柴油机前端轮系的改进及验证

2021-12-24陈翠云尚嘉丽马东岭江晓丽姜彩彤

客车技术与研究 2021年6期

陈翠云，尚嘉丽，马东岭，江晓丽，姜彩彤

(1.内燃机可靠性国家重点实验室，山东潍坊 261061； 2.潍柴动力股份有限公司，山东潍坊 261061)

发动机前端轮系使用多楔带自动张紧已很常见，其在较小的传动带轮时具有较好的柔韧性。发动机运行过程中，轮系中张紧器的张紧臂、皮带轮会不断摆动调整，使传动皮带系统实现动态平衡，系统的可靠性更高[1-2]。其中，张紧器的摆动对系统的影响至关重要，张紧器摆角过大会加速张紧器的失效。本文针对某柴油机张紧器摆角超限值问题，进行前端轮系及附件的优化改进，并通过台架耐久测试验证，解决了原轮系张紧器摆角超限及皮带抖动率超限问题。

1 原因分析

原前端轮系布局如图1所示，由曲轴减振器驱动2个发电机，张紧器为对称阻尼结构。经测试，所用张紧器的阻尼比为16.3%。

图1 前端轮系布局图

在仿真计算及耐久试验中，均发现该轮系皮带抖动超标、张紧器摆角[3-4]超出标准限值，存在张紧臂在极限摆角时会敲打本体限位块造成张紧器失效的风险。通过台架进行前端轮系耐久试验，试验前后的两组性能测试数据见表1。

表1 耐久试验前/后的测试结果

从上述测试结果来看，该轮系耐久前及耐久后的皮带打滑率均无问题，这是因为发电机1和2的包角较大；轮系皮带张紧力也符合设计要求；但皮带的最大抖动率及张紧器的摆角均超出了标准限值，不符合设计要求。

下面简单分析一下造成上述问题的原因。该轮系是由6PK多楔带驱动2个发电量较大的发电机，在发动机工作过程中，由于曲轴系扭振、滚振的作用，会造成曲轴前端所驱动的附件轮系工作不平稳，表现为前端轮系振动及噪声[5-6]。因发电机皮带轮相对曲轴减振器带轮较小，工作负荷较大的发电机转速增加很多，造成其工作时惯量较大。在曲轴系振动及发电机皮带轮惯量的共同作用下，自动张紧器在发动机加、减速时摆角就会比较大。

2 改进及验证

2.1 发电机OAD皮带轮的使用

为了减小发电机皮带轮惯量对张紧器的冲击，将发电机原刚性皮带轮改变为OAD皮带轮[7-8]，其结构对比如图2所示。OAD皮带轮内部集成了摩擦弹簧及减振弹簧，在发动机加、减速时，能够吸收和缓冲发动机的转速波动，进而减小皮带力的波动，从而减小张紧器的摆角，提高张紧轮寿命。

(a) 原刚性皮带轮

图3为某柴油机在其余条件相同的情况下，发电机皮带轮分别为刚性和OAD时的张紧器摆角的仿真数据对比图。可以看出，OAD皮带轮对于减小张紧器的摆角效果显著。

图3 刚性皮带轮及OAD皮带轮仿真结果对比

针对这个前端轮系，经与客户确认，该发动机在整车上的安装空间比较紧张，车架对发动机长度及宽度要求比较严格，轮系布局[9-11]难以进行大的调整。因此，综合安装空间情况及图3所示效果，不进行轮系布局的调整，而考虑采用发电机换为OAD皮带轮这个措施来降低张紧器摆角及皮带抖动量。

2.2 不同阻尼比张紧器对张紧臂摆角的影响

在前端轮系中，皮带动态张力是由张紧器的弹簧扭矩与阻尼比共同决定的。弹簧扭矩的大小对轮系能否正常工作起决定性作用，由于同一轮系所使用的弹簧的合理扭矩是一定的，因此一般不通过调整弹簧扭矩来改进轮系。但阻尼比对于轮系的影响不是决定性的，可以在一定范围内调整，且不同阻尼比的张紧器对于相同轮系的影响也是不同的。某柴油机在其余条件相同的情况下，分别使用42%、19%阻尼比的张紧器，其张紧器摆角的测试结果对比见表2。可见，相同测试条件下，大阻尼比张紧器对张紧臂摆角的抑制效果更显著。