BSG 起停系統(tǒng)解耦器彈簧座圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝優(yōu)化

（寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

BSG（Belt-driven Starter Generator），譯為皮帶傳動(dòng)起動(dòng)發(fā)電機(jī)。常裝配于發(fā)動(dòng)機(jī)前端P0 位置，通過皮帶帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)車輛啟停、能量回收、轉(zhuǎn)矩輔助等功能。BSG 電機(jī)使用皮帶傳動(dòng)，可使發(fā)動(dòng)機(jī)在短時(shí)間加速至怠速轉(zhuǎn)速以上，越過發(fā)動(dòng)機(jī)抖動(dòng)轉(zhuǎn)速區(qū)間，提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行平穩(wěn)性；此外BSG 電機(jī)還可以對發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩提供補(bǔ)償，在低轉(zhuǎn)速時(shí)效果尤為明顯，起到降低油耗和提升發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的作用[1-3]。

本文主要涉及對BSG 電機(jī)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步研究成果。

1 BSG 電機(jī)解耦器介紹

1.1 解耦器作用

耦合是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的體系或兩種運(yùn)動(dòng)形式間通過相互作用而彼此影響以至聯(lián)合起來的現(xiàn)象。解耦器的作用就是利用這種機(jī)構(gòu)將復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分解，減少不同運(yùn)動(dòng)形式之間的交叉影響。對帶有BSG 電機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)來說，解耦器的作用主要體現(xiàn)在2 個(gè)方面：

1）過濾發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，減緩前端附件轉(zhuǎn)速波動(dòng)；

2）過濾前端附件的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，避免附件的轉(zhuǎn)速波動(dòng)傳給發(fā)動(dòng)機(jī)，降低整車抖動(dòng)。

1.2 解耦器結(jié)構(gòu)

BSG 起停系統(tǒng)解耦器，如圖1 所示，結(jié)構(gòu)主要包括彈簧座圈、皮帶輪、驅(qū)動(dòng)盤、主彈簧和軟彈簧。驅(qū)動(dòng)盤、軟彈簧、主彈簧通過一個(gè)特制的保持架---彈簧座圈（Spring Shell）固定后與皮帶輪由內(nèi)至外依次同心地套裝在一起；主彈簧和軟彈簧分別位于彈簧座圈的前后兩側(cè)凹槽內(nèi)；驅(qū)動(dòng)盤安裝在彈簧座圈上的楔口處，并與曲軸之間通過定位銷剛性連接；皮帶輪與彈簧座圈之間套裝有蓋板，蓋板與皮帶輪之間采用剛性連接，與彈簧座圈之間通過軟彈簧連接，從而鏈接皮帶輪與彈簧座圈之間力的傳遞。彈簧座圈和蓋板上均設(shè)計(jì)有定位凸肩，主彈簧和軟彈簧均位于定位凸肩之間，兩端分別與定位凸肩的止推面接觸。這種結(jié)構(gòu)的BSG 電機(jī)解耦器能有效降低起停系統(tǒng)的振動(dòng)，從而提高輪系的壽命[1]。

圖1 BSG 電機(jī)解耦器爆炸圖

圖2 為解耦器內(nèi)部的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)—彈簧座圈（Spring Shell）的結(jié)構(gòu)示意圖，數(shù)字1、2、3 分別表示軟彈簧槽、主彈簧槽和驅(qū)動(dòng)盤固定楔口，主彈簧和軟彈簧分別安裝在對應(yīng)的凹槽內(nèi)。圖2 左半部分為彈簧止推面的局部放大示意圖，此處將承受來自彈簧全部的壓力。

圖2 解耦器spring shell 結(jié)構(gòu)

1.3 解耦器工作原理

如圖3 所示，BSG 電機(jī)解耦器內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)盤與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸剛性連接，與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)同步。皮帶輪與驅(qū)動(dòng)盤之間靠彈簧來傳遞力矩，二者可產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)。通常將BSG 起停系統(tǒng)解耦器工作過程分為正常啟動(dòng)和BSG 電機(jī)起動(dòng)2 種形式：

1）當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)時(shí)，曲軸帶動(dòng)解耦器內(nèi)的驅(qū)動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)盤將轉(zhuǎn)矩傳遞到對應(yīng)狀態(tài)的彈簧上對彈簧進(jìn)行壓縮，處于壓縮狀態(tài)的彈簧將力傳遞到彈簧的另一側(cè)，進(jìn)而推動(dòng)彈簧座圈轉(zhuǎn)動(dòng)，于是位于彈簧座圈另一側(cè)的軟彈簧被壓縮，并將壓力傳遞到蓋板的凸肩上，從而通過蓋板帶動(dòng)皮帶輪發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)；

2）當(dāng)通過BSG 電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)通過皮帶帶動(dòng)皮帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，蓋板與皮帶輪運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一致，蓋板通過軟彈簧帶動(dòng)彈簧座圈發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而壓縮主彈簧，處于壓縮狀態(tài)的主彈簧將壓力傳遞給驅(qū)動(dòng)盤，從而帶動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，完成啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖3 解耦器內(nèi)部裝配結(jié)構(gòu)

從上述BSG 電機(jī)解耦器工作過程的描述可以看出，解耦器的工作需要反復(fù)壓縮主彈簧，容易導(dǎo)致彈簧疲勞，從而發(fā)生彈性失效甚至發(fā)生斷裂。而且在彈簧反復(fù)擠壓彈簧座圈的過程中，如果彈簧座圈設(shè)計(jì)或加工不當(dāng)，容易造成spring shell 局部應(yīng)力集中導(dǎo)致疲勞破裂。這也是BSG 電機(jī)失效的根本原因所在。

2 BSG 電機(jī)解耦器常見失效模式

2.1 解耦器內(nèi)彈簧失效

2.1.1 轉(zhuǎn)動(dòng)力矩較大導(dǎo)致彈簧并圈

彈簧解耦器內(nèi)的彈簧起到過濾轉(zhuǎn)速波動(dòng)與回收能量的昨用。由于解耦器的工作環(huán)境轉(zhuǎn)動(dòng)力矩較大，如果瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩超過解耦器的設(shè)計(jì)使用值范圍，會導(dǎo)致解耦器內(nèi)的彈簧發(fā)生并圈現(xiàn)象，從而無法繼續(xù)工作。因而解耦器設(shè)計(jì)時(shí)需考慮將瞬態(tài)可能達(dá)到的轉(zhuǎn)矩值覆蓋。

2.1.2 彈簧剛度不夠

解耦器所承受的轉(zhuǎn)矩將會轉(zhuǎn)化成力的形式作用在彈簧上，一旦彈簧的剛度不足，將會無法承受壓力上限值，從而被壓扁產(chǎn)生塑性變形，無法恢復(fù)彈性作用，使得解耦器失效。

2.2 解耦器內(nèi)spring shell 彈簧座圈破裂

圖4 與圖5 分別描述了內(nèi)部存在氣孔的樣件與正常樣件在人為破壞后的斷口內(nèi)部放大圖。圖4 中顏色較深的區(qū)域用箭頭標(biāo)出，即為貫穿氣孔。貫穿氣孔的產(chǎn)生大致可總結(jié)為以下幾種原因：

1）在制品壁厚較大時(shí)，其外表面冷卻速度比中心部的快，因此，隨著冷卻的進(jìn)行，中心部的樹脂邊收縮邊向表面擴(kuò)張，使中心部產(chǎn)生充填不足。這種情況被稱為真空氣泡；

2）由于揮發(fā)性氣體的產(chǎn)生而造成的氣泡；

圖4 失效樣件斷口分析

圖5 正常樣件斷口分析

3）流動(dòng)性差造成的氣泡；

4）物料干燥不充分；

5）模具排氣不良；

6）背壓低；

7）嵌件與塑料貼合不緊密；

8）螺桿轉(zhuǎn)速過快。

由于貫穿氣孔的存在使得注塑后的彈簧座圈材料疏松，致密性下降，導(dǎo)致整體強(qiáng)度下降，從而在應(yīng)力集中處容易發(fā)生破裂，使得解耦器發(fā)生失效。

2.3 注塑工藝不合理

注塑工藝的填充過程分為中心填充、多點(diǎn)填充和圓周填充。采用中心填充方法時(shí)，物料從位于圓周中心的射管射出，塑料溶膠在模具中的分布較為均勻，冷卻成型后整體強(qiáng)度較好，但是該過程對物料浪費(fèi)較為嚴(yán)重，成本高。采用圓周多點(diǎn)填充的方法時(shí)，物料從分布在模具圓周幾個(gè)不同位置的射管射出，將模具填充滿，在很大程度上減少物料的浪費(fèi)，但是在幾股塑料溶膠的交匯處會存在明顯的接合線，極易造成應(yīng)力集中。采用圓周填充方法注塑出的樣件走料均勻，成型完整，無融合處，樣件強(qiáng)度最高，但對設(shè)備及模具要求較高。

為了找到最容易發(fā)生疲勞斷裂的位置，需采用CAE 進(jìn)行強(qiáng)度模擬[2]。圖6 是根據(jù)Spring Shell 的三維數(shù)模模擬出來的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，試驗(yàn)中對解耦器施加165 N·m 的轉(zhuǎn)矩。由右側(cè)標(biāo)識可知圖中顏色越深的地方表示應(yīng)力越大。從CAE 的計(jì)算結(jié)果中可以看出，現(xiàn)有的spring shell 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)力主要集中于主彈簧的止推面邊緣處，最大應(yīng)力可以達(dá)到46 MPa。由于解耦器的工作需要反復(fù)壓縮主彈簧，每一次彈簧都要對該位置產(chǎn)生沖擊，因此該位置最易發(fā)生疲勞斷裂，需對該位置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)化處理。

圖6 Spring shell 強(qiáng)度校核CAE 計(jì)算結(jié)果

3 BSG 電機(jī)解耦器彈簧座圈的結(jié)構(gòu)與加工工藝優(yōu)化

鑒于第2 部分總結(jié)的BSG 電機(jī)解耦器彈簧座圈的主要失效原因，可以從以下3 方面對解耦器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的制作工藝進(jìn)行優(yōu)化，試驗(yàn)結(jié)果顯示優(yōu)化方法合理且有效。

1）提高彈簧自身剛度；

2）增加應(yīng)力集中處位置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。有2 種方法：

a）首先可以通過增加彈簧座圈應(yīng)力集中處厚度，增大受力面積，減小應(yīng)力；經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，將厚度提高0.5mm 后，經(jīng)CAE 分析局部應(yīng)力大約可以下降10%，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同厚度下樣件可承受的壓力

b）其次可以通過減小應(yīng)力集中處開孔的大小，提高彈簧座圈止推處強(qiáng)度，減少疲勞斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)不斷減小開孔長度直至完全封閉的過程中，彈簧座圈的強(qiáng)度先逐步上升后趨于平緩，證明減小開孔大小是有助于彈性座圈強(qiáng)度提高的，結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

3）優(yōu)化注塑工藝，提高致密性及結(jié)晶效果：

a）更改填充口位置，將填充口由圓周方向均布設(shè)置改為非均布，使得塑料溶膠的融合處位于彈簧座圈中間；

b）增加流量，增加填充口直徑或增大流速；

圖7 彈簧座圈無開孔結(jié)構(gòu)示意圖

c）提高進(jìn)料速度；

d）提高塑料顆粒的熔化溫度；

e）提高模具恒溫溫度，改善結(jié)晶狀況；

f）提高排氣壓力，有利于避免氣泡的產(chǎn)生；

g）改善填充方法，旨在避免由于溶劑融合帶來的應(yīng)力集中；

試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過以上改進(jìn)后樣件強(qiáng)度顯著提高，所能承受的最大轉(zhuǎn)矩與原工藝制作樣件相比提升了46%。

4 結(jié)論

由試驗(yàn)結(jié)果可知，BSG 電機(jī)解耦器優(yōu)化可從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝2 方面入手，其中：

1）結(jié)構(gòu)方面

a）提高彈簧自身剛度；

b）增大應(yīng)力集中處受力面積，減小應(yīng)力集中處開孔的大小。

2）工藝方面

a）更改填充口位置；

b）增加流量；

c）提高進(jìn)料速度；

d）提高塑料顆粒的熔化溫度；

e）提高模具恒溫溫度，改善結(jié)晶狀況；

f）提高排氣壓力；

g）改善填充方法。