基于发电机问题的发动机前端轮系及附件系统设计改进

张鹏程 张静宇

摘要：前端轮系及附件系统简称附件轮系，它的作用是通过皮带在一定的系统张力下实现动力传递，驱动发电机、空调压缩机、动力转向泵、水泵等附件功能附件的正常工作，是发动机的重要组成部分之一。其中任何一个部件的布置位置发生较大变化，将直接影响整个附件轮系的布局，需要对附件轮系进行重新设计、校核、分析及验证。

发电机是附件轮系中重要的零件，它的作用是利用电磁感应的原理，将发动机带动发电机轴转动的机械能转变为电能输出，在发动机正常运转时，向除起动机外的所有用电设备供电，同时向蓄电池充电。随着现代汽车工业的急速发展，整车的用电设备数量也极具增加，所以发电机出现故障，将直接影响整车供电系统以及用电系统的正常工作。

本文结合附件轮系的设计原则，以某发动机搭载越野车项目中发电机不发电故障为背景，通过调查分析，针对越野车的特殊用途，提出了优化发电机布置位置的改进方案，通过对该方案的理论分析及试验验证，最终完成对附件轮系进行重新设计，解决发电机问题。

关键词：附件轮系;發电机;越野车;布置

1 问题背景

某型越野车在进行整车强化试验过程中，累计反馈了10多例电瓶指示灯常亮或车辆无法启动的故障。通过与试验人员了解以及对整车的现场确认，得知强化道路试验需要模拟越野车使用的恶劣环境，试验过程中整车需要通过水沟、泥坑等道路，发动机涉水浸泡经常放生，这导致发动机底部侧部均裹着一层厚厚泥土。通过对车辆的检测，初步分析该故障为发电机进泥水导致运转不灵，影响发电机正常发电。

为了进一步分析确认发电机的故障原因，以便后期进行改善，收集了10台故障发电机，进行单体分析。首先将发电机在性能试验台进行检测，根据检测结果确定此故障为发电机进泥进水导致发电机碳刷卡滞，最终导致发电机不发电影响整车正常工作。考虑到越野车特殊的使用环境，为了彻底解决此问题，经过研讨需要对发电机在附件轮系中的布置位置进行优化。

2 总体方案

图1是附件轮系变更方案的布置对比，为了尽量减少系统中零件变更，总体方案是将发电机⑤上移到进气歧管上方，保持在进气侧，空调压缩机②、水泵③、助力转向泵④位置保持不变，变更后发电机上移332mm，左移65mm。根据实际零件的布置情况，附件轮系共需要对5个零件进行需要重新设计布置，包括发电机支架、张紧器、皮带以及两个惰轮。

1.曲轴皮带轮;2.空调压缩机带轮;3.水泵带轮;4、助力转向泵带轮;5.发电机带轮;6.张紧器带轮;7.惰轮;8惰轮;9惰轮.

3 详细方案

3.1 发电机支架

发电机支架是安装发电机的主要零件，有固定和支撑发电机的作用。根据轮系布置的需求，还还可以增加其他零件的固定点。发电机上移后，发电机支架需要安装张紧器和惰轮，所以对发电机支架的设计要求较高。

3.2 惰轮总成

惰轮是两个不互相接触的轮中间起传递作用的轮。在附件轮系中，如果跨度或包角等因素不满足要求，将影响附件轮系的正常工作，可以适当的增加惰轮解决此问题。

发电机上移方案中，曲轴皮带轮、空调压缩机、水泵、助力转向泵位置保持不变，发电机位置确定后，为了保证张紧器的张紧，同时保证张紧器带轮和曲轴皮带轮的的包角，需要在曲轴皮带轮和张紧器之间增加一个惰轮，同时由于发电机与助力转向泵之间跨度太大，需要在发电机与助力转向泵轮之间再增加一个惰轮，这两个惰轮可选用同型号的光轮，根据实际的安装情况，用不同长度的螺栓进行安装。

3.3 张紧器总成

张紧器是皮带、链条传动系统上常用的保持装置，它可以保持皮带、链条在传动过程中有适当的张紧力，避免皮带打滑。

发电机上移后，由于发电机的转动惯量较大，将张紧器安装位置布置在发电机支架上靠近电机的位置，根据张紧方向的需要，与原张紧器相比需要将张紧器的张紧方向改变为与原方向相反。

3.4皮带

皮带是附件轮系中传递动力的主要元件，附件轮系设计的过程中，需要进行皮带材料选择、长度计算、楔数计算、楔面几何形状等参数的设计。

发电机上移后，与原附件轮系相比，由于仅发电机位置上移，皮带的类型、楔数、楔高、背部高度等参数均可以保持不变，重新计算皮带长度即可。

4 附件轮系的校核

发电机上移方案确定后，需要对附件轮系进行静态与动态的校核，用以完善设计，防止因为尺寸等设计不合理导致轮系出现其他问题。

4.1静态校核

4.1.1 包角校核

附件轮系中，各个带轮要求的包角与附件传递功率大小、带轮直径等有关。根据各带轮包角经验数据，对发电机上移方案中各个带轮包角进行校核，符合要求。

4.1.2 共面度校核

附件轮系的共面度是指各个附件轮的共面程度，当共面程度超过一定范围时，皮带进入带槽的带轮时，就会发生噪音问题。

共面度的校核一般只校核相邻带轮均为槽轮的情况，一般情况下相邻两轮中心最大平面偏差Z应符合下式：

Z≤L×tan0.7°

式中：Z——共面度要求，表示相邻两槽轮中心面轴向偏差最大值;

L——相邻两槽轮间皮带跨距。

发电机上移后，附件轮系中包含的相邻槽轮只有曲轴皮带轮→空调压缩机、发电机→张紧器，通过理论计算，其共面偏差最大值分别为1.63max和1.75max，符合要求。

4.2 动态校核

附件轮系的动态校核主要运用CAE模拟动态运行过程中附件受力、皮带振动、皮带打滑情况，通过模拟分析，可得出各带轮打滑率、各段皮带抖动量、张紧器摆幅、附件带轮载荷。根据分析结果对零件进行优化设计。

一般情况下，带轮打滑率限值2%，大于2%小于3%且无异响也可接受;皮带抖动量单边抖动量小于皮带跨距的5%，同时无异响;皮带张力一般为每楔小于250N;张紧器振动角位移一般≤5°。动态校核结果表1所示

5试验验证

对于发电机上移后的轮系，还需要完成整车的强化验证，将新状态的附件轮系装在前期发电机问题相同的车型上进行强化验证。

经过验证，发电机上移后可以有效的避免发电机进泥进水问题。

6 结论

发电机上移后，涉及到轮系附件5个零件重新设计，完成了系统的校核及分析，符合设计要求，同时随整车通过了强化试验考核，解决了发电机进泥进水的问题。