某款48V系统皮带打滑问题研究

姚源　黄蔚　冯应超

摘 要：48V新增功能、参数对发动机前端附件系统的开发有了新的要求。本文对48V发动机前端附件系统中一些影响皮带打滑的关键参数做了详细的试验分析，并得出相应的结论。

关键词：发动机前端附件系统 平均滑移率 BSG 皮带 扭矩

1 引言

面对越来越严格的汽车油耗和排放法规，各主机厂已经开始研究各种节油、降排技术。48V轻混系统因结构简单、成本相对较低而受到关注。48V新增的启停、助力、能量回收等功能对发动机前端附件系统影响巨大。新增功能对附件系统传递功率、扭矩能力的要求有了很大的提高;同时皮带的松紧边也不再像传统系统一直不变，而是随BSG功能变化而变化;即48V对发动机前端附件系统的开发有了新的要求。本文以某款1.5L四缸增压机48V系统皮带打滑问题为分析对象，对影响皮带打滑的各项参数进行了对比验证，并得出相应的结论。

2 问题描述

某款配1.5L四缸增压机48V车型在开发过程发现车辆在急加速时出现“唧唧唧”的异响，检查发现皮带异常磨损;在发动机前端附件系统测试中也发现皮带平均滑移率高达5%，远超皮带允许的平均滑移率。皮带异常磨损详见图1，楔面帆布层已破坏、楔底已磨出裂痕。

3 问题分析

该发动机前端附件系统布置简单，由曲轴皮带轮、皮带启发电一体机（Belt-Driven Starter Generator，文中称作“BSG”）、Ω张紧轮、惰轮和皮带构成，具体结构见图2。

该系统开发时48V发动机前端附件系统CAE数据库信息较少，这导致CAE分析结果与实际状态出现差异。CAE分析结果皮带滑移率在2%左右;但从现状看，皮带滑移率过大，达5%，这是皮带打滑异响和异常磨损的根本原因。现需重新对影响皮带滑移率的相关参数做调整，并优化。

4 优化措施

针对异响、异常磨损问题，现需从如下几个方面分析、研究优化措施;后续所有测试均为锁定其他参数不变，单独更改需要研究的参数。

4.1 皮带优化

初始设计皮带线绳为高模量聚酯线绳，刚度低。高模量芳纶皮带刚度要高于高模量聚酯聚酯皮带，理论上可以有效的改善皮带滑移问题。现将皮带线绳更改为高模量芳纶线绳，并进行相关测试。实测数据见表1。

从测试结果看，皮带线绳如由高模量聚酯线绳更换为高模量芳纶皮带，可降低皮带平均滑移率1.5%左右，改善效果明显。

4.2 自动张紧轮弹簧刚度优化

自动张紧轮弹簧刚度直接影响皮带张紧力，刚度越大，张紧力越大;表2为不同刚度自动张紧轮的实测数据。

从数据上看，刚度达到540Nmm/度之后，再继续加大，对皮带滑移影响不大;可维持原自动张紧轮刚度（620Nmm/度）不变。由此数据可看出弹簧刚度（张紧力）增加到一定程度后，再继续加大对系统滑移并无明显改善。

4.3 BSG带轮直径优化

CAE分析中显示加大BSG带轮直径可降低皮带滑移;现增大BSG直径，并相应的增加曲轴皮带轮直径，保证速比不变，相关测试结果见图3。

由图3结果可看出，随着BSG带轮直径的增加，皮带滑移率相应降低，但降幅逐步收窄。设计中，为保证合理的速比（一般在2.0到3.2之间），不能无限度的加大BSG带轮直径，所以需要依据BSG特性选取合理的直径。

4.4 BSG输出扭矩优化

BSG输入输出扭矩远大于普通发电机是发动机前端附件系统工作环境变恶劣的根本原因之一。针对这点可以考虑在满足整车需求的同时，限制BSG部分工况的输入输出扭矩，图4是BSG助力时最大输出扭矩分别为38N.m和27N.m时皮带平均滑移的对比信息。

由数据可看出BSG最大输出扭矩的变更可直接有效的影响到皮带平均滑移率;输出扭矩越大，皮带平均滑移率越高。所以在48V的开发中，应该在发动机前端附件承受范围内来合理的调整BSG输出扭矩。

4.5 BSG扭矩变化率优化

BSG的扭矩变化率也对皮带滑移率有很大影响，表3是实测数据。

由数据可看出BSG的扭矩变化率也可直接有效的影响到皮带平均滑移率;BSG扭矩变化率越大，皮带平均滑移率越高。所以在48V的开发中，应该在不影响驾驶性的基础上尽可能的降低BSG扭矩变化率。

目前业内没有合适的CAE分析方法（软件）可分析BSG的扭矩变化率对发动机前端附件系统的影响，后续可考虑作为新课题进行研究。

5 優化方案确认

综合上述实测结果，最终选定如下方案：

（1）皮带线绳材料由高模量聚酯变更为高模量芳纶。

（2）自动张紧轮弹簧刚度不变，为620Nmm/度。

（3）BSG带轮直径由50mm更改为60mm。

（4）BSG输出扭矩由38N.m更改30N.m。

（5）BSG扭矩变化率由58N.m/s更改为45N.m/s。

按如上更改后，皮带滑移实测数据见表4。

优化后系统皮带平均滑移从5%降低至1.7%，小于皮带允许的最大滑移，满足系统要求，且后续在试验中未出现打滑异响及皮带异常磨损等问题。

最后将所有测试数据返回CAE分析处，用于优化系统模型，提高CAE分析准确性。

6 总结

在新系统的开发中，需要对系统的各项关键参数设计对比试验进行分析，这样可充分的识别各参数的特性，并制定合理的设计方案。本文对48V发动机前端附件系统开发中的一些关键参数做了详细的试验分析，对后续的48V发动机前端附件系统开发有一定的参考意义。

参考文献：

[1]陈强，丘胜强，罗海鹏，吴广权，高博. 某款48V BSG附件系统设计及优化.汽车零部件.2020，（09）.

[2]徐立强，滕勤，关莹，刘刚.某BSG混合动力发动机前端附件驱动特性研究.内燃机与动力装置.2016，33（05）.