基于Simdrive的發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系分析及優(yōu)化

謝有路，劉彤，羅俊，羅亞偉

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

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基于Simdrive的發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系分析及優(yōu)化

謝有路，劉彤，羅俊，羅亞偉

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章基于Simdrive軟件建立某發(fā)動(dòng)機(jī)的前端輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型，后通過對(duì)系統(tǒng)的各帶輪包角、打滑率、張緊器擺幅、皮帶抖動(dòng)等指標(biāo)進(jìn)行分析優(yōu)化，以達(dá)到優(yōu)化提高前端輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和NVH性能的目的。

Simdrive；前端輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；穩(wěn)定性；NVH性能

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.024

CLC NO.: U466 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)06-69-03

引言

隨著顧客對(duì)整車NVH性能和舒適性的要求越來越高，在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)前端輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和NVH性能的要求也越來越高，一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)若前端輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)，后期在顧客使用過程中很容易就會(huì)出現(xiàn)皮帶打滑或者抖動(dòng)等產(chǎn)生的“嘰嘰嘰嘰”或者“嗚嗚嗚嗚”等的異響，嚴(yán)重影響顧客駕駛體驗(yàn)。本文通過使用Simdrive軟件，對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)的前端輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析，通過分析優(yōu)化，在設(shè)計(jì)開發(fā)初期將前端輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)化調(diào)整到可接受范圍內(nèi)，以避免后期生產(chǎn)過程中質(zhì)量問題的發(fā)生。

1、Simdrive軟件的簡(jiǎn)介及工作原理

Simdrive軟件是一款集成了德國(guó)5大OEM工程經(jīng)驗(yàn)和研發(fā)理念的，前端輪系和正時(shí)系統(tǒng)的分析軟件，且目前已經(jīng)擴(kuò)展成為了系統(tǒng)級(jí)的傳動(dòng)系統(tǒng)仿真平臺(tái)，能夠很好的完成整機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放、控制策略等的仿真。

Simdrive采用邊界元模型，自動(dòng)化的積木式建模，無需繪制網(wǎng)格，從皮帶、鏈條到DMF都有獨(dú)立的單元模擬，界面和操作方式統(tǒng)一，可以非常簡(jiǎn)便迅速的完成建模；且其可以一維和三位模型進(jìn)行混搭分析，引入柔性體模擬缸體，可以保證輸入?yún)?shù)來源廣泛，設(shè)計(jì)過程連續(xù)無斷層。

使用Simdrive軟件對(duì)前端輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，一般分為五個(gè)步驟：建模，動(dòng)態(tài)分析，參數(shù)優(yōu)化，動(dòng)態(tài)分析，參數(shù)確定，其中第2、3、4部根據(jù)不同發(fā)動(dòng)機(jī)可能需要進(jìn)行多輪調(diào)整才可達(dá)到最優(yōu)效果。

2、前端輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要考核指標(biāo)及使用Simdrive建立模型

2.1前端輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要考核指標(biāo)

2.1.1前端輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各皮帶輪包角及跨長(zhǎng)

前端輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)即由一條多楔帶驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)附件，如水泵、空調(diào)壓縮機(jī)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵、發(fā)電機(jī)等附件，各皮帶輪包角大小會(huì)直接影響到系統(tǒng)的性能，若包角太小，則皮帶很難很好的提供驅(qū)動(dòng)附件的驅(qū)動(dòng)力，則皮帶與附件皮帶輪之間會(huì)發(fā)生打滑，而導(dǎo)致皮帶磨損和異響；因此，在設(shè)計(jì)前端輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)需要對(duì)各帶輪包角進(jìn)行考量，其主要指標(biāo)如下表1：

表1　發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系布置設(shè)計(jì)基礎(chǔ)要求

在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)初期，根據(jù)以上布置要求，即可得出發(fā)動(dòng)機(jī)前端輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的初步布置模型，下面以某一發(fā)動(dòng)機(jī)的前端輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為例進(jìn)行布置及仿真。在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)初期，根據(jù)附件功能的需求，會(huì)將水泵、發(fā)電機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵等各附件位置確定下來，如下為某一自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的附件初始布置位置圖：

圖1　一種發(fā)動(dòng)機(jī)的前端輪系各附件位置示意圖

各附件位置確定后，根據(jù)以上包角及跨長(zhǎng)布置要求，使用皮帶將各附件連接起來，這樣即可得出發(fā)動(dòng)機(jī)前端輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的初步布置模型，如下圖：

圖2　前端輪系初步布置方案

2.1.2前端輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各皮帶輪打滑率

通過 Simdrive軟件可以動(dòng)態(tài)計(jì)算獲得各皮帶輪的打滑率，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)一般其需要小于±3%，才可保證皮帶打滑不會(huì)致使皮帶異常磨損和異響。

2.1.3前端輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)張緊器擺幅

通過 Simdrive軟件可以動(dòng)態(tài)計(jì)算獲得自動(dòng)張緊器的擺幅，若擺幅過大，則張緊器壽命會(huì)很低，皮帶抖動(dòng)會(huì)很劇烈，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)一般其需要小于 5°，才可保證張緊器的可靠性。

2.1.3前端輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各皮帶段的抖動(dòng)

通過Simdrive軟件可以動(dòng)態(tài)計(jì)算獲得各皮帶段的抖動(dòng)情況，一般要求抖動(dòng)需要小于跨長(zhǎng)的 5%，否則可能會(huì)抖動(dòng)異響，設(shè)置會(huì)與周圍邊界零部件干涉而致使皮帶異常破損。

2.2使用Simdrive軟件建立前端輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型

通過以上2.1.1中方法得到前端輪系的初步布置后，即可通過各帶輪的坐標(biāo)在Simdrive中建立輪系的初步模型，由于軟件中代表發(fā)電機(jī)、水泵、惰輪、張緊器等都是模塊化的，因此可以直接選擇相應(yīng)模型，輸入坐標(biāo)及直徑即可得到輪系的初步模型，如下圖：

圖3　前端輪系初步布置模型

建立以上模型后需要對(duì)每個(gè)零部件的單元進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，每個(gè)附件單元都需要輸入其功率扭矩消耗曲線及相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并需要對(duì)曲軸單元輸入輪系的激勵(lì)源，也就是曲軸角振動(dòng)，皮帶需要輸入相應(yīng)的線繩等參數(shù)，張緊器也需要輸入相應(yīng)的張力曲線，其具體輸入信息如下：

圖4　各單元需要輸入的信息圖

將以上信息分別輸入至代表該零部件的單元后，輪系建模就完成了，即可開始驅(qū)動(dòng)軟件，對(duì)輪系進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算。

3、通過Simdrive對(duì)前端輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算與優(yōu)化

通過Simdrive軟件對(duì)以上模型進(jìn)行仿真計(jì)算，即可得出輪系的幾個(gè)主要關(guān)鍵參數(shù)隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化情況：

3.1各附件的打滑率

圖5　前端輪系各附件打滑率計(jì)算結(jié)果

要求：各附件打滑率皆小于±3%；在發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)載和附件全負(fù)載且張緊器張力最小的工況下，仿真計(jì)算結(jié)果如圖5。

由以上結(jié)果可以知道，目前布置方案打滑率符合≤±3%的設(shè)計(jì)要求。

3.2各皮帶段的抖動(dòng)情況

要求：各皮帶段抖動(dòng)需小于皮帶段跨長(zhǎng)的 5%，且不會(huì)與周圍邊界干涉；在發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)載和附件全負(fù)載且張緊器張力最小的工況下，仿真計(jì)算結(jié)果如下：

圖6　前端輪系各皮帶段抖動(dòng)情況計(jì)算結(jié)果

由以上結(jié)果可以知道，目前布置方案各皮帶段抖動(dòng)符合設(shè)計(jì)要求。

3.3自動(dòng)張緊器擺幅

要求：張緊器在全壽命內(nèi)擺幅小于5°；在發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)載和附件全負(fù)載且張緊器張力最小的工況下，仿真計(jì)算結(jié)果如下：

圖7　前端輪系張緊器擺幅計(jì)算結(jié)果

由以上計(jì)算結(jié)果可知，目前前端輪系的布置，在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速階段張緊器擺幅嚴(yán)重超標(biāo)，很有可能會(huì)導(dǎo)致在整車運(yùn)行時(shí)，張緊器提前失效而致使輪系異響甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)輪系突然奔潰而釀成慘禍。

3.4調(diào)整優(yōu)化自動(dòng)張緊器擺幅

由以上計(jì)算結(jié)果可知，目前前端輪系的布置，張緊器擺幅嚴(yán)重超標(biāo)，很有可能會(huì)導(dǎo)致張緊器提前失效而致使輪系異響。因此，需要通過增大張緊器張力、使用輪系調(diào)諧原件等方法來提高輪系的穩(wěn)定性，降低張緊器擺幅。但由于提高張緊器張力會(huì)使輪系消耗的摩擦損失提高，而致使發(fā)動(dòng)機(jī)油耗偏高，因此，此次選擇增加發(fā)電機(jī)調(diào)諧皮帶輪來提高輪系穩(wěn)定性，即將原來的發(fā)電機(jī)皮帶輪由普通帶輪優(yōu)化為發(fā)電機(jī)調(diào)諧皮帶輪，與普通皮帶輪相比，發(fā)電機(jī)調(diào)諧皮帶輪可以在皮帶轉(zhuǎn)速需要快速提高和快速下降時(shí)，將發(fā)電機(jī)軸與發(fā)電機(jī)皮帶輪斷開，這樣皮帶不需要輸出很大的力就可以將整個(gè)輪系提高或降低到預(yù)期的速度，而負(fù)載部分則通過調(diào)諧皮帶輪慢慢提高或降低到預(yù)期轉(zhuǎn)速，而達(dá)到使輪系穩(wěn)定的目的。因此，使用彈簧率為0.32Nm/deg的發(fā)電機(jī)調(diào)諧皮帶輪后，輪系張緊器擺幅計(jì)算結(jié)果如下：

圖8　優(yōu)化后前端輪系張緊器擺幅計(jì)算結(jié)果

由上圖可以看出，優(yōu)化后輪系符合前端輪系設(shè)計(jì)要求。由此，各項(xiàng)指標(biāo)均已達(dá)標(biāo)，前端輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段即以完成，從設(shè)計(jì)初期保證了輪系的可行性和穩(wěn)定性。

當(dāng)然，此次分析只是根據(jù)某一發(fā)動(dòng)機(jī)的前端輪系情況選用了使用發(fā)電機(jī)調(diào)諧皮帶輪的方案來解決存在的問題，而在不同發(fā)動(dòng)機(jī)、不同輪系中分析遇到的不同的問題時(shí)，可以有非常多的方案來進(jìn)行選擇，如增大自動(dòng)張緊器張力、增加自動(dòng)張緊器阻尼、調(diào)整皮帶線繩彈性模量、調(diào)整皮帶背部結(jié)構(gòu)、增加惰輪、增加附件帶輪包角等等，這就需要根據(jù)具體情況具體分析，對(duì)比選擇最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，以達(dá)到前端輪系的設(shè)計(jì)需求。

4、結(jié)束語

本文以一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)例，通過使用Simdrive軟件對(duì)其前端輪系進(jìn)行仿真分析，分析得出了前端輪系幾個(gè)重要指標(biāo)的情況，并根據(jù)分析結(jié)果自動(dòng)張緊器擺幅過大的情況，調(diào)整優(yōu)化了發(fā)電機(jī)皮帶輪，由普通皮帶輪改為使用發(fā)電機(jī)調(diào)諧皮帶輪，從而達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，避免了后期因張緊器擺幅過大而導(dǎo)致輪系失效、異響等現(xiàn)象的發(fā)生，從而避免了后期因質(zhì)量問題而進(jìn)行大規(guī)模設(shè)計(jì)變更，造成成本損失和企業(yè)形象的損失的慘狀的發(fā)生。

[1] 朱家誠,王純賢.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ),2003.02.

[2] 徐璋,萬里翔,陳嵐?jié)?陳清化.D20 發(fā)動(dòng)機(jī)多楔帶的研究.2011.6.

[3] 王彬.CA488型發(fā)動(dòng)機(jī)多楔帶輪系的開發(fā)[J].汽車技術(shù),1996(5).

[4] 呂兆平.多楔帶輪系設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[J].企業(yè)科技與發(fā)展,2008(18).

[5] JB/T 5983-1992.多楔帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)方法[S].

Application of Simdrive on Auxiliary system design

Xie Youlu, Liu Tong, Luo Jun, Luo Yawei
（Anhui jianghuai Automobile Co. Ltd., Anhui Hefei 230601）

It was based on Simdrive to establish a simulation model of Auxiliary system,and optimize the stability and NVH of the system by dynamic simulation of wrap angle,slip of each pulley,tensioner arm motion, and belt span vibration.

Simdrive:Auxiliary system:Stability:NVH

謝有路，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。

U466

A

1671-7988 （2016）06-69-03