浅谈汽车发动机自动张紧轮的开发制造与试验核心思路分析

王勇杰

摘 要：文章从阻尼的影响因素、弹簧扭矩的确定、扭矩组件的分析、弹簧组件的精度设计等方面，对汽车发动机自动张紧轮的开发制造方法进行分析，在此基础上提出汽车发动机自动张紧轮的试验思路，期望通過本文的研究能够对自动张紧轮性能的提升和使用寿命的延长有所帮助。

关键词：汽车发动机 自动张紧轮 试验

我国的汽车保有量呈现出连年增长的发展态势，在这一背景下，提高汽车的整体性能显得尤为必要。发动机是汽车的动力核心，它的性能与整车性能密切相关。而张紧轮作为发动机的关键配套设备，其性能直接影响发动机的运转情况。为此，开发设计性能优良的自动张紧轮显得尤为必要。借此下面就汽车发动机自动张紧轮的开发制造与试验核心思路展开分析探讨。

1 汽车发动机自动张紧轮开发制造方法

张紧轮作为汽车发动机主要的配套设备，它的性能必须满足负载轮、皮带以及轮系的要求。故此，张紧轮需要通过如下试验：台架试验、摆动试验等，并且在试验的过程中，张紧轮的阻尼系数必须保持在规范允许的范围内。针对上述性能要求，可以通过开发自动张紧轮扭矩阻尼机构予以满足。具体的设计方法及要点如下。

1.1 阻尼的影响因素

自动张紧轮为非对称阻尼，为使张紧力得到满足，需要具备相应的扭矩。因此，在设计自动张紧轮时，要对影响阻尼的因素加以分析。相关研究结果表明，接触副做相对运动时，不可避免的会产生摩擦力，该组里的存在会对张紧轮的阻尼大小造成一定程度的影响。能够产生阻尼的接触副有销轴与自润滑轴套、扭矩弹簧与保持架、弹簧座内孔与底面、销轴端面的垫圈与摇臂端面等[1]。

1.2 确定弹簧扭矩

（1）在确定自动张紧轮弹簧扭矩的过程中，需要对张力进行计算：有效、松边以及张紧侧等，通过常规的计算方法，能够获得较为准确的结果。相关研究结果表明，张紧边缘的张力主要与以下因素有关：附件动力、皮带速度，当这两个因素达到一定时，可以获得最大的张紧边缘张力，可将之称为最大拉力。设计张紧轮皮带驱动时，为防止皮带早期老化，并降低损坏几率，要保证皮带的最大张力在允许范围之内。对此，可增加多楔带的楔数，其中每一楔的最大允许张力均为155N[2]。

（2）皮带的预紧力大小关系到其与带轮之间所产生的摩擦力大小，在设计皮带预紧力时，可以取松紧边拉力和的一半。未经使用过的崭新皮带，具有相对较大的初期伸张变形，故此，对于新皮带，可以按照计算值的1.5倍来调整初始张力。在自动张紧轮设计开发过程中，确定初始张力是较为重要的环节之一，若是初始张力过小，则会导致发动机启动时，因皮带与带轮摩擦产生出摩擦噪音;而过大的初始张力，会使带轮轴承的负荷增大，皮带、轴承的使用寿命均会随之缩短。借助相关软件能够获得皮带最佳的初始张力，只需要将附件的功率消耗情况，输入到软件中，由软件自行计算即可。通过计算得出皮带静止状态下的初拉力为337.5N，与之相对应的皮带有效长度为1548.6mm，弹簧扭矩为23.0N·m[3]。

1.3 扭矩组件分析

汽车发动机自动张紧轮中，扭簧组件是不可或缺的器件之一，从作用上看，它是张紧轮运转的核心。因此，要求扭簧组件所提供的扭矩能够满足轮系所需的初始拉力。皮带在张紧轮不断转动中长度会逐步增加，拉力会随之减小，所以需要对因长度增加引起的拉力损失予以补偿，确保张紧轮的功能得以充分发挥。扭矩弹簧具有补偿作用，使皮带在使用周期内，无需以人为的方式调整，给车辆使用者提供了极大的便利。在自动张紧轮开发制造过程中，有必要对扭簧进行全面系统的分析。将相关数值带入到传统的弹簧设计计算公式中，能够得到弹簧的工作数据，包括扭矩、变形角以及弯曲应力等，其中弹簧在三个工作位置上的扭矩分别为23900N·mm、28654N·mm和16326N·mm;三个工作位置上的变形角依次为67.90°、81.40°和46.39°;三个位置的弯曲应力依次为1127MPa、1351MPa和770MPa[4]。

1.4 弹簧精度设计

对于发动机张紧轮而言，扭矩和阻尼是比较重要的两个性能参数，在对弹簧组件进行设计的过程中，可将扭矩和阻尼的灵敏度作为尺寸公差的分配依据。弹簧的线性极限取决于弹簧与芯棒的间隙大小，而弹簧的内径是间隙的决定性因素，故此可将之作为控制尺寸。外张式扭矩阻尼机构在自动张紧轮设计制造中得到应用，其特点是结构简单，产品造价低、阻尼率高，能够满足自动张紧轮的运转需要。

2 汽车发动机自动张紧轮试验思路

为验证汽车发动机自动张紧轮的性能，选用技术先进的实验平台，检验张紧轮核心部件的性能，看本次设计是否有效。本次试验主要对张紧轮的轴承部分进行性能测试，包括包括防尘、防水、漏脂、温升以及耐久等方面。同时，对扭矩弹簧组件做可靠性试验。

2.1 轴承性能试验

自动张紧轮的运转离不开轴承组件的支撑，由此使得轴承成为张紧轮的重要核心部件。汽车发动机需要依靠轴承来传递动力，轴承发生异常，会影响前端附件的运行，进而导致发动机故障，所以在发动机自动张紧轮的开发制造中，必须充分认识到轴承在自动张紧轮中的作用，对其开展相应的试验，依据试验所得的结果，分析轴承的性能。

2.1.1 防尘试验

开展张紧轮轴承防尘试验的过程中，对具体的试验条件进行设定：转速为3600rpm，试验箱的容积为50cm3，灰尘的浓度为试验箱容积的1%，试验时间为100h，风扇的工作情况为开5min、关5min，试验环境的温度为20℃，防尘合格标准为灰尘进入量小于等于0.02g[5]。试验前对试件进行称重并做好记录，试验完毕后，重新对试件称重，对试验前的重量进行对比，根据结果判断轴承的防尘性能。试验前称得的试件重量为1102.13g，试验后称得的重量为1102.12g，无灰尘进入，判定结果为轴承的防尘性能合格。

2.1.2 防水试验

自动张紧轮轴承方式试验的相关条件如下：试验转速为1600/3200rpm，噴水情况为每分钟300cm3，开1min、关29min，试验时间设定为100h，在室温环境中开展试验。试验合格标准为进水量小于等于0.02g，且轴承内部无进水的迹象。试验前，试件的重量为1101.62g，试验后的重量为1101.61g，进水量为0，判定结果为轴承的防水性能合格。

2.1.3 温升试验

轴承温升试验中，转速设定为7000rpm，径向荷载为1470N，试验时间为24h，试验环境的温度为120℃。试验合格标准为温升小于等于35℃。试件在试验过程中温度升高了25℃，并未达35℃，由此判定轴承的温升性能合格。

2.1.4 漏脂试验

在自动张紧轮轴承漏脂试验中，将试验转速设定为7000rpm，径向载荷为1470N，试验时间为24h，试验环境的温度为120℃，试验的判定标准为润滑脂消耗量小于等于注脂量的18%。试件在试验过程中润滑脂消耗量为7.15%，并为超过标准要求的18%，由此判定轴承的漏脂性能合格。

2.1.5 耐久试验

轴承的耐久性与使用寿命密切相关，耐久性越好，使用寿命越长。在对轴承进行耐久试验的过程中，将试验转速设定为7000rpm，径向载荷为1470N，内圈的温度为160℃，试验时间为500h，试验环境的温度为120℃，达到500h未烧损为合格。试件在试验的500h内未出现烧损现象，由此判定耐久性能合格。

综上，通过一系列试验，验证了张紧轮轴承的性能，结果为性能优良，可以满足使用需要。

2.2 扭转弹簧的可靠性

针对张紧轮的扭转弹簧组件开展可靠性试验，具体的试验条件为摆动频率20Hz，选取三个点位进行测试，分别用1#、2#和3#表示，三个测试点的实测扭矩值依次为17.13N·m、36.91N·m和0.45N·m，各个测点的刚度全部符合规范要求，试验后的扭矩曲线未出现衰减的现象，由此表明，扭矩弹簧可靠[6]。

3 结论

综上所述，在对汽车发动机自动张紧轮进行开发制造的过程中，可将设计的重点放在阻尼的影响因素分析、弹簧扭矩、扭矩组件以及弹簧组件的精度设计上，确保开发制造出来的自动张紧轮结构合理、性能优良。为验证自动张紧轮的性能，可对自动张紧轮中的核心部件进行性能试验，通过试验检测结果可知，本次设计开发的自动张紧轮各方面性能全部合格。未来一段时期，要加大自动张紧轮相关技术的研究力度，为产品的设计开发提供技术支撑。

参考文献：

[1]徐海涛，缪宏钢，翁涛，安琦.汽车发动机张紧轮主轴力学分析及其疲劳寿命计算方法[J].华东理工大学学报（自然科学版），2020（1）：110-115.

[2]于超，曾超，程市，王景新.某发动机用自动张紧器张紧臂断裂原因分析及改进优化[J].柴油机设计与制造，2018（4）：34-38，52.

[3]于秩祥.EA888发动机张紧器及正时链条失效分析与优化设计[J].现代车用动力，2020（4）：41-46.

[4]程市，曾超，于超，刘伦伦.基于某发动机FEAD张紧臂摆角大的原因分析及优化[J].农业装备与车辆工程，2019（7）：83-87.

[5]王二化，吴波，胡友民，杨叔子.考虑OAP影响的汽车发动机FEAD系统动力学特性研究[J].机械传动，2018（12）：13-17.

[6]徐谱.发动机前端附件驱动系统自动张紧器性能仿真研究[D].华南理工大学，2018.