自动张紧器摆角影响因素研究

尚嘉丽，陈翠云，王传伟

(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)

发动机广泛采用多楔带传动，其中的自动张紧器可维持合适的皮带张力，保证传动系统工作正常。自动张紧器摆角太大易造成轴套磨损故障，产生异响；太小易造成皮带打滑，产生异响。

本文针对市场反馈某发动机张紧器异响故障率高的问题，从自动张紧器扭矩本体和皮带规格等可能影响张紧器摆角的因素进行Simdrive 3D仿真分析及试验验证，得出对张紧器摆角有影响的因子，同时对异响故障率较高的自动张紧器进行针对性的改进，从而降低张紧器故障率。

1 仿真分析与试验验证

某柴油发动机曲轴-发电机轮系结构示意图如图1所示：自动张紧器通过内部压缩弹簧提供扭矩，产生垂直于张紧臂方向的力(箭头所示)作用于皮带上。经拆检故障张紧器发现，在运行13万km左右存在轴套磨损、张紧器支板和本体间隙(图2箭头处)不均匀的问题。自动张紧器本体有关参数(如张紧器扭矩、张紧器阻尼比)和皮带常规参数(如皮带长度、皮带帘线材质)的选取不当导致张紧器摆角过大是造成张紧器以上异响故障的主要原因。张紧器摆角指张紧器工作过程中摆动角度的幅度，如图1中所示，阻尼比为(加载扭矩-卸载扭矩)/(加载扭矩+卸载扭矩)。

图1 某发动机轮系布局

图2 故障张紧器外观

1.1 张紧器本体不同参数仿真及试验结果

1)仿真结果。自动张紧器自身的扭矩和阻尼比对摆角有影响。选取8PK1417聚酯帘线长皮带及不同扭矩、不同阻尼比的张紧器进行柴油机怠速(600 r/min)时的仿真计算，结果如下：扭矩相同(为35 N·m)时，阻尼比23%、39.5%、55%的张紧器摆角分别为6.4°、5.5°、5°；阻尼比相同(为39.5%)时，扭矩28 N·m、35 N·m、55 N·m的张紧器摆角分别为7°、5.5°、4.7°。

2)试验结果。在某重型柴油机上选取与仿真条件相同的张紧器和皮带进行相同项目的试验，结果如下：扭矩相同(为35 N·m)时，阻尼比23%、39.5%、55%的张紧器摆角为4.5°、3.6°、3.2°；阻尼比相同(为39.5%)时，扭矩28 N·m、35 N·m、55 N·m的张紧器摆角为6.1°、3.6°、2.5°。

由于仿真计算为理论计算，一些皮带、张紧器、扭振参数选取很难与实物一致，所以仿真结果与试验结果有较大差异，但两者的趋势基本一致。图3为仿真和试验中，柴油机不同转速下扭矩为28 N·m、阻尼比为39.5%时张紧器的摆角。

图3 张紧器摆角仿真结果

从仿真和试验数据都可以看出：增大张紧器的阻尼比和扭矩，都可有效减小张紧器的摆角。

1.2 皮带不同规格的仿真及试验结果

1.2.1 仿真结果

皮带规格对张紧器摆角有影响，根据皮带不同长度、不同帘线材质进行分类，分别仿真张紧器摆角情况。仿真用扭矩为35 N·m、阻尼比为39.5%的相同张紧器进行，结果如下：

1)使用相同材质(聚酯帘线)的皮带时，长度分别为1 410 mm、1 417 mm(图1所示张紧器中间位置的对应长度)、1 431 mm对应的张紧器摆角分别为4.5°、6.9°、7.9°。

2)使用相同长度(1 417 mm)的皮带时，聚酯帘线皮带和芳纶帘线皮带张紧器摆角分别为6.9°和4°。

1.2.2 试验结果

在某重型柴油机上选取与仿真相同类型和长度的皮带进行验证试验。试验使用扭矩为35 N·m、阻尼比为39.5%的相同张紧器进行，结果如下：

1)使用相同材质(聚酯帘线)的皮带时，长度分别为1 410 mm、1 417 mm(图1所示张紧器中间位置对应的长度)、1 431 mm对应的张紧器摆角分别为3.3°、5.5°、6.5°。

2)使用相同长度(1 417 mm)的皮带时，聚酯帘线皮带和芳纶帘线皮带张紧器摆角分别为5.5°和3°。

可以得出，使用同样规格张紧器，相同皮带材质，短皮带可有效降低张紧器摆角；相同皮带长度选用芳纶帘线皮带可有效降低张紧器摆角，这是因为芳纶帘线抗拉强度比聚酯帘线高，延伸率比聚酯帘线低。

2 结束语

从仿真计算结果及试验结果可知：张紧器扭矩、阻尼衰减，张紧器摆角增大；张紧器阻尼比增大，张紧器摆角减小；芳纶帘线皮带相比聚酯帘线皮带，能降低张紧器摆角。上述结论可为解决轮系设计过程中张紧器故障提供参考。