發電機減振皮帶輪的可靠性研究及應用

王德成，郭海波，隋鵬超，程市，李成東

（內燃機可靠性國家重點實驗室，山東濰坊261061；濰柴動力股份有限公司，山東濰坊261061）

0 引言

前端輪系是發動機各系統中的重要組成部分。隨著商用車的發展，市場對發動機整體維修的方便性和整車的舒適性都提出了較高的要求。當前的商用車發動機前端輪系，自動張緊已經成為主流；但由于發動機功率輸出的不穩定，加上前端輪系各附件轉動慣量的影響，前端輪系整體可靠性相對較低，影響用戶的正常使用。

通過優化發動機本體動力輸出的穩定來降低發動機滾振對前端輪系影響的措施，難度較大且很難保證產品的一致性，且除發動機本體的影響外，前端輪系中各附件對輪系可靠性的影響也不容忽視。如發電機，其轉動慣量大，速比高，對整個前端輪系的影響較大。

本文首先介紹現有發電機減振皮帶輪即超越皮帶輪的種類、結構特點及工作原理的差異性，然后從前端輪系可靠性提升的角度，對不同結構的超越皮帶輪性能、可靠性進行對比分析。

1 發電機超越皮帶輪分類和工作原理

當前的發電機超越皮帶輪主要結構分為OAP（overrunning alternator pulley） 和 OAD［1］（overrunning alternator decoupler）兩大類。盡管當前市場上超越皮帶輪種類很多，但都是在上述2種結構基礎上進行改進的。

OAP皮帶輪基本結構如圖1所示，工作原理如圖2所示。

OAP采用的是楔角工作原理。當外圈轉速大于內圈轉速時，滾柱在內外圈中卡住，內外圈同步轉動；當外圈轉速小于內圈轉速時，滾柱在內外圈中脫開，內外圈按照各自的速度轉動。

圖1 OAP皮帶輪結構示意

圖2 OAP皮帶輪工作原理

OAD皮帶輪基本結構如圖3所示，其工作原理如圖4所示。

圖3 OAD皮帶輪結構示意

圖4 OAD皮帶輪工作原理

OAD皮帶輪的減振功能是通過彈簧來實現的。OAD內部集成2種彈簧，分別為摩擦彈簧和減振彈簧，2種彈簧均具備扭矩傳遞作用。同時，摩擦彈簧還具備離合作用，加速過程中，摩擦彈簧與外圈皮帶輪吸合；減速過程中，其與外圈皮帶輪脫開，此功能與OAP類似。減振彈簧還具備儲存和釋放能量的功能，用來吸收發動機轉速波動，提高前端輪系的穩定性。

2 發電機超越皮帶輪結構及性能對比

2.1 結構對比

二者相比，OAP皮帶輪結構相對復雜，且對材料、材料處理及材料加工精度要求都高，尤其是滾柱和楔角。如果材料不滿足要求，會導致滾柱變形，引起打滑；如果楔角加工誤差大，會引起卡滯，打滑或越位等故障。相對而言，OAD對材料和加工要求比較低。

2.2 性能對比

從工作原理上說，OAP皮帶輪僅在減速過程中實現內外圈脫開，實現減振功能，見圖5。

圖5 OAP減振曲線

而OAD皮帶輪，不僅在加減速過程中實現減振，而且在恒轉速過程中也能實現減振功能。因為即是在恒轉速情況下，發動機本身也存在一定的轉速波動，OAD皮帶輪可以通過減振彈簧實時吸收發動機的轉速波動，提高整個系統的穩定性。對OAD的減振能力業內通常用減振指數來衡量：

式中：Fd表示減振指數，n1表示發電機皮帶輪轉速，n2表示發電機中心軸轉速。

對OAD皮帶輪的減振進行測試，結果如圖6所示。圖中實線為發電機轉子軸轉速波動，虛線為發電機皮帶輪轉速波動。從圖6可以看出，OAD皮帶輪在轉速上升和下降過程均具備減振功能，可有效降低發電機轉速波動對前端輪系的影響。

圖6 OAD皮帶輪減振

3 發電機超越皮帶輪對前端輪系的影響

自動張緊輪是保持前端輪系穩定的重要零部件，張緊輪的可靠性直接影響前端輪系的可靠性。張緊輪的可靠性受內部軸承壽命影響較大，減少軸承磨損是提高張緊輪乃至前端輪系可靠性的關鍵因素。

發電機超越皮帶輪的減振作用［2］，可以提高前端輪系的穩定性，降低張緊輪的擺幅和沖擊，從而提高前端輪系的可靠性。以某公司發動機前端輪系（見圖7）進行輪系仿真計算和性能對比測試，驗證不同結構皮帶輪對張緊輪擺幅的影響。

圖7 前端輪系布局

3.1 仿真計算對比

對圖7布局的張緊輪，采用仿真分析，計算其在不同轉速下的擺角，計算結果如圖8所示。圖中的實線是發電機采用普通剛性皮帶輪的仿真計算結果，虛線為發電機采用OAD皮帶輪的仿真計算結果。從仿真計算結果看，發電機采用OAD皮帶輪能夠有效降低張緊輪擺角。

圖8 前端輪系輪系仿真對比計算結果

3.2 試驗對比

發動機前端輪系性能對比測試在某公司發動機臺架上進行。測試條件為：1）發動機從怠速到額定轉速，每間隔100r／min，測試對應轉速下的張緊輪擺幅；2）以最快速率使發動機從怠速加速到額定轉速，然后再減速到怠速，測試張緊輪擺幅，選取不同測試條件下張緊輪擺幅最大的工況點，確認不同皮帶輪對張緊輪擺幅的改善能力。測試環境溫度為室溫，采用位移傳感器測試張緊輪擺幅，使用Rotec測試設備數據采集。

發電機采用普通剛性皮帶輪時，張緊輪擺幅性能測試結果如圖9所示，張緊輪最大擺角在2.5°左右。

圖9 原輪系張緊輪擺幅性能測試結果

發電機皮帶輪改為OAP皮帶輪，在相同的測試條件下［3］測試，張緊輪擺角如圖10所示，張緊輪最大擺角在2°左右。

圖10 OAP輪系張緊輪擺幅性能測試結果

發電機皮帶輪改為OAD皮帶輪，在相同的測試條件下，張緊輪擺角如圖11所示，最大擺角在0.5°左右。

圖11 OAD輪系張緊輪擺幅性能測試結果

綜合對比，OAP和OAD均能提升前端輪系的可靠性，但OAD對前端輪系的可靠性提升幅度更大，性能更優。

4 結論

從原理、結構、可靠性及性能方面對不同發電機超越皮帶輪進行深入分析，OAD在可靠性和對前端輪系性能提升方面更優，更能滿足市場和應用的需求。