非对称阻尼张紧器在某轻型柴油机上的应用

王 乾，胡志远，邢东仕

（1.上汽集团股份有限公司技术中心，上海201206；2.同济大学汽车学院，上海201804）

非对称阻尼张紧器在某轻型柴油机上的应用

王 乾1，胡志远2，邢东仕1

（1.上汽集团股份有限公司技术中心，上海201206；2.同济大学汽车学院，上海201804）

介绍了发动机前端附件系统用自动张紧器的工作原理，以及对称阻尼和非对称阻尼张紧器的结构特点。针对某轻型柴油发动机前端附件驱动系统的异响问题，应用CAE和试验测试相结合技术，分析了该机型前端附件系统产生异响的原因，应用非对称阻尼张紧器解决了异响问题，为发动机前端轮系设计提供了参考依据。

柴油机前端附件系统非对称阻尼张紧器异响

1 引言

整车前舱布置对发动机的尺寸限制越来越严，要求发动机前端附件传动系统布置更加紧凑。同时，随着用户对车辆舒适性要求的提高，整车用电量及空压机、发电机的功率消耗也不断增加［1］。这些都对前端附件传动系统的设计提出更高的要求。

虽然柴油机燃烧效率高、低速扭矩大，但是由于柴油机爆发压力高、怠速转速低，致使转速波动大［2］，这对前端附件传动系统的设计提出了严峻挑战，固定式张紧器已无法满足现代柴油机前端轮系的工作要求，自动张紧器逐渐成为柴油发动机前端轮系的主流型式。

本文分析了发动机前端附件系统用对称阻尼张紧器和非对称阻尼张紧器的工作原理及结构特点，并结合某新型柴油机发动机前端附件驱动系统的异响问题，探索分析了非对称阻尼张紧器在该发动机上的应用并解决了该异响问题。

2 自动张紧器的工作原理

自动张紧器是保证发动机前端附件传动系统正常运转的关键部件，其扭矩和阻尼是自动张紧器的主要技术指标［3］。一方面，自动张紧器通过弹簧扭矩对皮带施加张紧力，防止皮带打滑；另一方面，张紧器提供的阻尼用于抑制皮带抖动。如图1所示，工作原理为：

（1）当曲轴转速增加时，皮带EF段有绷直趋势，即向外运动趋势；此时张紧器弹簧扭矩与阻尼方向一致，摆臂在扭矩和阻尼共同作用下，抑制皮带EF段向外运动，并产生一定的皮带张力，从而防止皮带打滑。其作用力计算公式如下

其中，Facc为摆臂作用力，K1和K2为系数，由张紧器结构决定，T为张紧器弹簧扭矩，D为阻尼产生的扭矩。

（2）当曲轴转速降低时，皮带EF段有松弛趋势，即向内运动趋势；此时张紧器弹簧扭矩与阻尼方向相反，摆臂在扭矩和阻尼共同作用下，追随皮带EF段向内运动，保持一定皮带张力，进而防止皮带打滑。其作用力计算公式如下

图1 张紧器的工作原理图

从轮系的工作原理来看，加速时需要较大的阻尼，而减速时需要较小的阻尼，可以定义为“加大减小”的原则。并且在减速时，若张紧器的阻尼过大，会造成张紧器摆臂的作用力为0的情况，不能追随皮带EF段，因而导致皮带打滑。所以张紧器阻尼的选择非常重要［4］。

3 自动张紧器的类型

自动张紧器根据其阻尼特性，可分为对称阻尼张紧器与非对称阻尼张紧器两种。表征自动张紧器阻尼特性的参数为非对称因子λ，阻尼率γ，计算公式如下

式中，

DL——加载阻尼；

DR——卸载阻尼；

T——弹簧扭矩。

非对称因子越大，其吸收能量越快，更能提高系统的响应性能。

对称阻尼张紧器是在加载和卸载阶段，提供相同的阻尼，其非对称因子为1，即加载阻尼率和卸载阻尼率相等。其工作特性如图2所示。

图2 对称阻尼张紧器的负载输出特性

虽然对称阻尼张紧器并不满足选择阻尼时“加大减小”的原则，但是由于其结构简单，设计成熟和成本低廉等特点，因此在附件轮系负载较低且变化率不大的车型上有较多应用。但当对减速阶段皮带打滑率的要求提高时，对称阻尼张紧器弹簧扭矩和阻尼都需大幅提高，此时会造成张紧器的整体结构复杂，体型过大，布置困难。

非对称阻尼张紧器在加载和卸载阶段，提供不同的阻尼，其非对称因子大于1，即加载阻尼率大于卸载阻尼率。其工作特性如图3所示。

图3 非对称阻尼张紧器的负载输出特性

非对称阻尼张紧器可满足理想张紧器的“加大减小”阻尼原则。在同样的张紧力情况下，非对称阻尼张紧器可以有效衰减皮带的振动能量，减少皮带的振动，提高系统响应性能；同时在加速或减速时，可以更好地控制张紧力，减小动态负载［5］。图4给出了同一发动机轮系匹配上述两种型式张紧器方案，张紧器摆臂的位移对比［6］。

图4对称和非对称阻尼张紧器的摆动对比

图4 表明，非对称阻尼张紧器可以很好地控制系统振动，对于整个轮系的运转比较有利。

4 非对称阻尼张紧器的结构介绍

非对称阻尼张紧器采用两个相同或不同阻尼的阻尼块，张紧器加载过程中，两个阻尼块共同作用，张紧器减载过程中，仅有一个阻尼块作用，因此可以在加载与减载过程中产生不同阻尼。采用相同的两个阻尼块，仅能实现固定的非对称因子；而采用不同阻尼块，则能够实现加载与减载过程中阻尼非对称因子的灵活调节。如图5为某款发动机所应用的非对称阻尼张紧器结构，其采用的是两块相同阻尼的阻尼块。

图5 某发动机的非对称阻尼张紧器结构

5 非对称阻尼张紧器在某轻型柴油机上的应用

为满足欧洲市场需求，对某款轻型柴油机进行了升级开发。出于成本、时间及风险等多方因素考虑，该机沿用了原机的大部分系统，包括附件轮系。为实现高强化指标，该机采用了高爆发压力设计；而为了满足欧洲严苛的油耗标准，整车配置了起停功能及变排量空调压缩机、大功率交流发电机等附件，且需控制怠速转速以降低油耗。其前端附件系统布置如图6所示。

图6 某轻型柴油机附件驱动系统

5.1 问题描述

该发动机在开发试制过程中，出现了前端附件驱动轮系异响的故障。具体表现为：整车冷机启动时，在发动机前端发出“唧唧”的声音；暖机后，这种异响声音消失。

5.2 问题分析及对策

图7 “唧唧”噪声频谱分析

对异响声音进行频谱分析，发现异响声音的频率主要集中在4 000 Hz和8 000 Hz左右，如图7所示。根据经验判断，该声音应为皮带打滑声音。同时对发动机前端附件轮系进行了测试，结果是：冷机状态下，曲轴角振动较大，达到7°；而暖机状态下角振动只有3～4°［7］，所以这也是造成皮带打滑的原因之一。

原机所采用自动张紧器为对称阻尼张紧器，其弹簧扭矩为30 N·m，加载和卸载阻尼率均为30%。通过CAE模拟计算，张紧器的摆动幅度较大，摆幅接近10°，如图8所示。这说明张紧器的阻尼较小，动态响应能力较低，无法迅速衰减轮系振动。显然，原机所用张紧器的扭矩与阻尼均无法消除曲轴角振动对新开发发动机前端轮系的影响。

图8 原设计状态张紧器摆臂的摆动幅度

问题的解决途径包括提高怠速转速、增加对称阻尼张紧器阻尼等［8］。若提高怠速转速，可改善怠速的燃烧稳定性，降低曲轴角振动，但会导致燃油消耗的增加。而增大对称阻尼张紧器的扭矩与阻尼或能抑制轮系的振动，但张紧器扭矩过大又可能导致皮带张力增大、功耗增加、磨损加剧；且阻尼加大可能会导致曲轴减速时，附件皮带的张力为0，从而引起打滑；所以采用对称阻尼张紧器也无法完全解决此异响问题。因此，采用非对称阻尼张紧器应该是比较理想的选择。

5.3 非对称阻尼张紧器的应用效果

在该柴油机的前端轮系采用非对称阻尼张紧器。根据CAE分析结果，将非对称阻尼张紧器的性能指标定义为：弹簧扭矩为30 N·m，加载阻尼率为100%，减载阻尼率为50%。同时CAE分析结果显示，张紧器摆臂的摆动幅度大幅度降低至3.1°，如图9所示；说明采用非对称阻尼张紧器可使附件传动系统更加稳定。

图9 新设计状态张紧器摆臂的摆动幅度

又在发动机台架及整车上多次进行冷态起动验证，均未发现冷机起动时的“唧唧”异响，问题得以解决。

6 结论

本文分析了发动机前端附件系统用对称阻尼张紧器及非对称阻尼张紧器的工作原理及结构特点，结合某新型柴油机发动机前端附件驱动系统的异响问题，探索分析了非对称阻尼张紧器在该发动机上的应用案例，为轻型柴油机前端轮系的开发提供了参考依据。

［1］岳小平.柴油机前端附件驱动系统的优化设计［J］.柴油机设计与制造，2012（3）：21-24.

［2］周龙保.内燃机学［M］.北京：机械工业出版社，2003，281-288.

［3］胡见.汽车发动机前端附件驱动系统自动张紧器的设计及优化［D］.华南理工大学，2013.

［4］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］.汽车技术，2002（11）：10-13.

［5］韩鲁强.发动机轮系液压张紧器阻尼性能研究［D］.重庆大学，2012.

［6］Gates公司技术资料介绍

［7］Sheng G，Qatu M，Narravula V R.Study of Noise of Accessory Belt under Cold Condition［C］.SAE 2011-01-0929.

［8］Michelotti A，Paza A，Maurici A，et al.Functional Testing of Alternator Pulleys in Chassis Dyna-mometer［C］.SAE 2013-36-0124.

The Application of Asymmetric Damp Tensioner on a Light Duty Diesel Engine

Wang Qian1，Hu Zhiyuan2，Xing Dongshi1
（1.SAIC Group Co.，Ltd.，Technical Center，Shanghai 201206，China；2.Tongji University，School of Automotive Studies，Shanghai 201804，China）

The structure character and working principle of symmetry damp and asymmetry damp tensioner are introduced.Focus on the abnormal noise of a light duty diesel engine's front end accessory driving（FEAD）system，find out the root cause by using the CAE and testing technique，fix the issue with the asymmetry damp tensioner.The application experience can be referenced by the FEAD system design.

diesel engine，FEAD，asymmetry damper，tensioner，abnormal noise

10.3969/j.issn.1671-0614.2015.04.005

来稿日期：2015-06-24基金项目：上海市科委重点研究资助项目（13dz1205400）

王乾（1977-），男，工程师，主要研究方向为发动机设计开发。