V6发动机前端附件系统布置及计算

袁 催，罗世君

随着发动机前端附件系统布置日趋复杂，汽车电器功率越来越大，发动机前端附件系统的布置与设计将直接影响到发动机的性能，进而影响到整车的工作可靠性及技术指标，因而前端附件系统的布置也越来越引起业内的关注。多楔带是V型皮带中传动效率最高的，利用PK型多楔带驱动发动机前端各附件已是现代汽车中广泛应用的附件传动形式。多楔带和三角带类似，一般由三部分组成：顶层纤维、张力线及底层橡胶。多楔带具有传动扭矩大、使用寿命长、传动平稳及传动效率高等优点，而且可双面驱动带轮，既增加了驱动附件的数量，又可满足轮系布置紧凑性原则。

1 皮带轮简介

1.1 发电机单向离合器皮带轮

多楔带的结构和材料构成使其质量不断提高，使用寿命越来越长，寿命一般在80 000 km以上，但即使附件系统能达到设计要求的寿命，但噪音和振动常常是附件系统常见的问题。为减小系统振动与噪音实现系统的平稳可靠性，合理的轮系布置尤为重要。皮带中心偏差和弹性系统振动是产生系统噪音和皮带磨损的主要原因。内装单向离合器的发电机皮带轮可有效地减小皮带弹性振动，改善附件系统NVH，提高系统可靠性。

发电机转子的惯性矩较大，和曲轴的传动比一般在2～3左右，所以曲轴转速的波动会通过多楔带传递到每一个驱动附件，其中发电机受到的振动最为严重，容易引起多楔带的打滑并产生振动噪音，甚至降低多楔带的使用寿命。内装单向离合器的发电机皮带轮可有效地解决这一问题，目前应用较广的皮带轮结构是OAP皮带轮。

1.2 OAP发电机皮带轮

OAP发电机皮带轮即为发电机超越皮带轮，分为内圈和外圈两个部分，当主从动部件速度变化时可以通过内圈和外圈脱离实现自行离合功能。当发动机转速降低时，OAP皮带轮内圈转速超过外圈转速，皮带轮立即打滑，此时内圈和外圈之间脱离，外圈随发动机转速降低，而内圈转速仍靠惯性持续高速运转，但随着发动机转速升高，外圈转速逐渐接近内圈，内外圈恢复了结合状态，可达到在发动机急停状态降低发电机急停扭曲振动及保护传动皮带作用，降低了皮带振动改善轮系系统的NVH，延长了皮带使用寿命。

2 轮系布置原则

前端附件系统是利用多楔带与带轮之间的摩擦力，将发动机的动力通过多楔带传递给各驱动附件。为获得可靠的附件传动系统，应保证附件系统布置的合理性与可靠性，具体体现在以下几方面。

2.1 附件带轮位置及直径

轮系附件所处位置和带轮直径直接影响整个前端附件系统的布置，轮系布置首先必须满足整车机舱布置要求，尽量保证轮系布置的紧凑性。布置过程中负荷较大的附件尽量布置在曲轴皮带轮紧边的位置。负荷相对较小的附件可布置在松边位置。

根据发动机的转速范围和驱动附件的性能要求，确定各附件的传动比（一般发电机传动比在2～3左右，空调压缩机传动比≥1.2）.在由曲轴皮带轮直径和各附件的传动比确定各附件带轮直径。通常正面允许槽轮直径≥φ55 mm，背部光轮直径≥φ85 mm.带轮直径过小，会导致多楔带的弯曲变形过大，多楔带承受较大的拉伸应力，降低使用寿命。

2.2 皮带张紧和皮带长度

皮带张紧形式可分为机械张紧和自动张紧。每个皮带轮都可以作为附件轮系的机械张紧装置，尽量做到在松边张紧。自动张紧器可以控制皮带张力始终在±5%范围内，延长皮带的使用寿命。根据皮带老化等因素造成的皮带伸长和皮带的有效长度偏差，可计算出带长的变化范围。在根据皮带安装预留量确定张紧器的初始位置和张紧角度。多楔带老化会引起皮带有效长度伸长2%左右，多楔带公差通常是带有效长度的0.5%左右，多楔带安装预留量需求在带有效长度的1%左右。

2.3 带轮包角和附件跨度

带轮的包角是轮系布置中的重要参数之一。布置过程中带轮的有效直径及位置决定了带轮包角的大小。如果带轮包角不满足要求，可以通过调整带轮的位置或者通过增加惰轮、张紧器等背部带轮来增大槽面带轮包角。整个驱动轮系一般需要2个背部缠绕带轮，背部缠绕的带轮的位置比槽面缠绕的零件包角和性能更为关键。皮带跨度≤75 mm时极容易产生系统噪音，长跨度从背部缠绕零件进入槽轮时也容易产生系统噪音。

2.4 皮带张力

多楔带的张力是保证轮系正常工作的重要条件，皮带张力也是影响多楔带的使用寿命主要因素，张力过小会产生多楔带打滑现象，但张力过大又会降低多楔带的使用寿命。所以在布置过程中应根据设计经验或通过轮系计算合理给出多楔带的初张力，对于未使用过的新带，带的初张力的确定非常重要，初张力过大，不仅会降低皮带的使用寿命，还会增加带轮轴承的负荷，进而影响轴承的使用寿命；初拉力过小，在发动机起动或变工况运转时，多楔带由于受带轮的冲击，很容易打滑并产生摩擦噪音。

2.5 皮带中心对齐

附件系统中各附件皮带中心对齐偏差是产生皮带噪音与磨损的主要原因。通常累计偏差大于1°时，容易产生振动噪音，当累计偏差大于1.5°时，皮带会出现明显的磨损现象。导致皮带中心对齐偏差的原因有三个：各附件安装平面的共面度、背部带轮导致的横向偏斜、带轮横向位移和摇晃，累计产生总的对齐偏差。相邻附件的安装平面的的对齐偏差和跨度长短成正比。考虑到皮带在背部带轮表面的位移，背部带轮宽度应大于皮带宽度1.5～2 mm.带轮横向移动或摇晃产生的轴向位移会导致皮带对齐偏差角度的增加，进而容易引起间歇性的噪音。

2.6 附件支架的设计

附件支架是将各附件安装在发动机上的支撑结构，其可靠性影响着前端附件系统的正常工作，所以附件支架必须有足够的刚度和高的制造精度。从拆装工艺及轮系共面度考虑附件支架设计过程中尽量做成集成形式，集成支架可以安装所有附件，即可保证轮系共面度要求，而且拆装更方便。

3 V6发动机轮系布置方案

3.1 基本型轮系

V6发动机基本型轮系驱动的附件有发电机、空调压缩机。轮系的布置如图1所示。

图1 基本型轮系布置

V6发动机衍生机型轮系驱动附件：空调压缩机、空气压缩机、转向助力泵。其中空调压缩机尺寸加大，需要重新布置衍生机型轮系。根据机舱尺寸要求，衍生机型轮系分为两层轮系，内层轮系命名为发电机轮系，驱动发电机、空调压缩机，轮系布置方案见图2，不装空调压缩机轮系见图4.外层轮系命名为附件轮系，驱动空气压缩机、转向助力泵，轮系布置方案见图3.

图2 发电机轮系布置（装空调）

图3 附件轮系布置

图4 发电机轮系布置（不装空调）

3.2 轮系的校核计算

发电机轮系曲轴紧边最大拉力的计算

其中 Kr＝ eμd，α 为带轮包角。

多楔带每楔许用张力为155 N，6PK多楔带张力为930 N，大于轮系最大的设计张力759 N.系统不会出现打滑现象，发电机轮系方案满足设计要求。

用同样的方法计算附件系统的曲轴紧边张力380 N，6PK多楔带张力930 N，大于最大的设计张力380 N，附件轮系方案满足设计要求。

3.3 轮系共面度计算

根据尺寸链计算整个多楔带轮系中各带轮中心平面偏差均未超出1°，轮系共面度满足设计要求。

3.4 附件支架的设计与刚度及模态计算

V6发动机附件支架为集成支架，方案经多次优化，支架刚度较好，固有频率较高，各阶频率值均高于发动机最大功率点转速时的激振频率。

4 结束语

本文对多楔带和OAP皮带轮的结构和工作原理进行了简单介绍，结合V6发动机前端轮系的布置过程和验证方法，对发动机附件系统布置的基本原则和验证方法进行了探究。V6发动机轮系设计方案通过向张紧轮及多楔带厂家咨询进行了专业分析计算，并通过多轮耐久试验考核，确认了整个轮系布置的合理性及可靠性。