液状态，建立了液压张紧器的数学模型，以最大阻尼力和阻尼能作为评价指标，探究了液压油和推杆直径、泄露间隙等结构及外界激励对液压张紧器特性的影响。2019 年，吉林大学的冯增铭等[1]从液压张紧器的结构形式出发，系统性地建立了完整的液压张紧器设计方法，并对其动力学特性进行了分析及试验研究。作为国内液压张紧器主要生产商，四川富临精工基本具备了设计液压张紧器的能力及试验验证手段。

5 结束语

综上所述，曲轴解耦器与液压张紧器的应用与科学技术的发展息息相关。据悉，国内零部件厂家对曲轴解耦器的研究极少，在柴油发动机上的市场应用尚处空白阶段。虽然对液压张紧器的研究已经处于起步阶段，一些液压张紧器生产厂家开始仿制国外产品，但应用效果在密封性、可靠性等方面还存在较大的技术难题，往往在应用时以国外产品为主，导致产品成本居高不下，国内企业短时间内不能掌握关键技术，所以设计高可靠性、成本适当的前端附件轮系关键产品还需要做很多工作。