某發(fā)動(dòng)機(jī)搭載電磁離合器的風(fēng)扇換擋時(shí)刻研究

(內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省濰坊市 261061；濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東省濰坊市 261061)

0 引言

節(jié)能減排已成為燃油發(fā)動(dòng)機(jī)永恒發(fā)展的目標(biāo)。為降低發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件能耗，確保在不同工況正常工作時(shí)，風(fēng)扇可提供不同的風(fēng)量需求，目前已廣泛應(yīng)用搭載電磁離合器或電控硅油離合器的風(fēng)扇。

電控硅油離合器結(jié)構(gòu)內(nèi)含硅油，具有黏性阻尼特性，換擋無(wú)沖擊，但變速傳遞動(dòng)力時(shí)響應(yīng)較慢，存在轉(zhuǎn)速滑差，開(kāi)發(fā)成本高。而電磁離合器內(nèi)含永磁渦流系統(tǒng)，換擋響應(yīng)快，可通過(guò)控制電磁線圈電路通斷，控制傳遞動(dòng)力路線，傳動(dòng)無(wú)滑差，開(kāi)發(fā)成本低；但變速傳遞動(dòng)力時(shí)常伴隨有沖擊，不同轉(zhuǎn)速時(shí)，所產(chǎn)生的沖擊力不同。2種離合器結(jié)構(gòu)各具有其不同的應(yīng)用市場(chǎng)。

受爆發(fā)壓力、活塞的往復(fù)慣性力、外力等激勵(lì)的影響，曲軸轉(zhuǎn)速并非恒定于某一轉(zhuǎn)速，而是在某基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速上下波動(dòng)，由此會(huì)對(duì)應(yīng)不同的電磁離合器換擋時(shí)刻，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件驅(qū)動(dòng)輪系(前端輪系)動(dòng)態(tài)性能。某發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇搭載電磁三速離合器。本文就該發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系，根據(jù)電磁離合器換擋時(shí)間要求、離合器摩擦片間的傳遞扭矩等，并基于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速上下波動(dòng)對(duì)應(yīng)不同的換擋時(shí)刻，從前端輪系動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)、附件轉(zhuǎn)速波動(dòng)、附件帶輪緊邊皮帶張緊力波動(dòng)、張緊輪擺幅等維度確定出最佳的電磁離合器換擋時(shí)刻，可用于指導(dǎo)搭載電磁離合器結(jié)構(gòu)風(fēng)扇的吸合換擋時(shí)間。

1 前端輪系模型

匹配電磁離合器風(fēng)扇的某直列6缸、4沖程發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系模型包含7個(gè)模塊，分別為曲軸模塊、惰輪模塊、水泵模塊、風(fēng)扇模塊、離合器模塊、自動(dòng)張緊模塊和多楔帶模塊。曲軸模塊作為前端輪系的激勵(lì)源，其借助多楔帶模塊驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇模塊、水泵模塊等附件系統(tǒng)，借助自動(dòng)張緊模塊為系統(tǒng)提供所需的張緊力，保證系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。采用Simdrive 3D軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系模型，如圖1所示。

1.1 激勵(lì)源輸入信息

曲軸模塊中，前端輪系中的激勵(lì)源信號(hào)主要為曲軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)原理，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)可按如下公式[1]計(jì)算：

(1)

式中，n0為基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速，r/min；j為階，j=0.5, 1, …, ∞；Aj為第j階角位移幅值，(°)；t為時(shí)間，s；φj為第j階相位角，deg。

1.2 附件功率消耗特性

風(fēng)扇模塊、水泵模塊為前端輪系中主要消耗功率的附件模塊，兩者的功率消耗特性曲線如圖2所示。

1.3 自動(dòng)張緊及多楔帶模塊

自動(dòng)張緊模塊中的自動(dòng)張緊器性能數(shù)據(jù)需從張緊輪扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)上獲取，名義位置扭矩為22.6 Nm，采用阻尼比為15%的對(duì)稱(chēng)阻尼式結(jié)構(gòu)[2]。多楔帶模塊采用10PK、聚酯線繩的的傳動(dòng)帶。

2 電磁離合器結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

本發(fā)動(dòng)機(jī)所采用的電磁三速離合器結(jié)構(gòu)示意如圖3所示，主要由3個(gè)模塊組成[3]。

模塊1包含牽引管、電磁線圈、主軸、軸承及傳動(dòng)盤(pán)等部件，模塊2包含小吸合盤(pán)、小彈簧片、鑄鋁承載盤(pán)、航空磁鐵及滾動(dòng)軸承等部件，模塊3包含大吸合盤(pán)、大彈簧片、滾動(dòng)軸承、風(fēng)扇承載盤(pán)(內(nèi)澆鑄有環(huán)形鋼板)等部件。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度或進(jìn)氣溫度處于不同的水平時(shí)，控制單元決定電磁離合器處于不同檔位[4]。

2.2 工作原理

當(dāng)電磁三速離合器處于一速工作時(shí)，模塊1中的主軸帶動(dòng)模塊3滾動(dòng)軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)，在滾動(dòng)軸承滾珠與內(nèi)圈、外圈摩擦力的作用下，風(fēng)扇承載盤(pán)帶動(dòng)風(fēng)扇隨滾動(dòng)軸承外圈轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速可達(dá)150～200 r/min。其動(dòng)力傳遞路線如圖4所示。

處于二速工作時(shí)，模塊1中的小電磁線圈通電，在永磁渦流系統(tǒng)的作用下，傳動(dòng)盤(pán)與模塊2中的小吸合盤(pán)貼合，兩者之間靠靜摩擦力傳遞動(dòng)力，風(fēng)扇承載盤(pán)內(nèi)澆鑄的環(huán)形鋼板，切割磁感線，在電磁力作用下，驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇承載盤(pán)帶動(dòng)風(fēng)扇隨主軸柔性轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞。此換擋過(guò)程中無(wú)沖擊產(chǎn)生，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速可達(dá)到輸入的30%～60%。其動(dòng)力傳遞路線如圖5所示。

處于三速工作時(shí)，模塊1中的大線圈通電產(chǎn)生電磁力，傳動(dòng)盤(pán)吸合模塊3中的大吸合盤(pán)，大吸合盤(pán)與傳動(dòng)盤(pán)貼合，兩者之間依靠靜摩擦力傳遞動(dòng)力，因大吸合盤(pán)與風(fēng)扇承載盤(pán)為剛性連接，由此實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞。此換擋過(guò)程中會(huì)存在一定沖擊，為減小摩擦副磨損，換擋時(shí)間一般控制在1 s以下。其動(dòng)力傳遞路線如圖6所示。

電磁三速離合器的轉(zhuǎn)速特性曲線如圖7所示。

由前文可知，電磁三速離合器在一速升二速換擋時(shí)，主軸與風(fēng)扇間的動(dòng)力傳遞為柔性且逐漸過(guò)渡，而二速升三速換擋時(shí)，主軸與風(fēng)扇間的動(dòng)力傳遞為為剛性且耗時(shí)短暫，此過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的沖擊力。此沖擊力與電流強(qiáng)度，線圈匝數(shù)，鐵芯平均長(zhǎng)度、鐵芯的磁導(dǎo)率、氣隙處鐵芯的截面積、空氣中的磁導(dǎo)率等因素有關(guān)[5]。當(dāng)沖擊力作用于大吸合盤(pán)與傳動(dòng)盤(pán)之間時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)扭矩傳遞。根據(jù)該電磁離合器的性能參數(shù)，二速換三速時(shí)，靜摩擦扭矩≥100 Nm。

3 換擋過(guò)程對(duì)前端輪系動(dòng)態(tài)性能影響的分析

在Simdrive 3D軟件中，采用Friction Cluth模塊，根據(jù)電磁離合器的換擋時(shí)間及換擋吸合時(shí)可傳遞的最大扭矩值，定義基于時(shí)間的換擋規(guī)律。換擋吸合時(shí)所傳遞的最大扭矩根據(jù)1.3節(jié)附件功率消耗特性獲得。為直觀地展示電磁離合器的工作特性，假定初始時(shí)，電磁離合器為分離狀態(tài)，在某一時(shí)刻吸合，開(kāi)始換擋。

3.1 不考慮曲軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)

假定曲軸以1 200 r/min恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，不考慮曲軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)對(duì)前端輪系的影響，則任意時(shí)刻換擋時(shí)的風(fēng)扇及其帶輪轉(zhuǎn)速波動(dòng)、風(fēng)扇帶輪緊邊皮帶動(dòng)態(tài)張緊力如圖8所示。

可以看出，假定風(fēng)扇一速為零，初始時(shí)，風(fēng)扇帶輪始終以1 462.2 r/min運(yùn)轉(zhuǎn)，在一速換擋至二速時(shí)，風(fēng)扇帶輪轉(zhuǎn)速波動(dòng)較小，最大波動(dòng)率約為0.32%，最大皮帶動(dòng)態(tài)張緊力增加約6.37%；在二速換擋至三速時(shí)，風(fēng)扇帶輪轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大，最大波動(dòng)率約為0.95%，最大皮帶動(dòng)態(tài)張緊力增加約72.25%，即不同風(fēng)扇帶輪轉(zhuǎn)速換擋時(shí)，引起動(dòng)態(tài)張緊力波動(dòng)不同。以下針對(duì)具有著火激勵(lì)諧次的曲軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)，分析不同時(shí)刻換擋對(duì)輪系動(dòng)態(tài)性能的影響。

3.2 考慮著火激勵(lì)諧次的曲軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)

同樣地，假定曲軸轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，僅考慮著火主激勵(lì)諧次時(shí)的角位移幅值及其相位角，不考慮電磁離合器換擋時(shí)，根據(jù)公式(1)得到時(shí)域內(nèi)曲軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)情況。因多楔帶本體為橡膠結(jié)構(gòu)，具有一定阻尼特性，且中間抗拉體為聚酯線繩，在傳動(dòng)過(guò)程中，多楔帶在帶輪上會(huì)產(chǎn)生一定的彈性滑動(dòng)，導(dǎo)致附件帶輪轉(zhuǎn)速與曲軸轉(zhuǎn)速相對(duì)滯后[6]。不考慮風(fēng)扇帶輪速比時(shí)，風(fēng)扇帶輪轉(zhuǎn)速滯后于曲軸轉(zhuǎn)速情況如圖9所示。

此種滯后現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致曲軸轉(zhuǎn)速與附件帶輪轉(zhuǎn)速不同步，則電磁離合器換擋時(shí)，對(duì)于風(fēng)扇而言，存在幾種可能的換擋時(shí)刻。假定分別在等效點(diǎn)A處、波峰點(diǎn)B處、等效點(diǎn)C處、波谷點(diǎn)D處進(jìn)行換擋，如圖10所示。圖中t0為風(fēng)扇轉(zhuǎn)速恰好為曲軸基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速與風(fēng)扇帶輪對(duì)應(yīng)速比乘積的相對(duì)應(yīng)時(shí)刻，T為風(fēng)扇轉(zhuǎn)速波動(dòng)周期。

下面考慮電磁離合器換擋時(shí)刻，綜合分析離合器二速換三速、三速換二速時(shí)，前端輪系的動(dòng)態(tài)性能變化。

3.3 考慮曲軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)時(shí)升速換擋

電磁離合器二速換三速時(shí)，取風(fēng)扇帶輪轉(zhuǎn)速變化1個(gè)周期內(nèi)的4個(gè)不同時(shí)刻進(jìn)行分析，即等效點(diǎn)A處、波峰點(diǎn)B處、等效點(diǎn)C處和波谷點(diǎn)D處。4個(gè)不同時(shí)刻換擋升速時(shí)的前端輪系動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)對(duì)比結(jié)果如圖11所示。

考慮曲軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)，不同時(shí)刻換擋升速時(shí)，前端輪系動(dòng)態(tài)性能有差異。各處換擋升速時(shí)的風(fēng)扇帶輪轉(zhuǎn)速波動(dòng)率、風(fēng)扇帶輪緊邊皮帶動(dòng)態(tài)張緊力變化率及張緊輪瞬態(tài)擺幅對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 不同時(shí)刻換擋升速時(shí)前端輪系動(dòng)態(tài)性能對(duì)比

可以看出，B處換擋升速時(shí)，風(fēng)扇帶輪轉(zhuǎn)速波動(dòng)率、風(fēng)扇帶輪緊邊皮帶張緊力波動(dòng)率及張緊輪擺幅均為最小。而過(guò)大的張緊力波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致張緊輪阻尼件產(chǎn)生較大的pv值(承載壓力與接觸面上的相對(duì)線速度的乘積值)，影響張緊輪應(yīng)用可靠性[7]。因此，為提高前端輪系使用壽命，對(duì)于搭載有電磁離合器的前端輪系，換擋升速時(shí)需控制在B處。

3.4 考慮曲軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)時(shí)降速換擋

電磁離合器三速換二速時(shí)，同樣地，仍取風(fēng)扇帶輪轉(zhuǎn)速變化1個(gè)周期內(nèi)的4個(gè)不同時(shí)刻進(jìn)行分析。對(duì)比分析4個(gè)不同時(shí)刻換擋時(shí)的前端輪系的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，結(jié)果如圖12所示。

考慮曲軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)，在不同時(shí)刻換擋降速時(shí)，前端輪系動(dòng)態(tài)性能亦有差異。各處換擋升速時(shí)的風(fēng)扇帶輪轉(zhuǎn)速波動(dòng)率、風(fēng)扇帶輪緊邊皮帶動(dòng)態(tài)張緊力變化率及張緊輪瞬態(tài)擺幅對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 不同時(shí)刻換擋降速時(shí)前端輪系動(dòng)態(tài)性能對(duì)比

可以看出，在B處換擋降速時(shí)，風(fēng)扇帶輪轉(zhuǎn)速波動(dòng)率、風(fēng)扇帶輪緊邊皮帶張緊力波動(dòng)率及張緊輪擺角均為最小，對(duì)前端輪系動(dòng)態(tài)性能影響最小。因此，為提高輪系使用壽命，對(duì)于搭載有電磁離合器的前端輪系，換擋降速時(shí)亦需控制在B處。電磁離合器三速降二速對(duì)前端輪系的影響小于二速升三速。

4 結(jié)論

通過(guò)分析電磁三速離合器的結(jié)構(gòu)及原理，明確在二速升三速時(shí)，對(duì)于搭載電磁離合器風(fēng)扇的發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件輪系而言，換擋時(shí)刻要求相對(duì)較苛刻。另外，為保障前端輪系整體可靠性，從前端輪系動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，如附件轉(zhuǎn)速波動(dòng)、附件帶輪緊邊皮帶張緊力波動(dòng)、張緊輪擺幅等維度，確定出發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)時(shí)，電磁離合器的最佳換擋時(shí)刻，應(yīng)將其控制在曲軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)的波峰點(diǎn)，對(duì)前端輪系的動(dòng)態(tài)性能影響最小，可在一定程度上提高發(fā)動(dòng)機(jī)前端附件輪系的使用壽命。