汽車發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系方案設(shè)計(jì)

熊賢學(xué)

摘 要：針對(duì)市場(chǎng)上有些汽車在天氣較冷的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)頻繁的出現(xiàn)異響現(xiàn)象，為了解決這一問(wèn)題，本文主要就產(chǎn)生這種故障的原因和應(yīng)對(duì)辦法進(jìn)行闡述，并對(duì)前端輪系方案，提出了取消發(fā)動(dòng)機(jī)附件傳動(dòng)系統(tǒng)中機(jī)械張緊結(jié)構(gòu)，使用穩(wěn)定、高效的彈性皮帶驅(qū)動(dòng)方案，以此來(lái)解決發(fā)動(dòng)機(jī)異響的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)；故障分析；前端輪系；方案設(shè)計(jì)

隨著汽車本身使用性能要求的提高，其主要組成部分前端輪系，設(shè)計(jì)的好壞將直接影響到整車的質(zhì)量和在使用者中的口碑，因此其發(fā)動(dòng)機(jī)的前端輪系設(shè)計(jì)越來(lái)越受到設(shè)計(jì)者的高度重視。本文主要針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在天氣較冷情況下會(huì)頻繁的出現(xiàn)異響現(xiàn)象進(jìn)行探討，，首先著手分析導(dǎo)致這種故障發(fā)生的原因，并根據(jù)存在問(wèn)題的調(diào)查結(jié)果，針對(duì)性的對(duì)前輪輪系進(jìn)行分析，然后提出一種使用彈性皮帶驅(qū)動(dòng)方案并且增加輪系中的減震帶輪的設(shè)計(jì)方案，來(lái)代替之前使用的發(fā)動(dòng)機(jī)附件傳動(dòng)系統(tǒng)中、可靠性能較低的一種機(jī)械式的張緊裝置，然后再借助仿真軟件或者是動(dòng)態(tài)計(jì)算軟件設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，以此來(lái)確保設(shè)計(jì)方案符合要求，從而達(dá)到解決問(wèn)題的目的。

1前端輪系故障分析

據(jù)某車型市場(chǎng)上的使用者反饋冬天發(fā)動(dòng)機(jī)存在異響，漏水漏油等現(xiàn)象，尤其是在天氣較冷的情況下，從頻繁的發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)異響問(wèn)題來(lái)看，該款車型的發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)輪系異響主要為皮帶打滑異響。產(chǎn)生這種故障的原因很多，有皮帶輪上有異物粘附，例如泥沙粉末之類的異物存在，或者是張緊輪有油脂滲出，溢漏，從而導(dǎo)致軸承產(chǎn)生短時(shí)的卡頓，機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)了很大的摩擦力，從而導(dǎo)致聲音很大等原因，但是該車型異響的故障大多數(shù)來(lái)自于皮帶張力在使用的過(guò)程中，不斷地產(chǎn)生張力衰減，此外還有用來(lái)張緊皮帶的張緊機(jī)構(gòu)，在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的使用，由于受到皮帶反作用力的作用，持續(xù)不斷的擠壓張緊輪，導(dǎo)致了張緊輪產(chǎn)生松動(dòng)，從而導(dǎo)致張緊輪設(shè)計(jì)間隙改變，張緊皮帶的作用明顯減退。

2輪系設(shè)計(jì)方案

鑒于之前發(fā)動(dòng)機(jī)附件驅(qū)動(dòng)輪系的設(shè)計(jì)方案使用的是手動(dòng)張緊皮帶結(jié)構(gòu)，需要使用機(jī)械式張緊輪來(lái)進(jìn)行皮帶張緊調(diào)節(jié)，由于其使用過(guò)程中，對(duì)皮帶的張緊調(diào)節(jié)不是十分準(zhǔn)確，而且隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的高速、長(zhǎng)時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)，皮帶的張緊力會(huì)不斷地衰減變小，這樣就導(dǎo)致產(chǎn)生異響情況，現(xiàn)綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)放置空間內(nèi)的剩余空間以及提高輪系的可靠性，決定采用彈性皮帶驅(qū)動(dòng)并且增加輪系中的減震帶輪的設(shè)計(jì)方案來(lái)改善傳動(dòng)輪系的異響現(xiàn)象。

2.1發(fā)動(dòng)機(jī)空間布局

由于發(fā)動(dòng)機(jī)室空間有限，而作為發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中，最重要的組成部分—前端輪系，前端輪系設(shè)計(jì)必須要充分考慮好其部件擺放的相對(duì)位置關(guān)系，必須要考慮其各部件之間的間隙大小，這是因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)以及使用過(guò)程中，不同的放置位置，會(huì)對(duì)部件的外形尺寸有不同的生產(chǎn)要求，會(huì)對(duì)其使用的性能產(chǎn)生不一樣的影響。

2.2帶輪主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2.1帶輪的輸入包角參數(shù)

在進(jìn)行輪系設(shè)計(jì)時(shí)，尤其是進(jìn)行張緊輪的張緊力的設(shè)計(jì)時(shí)，首先要進(jìn)行包角設(shè)計(jì)，這可以在調(diào)整帶輪的相對(duì)空間坐標(biāo)以及改變惰輪的角度給予充分的考慮。有些包角的設(shè)計(jì)參數(shù)范圍可以根據(jù)以往設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行設(shè)定，具體見(jiàn)表1。

2.2.2帶輪的相對(duì)間隙參數(shù)

由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙的空間較為有限，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮到輪系之間的相對(duì)位置不能過(guò)大，否則不僅增加空間占用率，導(dǎo)致生產(chǎn)安裝麻煩，還會(huì)因?yàn)殚g隙過(guò)大，皮帶的震動(dòng)幅度增加，從而導(dǎo)致使用效果較差和使用壽命較低，但是也不能過(guò)小，過(guò)小導(dǎo)致皮帶安裝困難，皮帶與輪系摩擦增大，導(dǎo)致產(chǎn)生異響，再則會(huì)增加輪系平面度的安裝標(biāo)準(zhǔn)。在以往的使用設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，例如在進(jìn)行水泵輪系設(shè)計(jì)時(shí)，其平輪的相對(duì)位置間隙基本上保持最小50mm，槽輪的相對(duì)位置間距為60mm以上，帶輪的相對(duì)間隙控制在不大于300mm，具體詳見(jiàn)表2。

2.2.3帶輪的外形尺寸參數(shù)

在進(jìn)行輪系設(shè)計(jì)時(shí)，除了要考慮輪系的相對(duì)坐標(biāo)，還需要考慮整個(gè)輪系各部件的外形尺寸大小，因?yàn)楦鞑考旧沓叽缛绻蟮脑挘粌H僅會(huì)影響安裝空間，增加各部件輪系軸承的徑向承受力的大小，從而使得輪系部件的磨損比較嚴(yán)重，也增加了整個(gè)輪系的功率消耗，導(dǎo)致耗油量間接的增加，還會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)的傳動(dòng)比改變，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作，但是也不能太小，太小的話，會(huì)增加其皮帶受彎曲應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致皮帶使用壽命降低。根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可以看出，當(dāng)帶輪正向彎曲半徑保持在22.5mm以上，反向彎曲半徑尺寸保持在35mm以上最為合理、高效。

2.3輪系設(shè)計(jì)方案

作為輪系的重要設(shè)計(jì)參數(shù)，張緊力的大小必須要嚴(yán)格的合理控制，在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)輪系的研發(fā)工作時(shí)，也應(yīng)該考慮到整個(gè)環(huán)節(jié)，比如生產(chǎn)零部件的成本和研發(fā)零部件的周期，此外最重要的就是控制整個(gè)輪系主要零部件空間坐標(biāo)的相對(duì)穩(wěn)定，使得其輸出數(shù)據(jù)較為可靠、穩(wěn)定，如圖1設(shè)計(jì)輪系布局就是新設(shè)計(jì)的輪系零部件的相對(duì)空間位置。

2.3.1主要參數(shù)模擬輸入

在進(jìn)行輪系計(jì)算時(shí)，需要重新選取發(fā)動(dòng)機(jī)特性參數(shù)、各附件輪系坐標(biāo)以及皮帶參數(shù)。

以某發(fā)動(dòng)機(jī)的前端輪系為例，其具體的幾個(gè)主要參數(shù)為：當(dāng)車速高速運(yùn)行時(shí)，輪系保持在6200（r/min），怠速運(yùn)行時(shí)，其轉(zhuǎn)速在750+50（r/min），其具有4個(gè)氣缸數(shù)，其內(nèi)的沖程數(shù)與氣缸數(shù)一致，都為4個(gè)；而該發(fā)動(dòng)機(jī)的各附件輪系相對(duì)位置的坐標(biāo)參數(shù)為：壓縮機(jī)的X值為149.30，Y值為-7.25，與水泵間的傳動(dòng)比為1.34，有效直徑為136mm。

2.3.2參數(shù)仿真設(shè)計(jì)

在確定了輪系的布局設(shè)計(jì)后，還需要在進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算模擬，需要運(yùn)用Simdrive3D軟件進(jìn)行模型的搭建，然后在軟件中，輸入設(shè)計(jì)時(shí)所涉及到的有關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)，比如各附件的外形尺寸，帶輪間距，帶輪的使用材料、帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，曲軸扭矩角位移等設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行動(dòng)態(tài)模型的仿真研究。

2.3.3打滑及異響測(cè)試

在進(jìn)行仿真的數(shù)據(jù)分析后，可以看出，前端輪系彈性皮帶的打滑以及因?yàn)槠Ф秳?dòng)而產(chǎn)生的異響現(xiàn)象都滿足了設(shè)計(jì)要求。其輪系帶輪與皮帶之間的最大打滑率小于3.2%，其平均打滑率基本上控制在2%以內(nèi)，處于合理的范圍之內(nèi)，所以，水泵處以及各部件間的打滑率基本上沒(méi)有問(wèn)題。

3結(jié)論

本文主要針對(duì)現(xiàn)在車型出現(xiàn)的故障進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)，提出了使用一種彈性皮帶驅(qū)動(dòng)方案來(lái)代替之前使用的可靠性能低、而且操作較為復(fù)雜的機(jī)械式張緊的驅(qū)動(dòng)方案，以此來(lái)解決附件輪系中因?yàn)檎駝?dòng)而產(chǎn)生的噪音問(wèn)題，在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系的初步設(shè)計(jì)時(shí)，首先對(duì)故障原因進(jìn)行查找、分析，然后根據(jù)結(jié)果分析，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動(dòng)機(jī)輪系設(shè)計(jì)要求，運(yùn)用靜態(tài)、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)軟件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，這樣做是為了能夠更好地降低了系統(tǒng)研發(fā)的時(shí)間以及成本花費(fèi)，最終，此設(shè)計(jì)方案也得到了很好的市場(chǎng)反應(yīng)，為后續(xù)研發(fā)新車型發(fā)動(dòng)機(jī)輪系設(shè)計(jì)提供了很好的借鑒意義。

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