基于弹性皮带的发动机附件驱动系统研究

陈 萌

（泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201）

基于弹性皮带的发动机附件驱动系统研究

陈 萌

（泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201）

针对新形势下发动机附件驱动系统降成本减重量的需求，提出一种应用弹性皮带的方案。介绍了弹性皮带的结构、工作原理及应用状况，结合某开发中的三缸发动机，给出了应用弹性皮带的两种优化方案，并进行了一种方案的零部件选型。在验证阶段，使用计算机动态仿真的方式确认该方案可行，然后通过试制样件并进行实车动态测试，确认该发动机应用弹性皮带的有效性。总结了在附件驱动系统中应用弹性皮带的特点及效果。

弹性皮带；附件驱动系统；低成本；优化设计；动态仿真；整车测试

随着各国对汽车燃油消耗及尾气排放标准不断收严，更加节能环保的小排量车型开始受到整车厂及广大消费者的青睐。从发动机的发展方向来看，小型化、轻量化也已经成为主流趋势。此外，从2015 年开始，我国 1.6 L 及以下小排量发动机还能享受购置税优惠的政策，这更加刺激了市场对于小排量发动机的需求。但发动机小型化、轻量化的过程，是建立在车辆前舱空间缩小、整车价格敏感程度上升的基础上，因此也对发动机下的各个子系统带来了布置空间缩小、降成本减重量压力上升等方面的挑战。

发 动 机 附 件 驱 动 系 统（Front End Accessory Drive System，FEAD 系统）为发动机下一个重要的子系统，典型的 FEAD 系统可以简单理解为由一个主动轮经由一根多楔型非弹性皮带驱动多个从动轮的系统。传统的 FEAD 系统中有一个关键零部件：皮带张紧器。其功用主要是提供足够的皮带张力，以保证各条被驱动的皮带轮不会打滑[1]，同时也提供阻尼，以降低 FEAD 系统的振动[2]。皮带张紧器根据固定方式及位置的不同，需要发动机本体提供额外的安装点和安装空间，在部分应用中还会导致皮带过长。由于张紧器的内部零件本身对于沙、石、水、泥等污染物敏感，需要额外的挡泥板保护，导致应用皮带张紧器时需要大量的布置研究，且长期没有有效的减重降本方案。

针对皮带张紧器带来的一些弊端，本文提出了一种 FEAD 系统优化思路，在不降低系统性能表现的前提下，实现取消皮带张紧器，从而达到同时降成本减重量的目的。

1 弹性皮带简介

1.1 皮带结构

目前乘用车发动机所使用的 FEAD 皮带为 PK型多楔带[3]，其结构如图 1 所示，主要由顶胶、线绳、粘合胶、楔胶组成。其中，皮带的顶胶和楔胶目前市场上主流的选择是三元乙丙（EPDM）橡胶[4]，不同厂商的配方略有差异，但对于皮带的弹性模量变化贡献并不大。

图1 PK 型多楔带结构示意图

根据芯线的不同，FEAD 皮带主要分为 3 种：聚酯（Po1yester）线绳皮带、芳纶（Aramid）线绳皮带和尼龙（Ny1on）线绳皮带。不同的芯线具有不同的弹性模量，一般情况下，芳纶线绳＞聚酯线绳＞尼龙线绳[5]，芳纶和聚酯线绳皮带与尼龙线绳皮带的弹性模量相差通常在一个数量级以上。芯线的弹性模量直接决定了皮带的弹性模量，根据此特性，芳纶线绳和聚酯线绳皮带也被称为非弹性皮带，尼龙线绳皮带被称为弹性皮带。

1.2 工作原理

由于驱动轮对被驱动轮的动力输入存在方向，故按照其旋转方向的反向，每段皮带跨长呈现出张力逐段下降的松紧边现象，如图2所示。为了避免在松边张力过小带来皮带打滑的风险，需要使用皮带张紧器在松边进行张力稳定。

图2 某 FEAD 系统中的松紧边示意图

使用芳纶线绳和聚酯线绳的皮带因其弹性模量巨大，相较皮带张紧器而言，在 FEAD 系统中对张力稳定的贡献很小。而使用尼龙线绳皮带因其弹性模量较小，可一定程度上替代皮带张紧器进行张力调节。本文所提出的减重降本的优化方案，即使用弹性皮带替代皮带张紧器和非弹性皮带。

1.3 发展及应用状况

弹性皮带最初主要应用于一些工业小型机械上，满足小功率传动需求，因其产品特性，逐渐进入乘用车传动皮带的选择范围。但在最初的市场发展阶段，因发动机升功率上升较快，车载电机功率迅速增长，且供应商提供的弹性皮带选择范围小等原因，一直未得到广泛应用。近年来，以法国哈金森[6]、美国盖茨[7]等企业为主，各自推出了成熟的弹性皮带产品，主机厂也可以根据自身的开发需求进行弹性皮带的设计选型。目前已有现代、福特等整车厂将弹性皮带作为皮带张紧器与非弹性皮带的替代品应用在四缸汽油机上，但尚未有主机厂在三缸机上的应用案例。本文将结合某开发中的自然吸气三缸汽油机，进行应用弹性皮带优化 FEAD 系统的可行性研究。

2 附件驱动系统布置优化方案

以图 3所示的 FEAD 系统为基础，曲轴皮带轮需3个附件，其中空调压缩机与发电机、水泵分别由两根独立的皮带驱动。驱动空调压缩机与发电机的主轮系系统使用了皮带张紧器和非弹性皮带的组合对张力进行稳定调节。

图3 某开发中的 FEAD 系统示意图

针对目前的轮系布置，若应用弹性皮带，可产生两种优化方案。

2.1 优化方案一

如图4所示，使用弹性皮带替代非弹性皮带，取消皮带张紧器，同时为保证曲轴皮带轮和发电机皮带轮的皮带包角要求，需增加一个惰轮。本方案对发动机本体的更改影响较小，仅需在原皮带张紧器处寻找一惰轮安装位置即可。由于本方案实施周期更短，与验证窗口更吻合，后续的讨论将基于此方案。

2.2 优化方案二

如图5所示，在方案一的基础上，考虑到水泵的功率一般较小，可以使用多楔带背部进行驱动，将水泵布置在原惰轮的位置，并使用水泵皮带轮替代惰轮。该方案可以取消一套轮系，进一步优化布置空间，同时极大地降低 FEAD 系统的成本。但是由于该方案需要对发动机本体、往复系统、冷却系统进行较大的改动，考虑到变更成本及时间因素，只进行了 FEAD 系统的静态计算，未对此方案进行如动态仿真、实车测试等进一步的研究。但是从弹性皮带的工作原理及该布置的布局而言，此方案是切实可行的。

图4 优化方案一示意图

图5 优化方案二示意图

3 零件设计选型

弹性皮带：在原 FEAD 系统中，各带轮均为 5槽，因此优化方案一中将使用5槽的尼龙线绳弹性皮带。根据 FEAD 系统的静态计算，皮带的名义长度设置为 1 150 mm。

惰轮：惰轮的位置选择由带轮包角、皮带最小跨长[8]、前盖上可提供安装点的区域三个因素决定；惰轮的尺寸及型号选择主要由皮带的弯曲强度、缠绕方式及轴承所承载的径向载荷所决定[9]。基于以上设计输入，优化方案一中使用的惰轮设计为单排深沟球轴承、75 mm 直径的平惰轮。

惰轮支架：在优化方案一中，如果直接安装惰轮，需要对发动机前盖的设计进行更改，但受制于更改周期较长，无法满足试验窗口需求，所以选用一个过渡支架来连接皮带张紧器安装点到惰轮安装点。同时过渡支架的设计应当满足一定的振动模态及强度要求，需要进行相应的 CAE 分析[10]。

4 计算机动态仿真

计算机动态仿真是 FEAD 系统设计验证的重要环节，主要使用的工具是德国 Contecs Engineering Service 公司开发的 SimDrive3D 仿真软件[11]。在该软件中，针对优化方案一的动态仿真输入主要包括：

（1）发动机基本参数。

（2）飞轮型式及转动惯量。

（3）皮带基本参数。

（4）曲轴转速波动。

（5）发电机和空调压缩机的功率-转矩曲线。

（6）各附件的转动惯量。

（7）各皮带轮的坐标位置。

SimDrive 3D 会通过步长迭代的方法进行各类仿真计算的输出。本次仿真中，重点关注的内容包括以下几个方面：

（1）在最小皮带张力下的每两个相邻皮带轮之间皮带跨长 1/2 处的横向抖动量[12]，以到平衡位置的最大距离衡量，要求不超过该段皮带跨长的一定比例。

（2）在最小皮带张力下的每个皮带轮的打滑率[13]，以一定转速域内所有数据点的平均打滑率和最大打滑率衡量，要求不超过一定百分比。

（3）在最大皮带张力下的每个皮带轮的径向载荷，用于校核各个皮带轮轴承寿命及安装点的结构强度，以满足轴承寿命及安装点强度要求为准。

本次仿真的工况为发动机全油门，从怠速到断油转速，同时 FEAD 系统全负载，将系统的皮带最小名义张力设置在 300 N，最大名义张力设置在600 N，中位名义张力设置在 450 N。优化方案一的动态仿真结果如下：

图6 最小皮带张力下，空调压缩机皮带轮到曲轴皮带轮，皮带跨长抖动量

图7 最小皮带张力下，发电机皮带轮到空调压缩机皮带轮，皮带跨长抖动量

图8 最小皮带张力下，空调压缩机皮带轮打滑率

图6为空调压缩机到曲轴皮带轮的皮带跨长抖动量，图7为发电机到空调压缩机皮带轮的皮带跨长抖动量。红蓝线分别代表皮带在横向抖动的正向和负向上的最大抖动量，均在接受标准内。

图8～10是每个从动皮带轮的打滑率，蓝线为最大打滑率，红线为平均打滑率，均在接受标准内。

图11是每个皮带轮的中心载荷，根据与此前使用皮带张紧器和非弹性皮带组合的仿真结果及相应的轴承寿命评估和安装点载荷分析对比，每个皮带轮的中心载荷均可接受。

从动态仿真结果可以看出，使用优化方案一符合 FEAD 系统的性能要求。

图9 最小皮带张力下，发电机皮带轮打滑率

图10 最小皮带张力下，惰轮打滑率

图11 最大皮带张力下，每个皮带轮中心载荷

5 实车动态测试

第4节中作为系统激励的曲轴转速波动，是在发动机前期开发时的仿真结果，并未在真实车辆上进行采集。为了进一步验证实车应用环境中，弹性皮带性能是否如同预期，需要进行实车动态系统验证。同时，在实车上测得的曲轴转速波动，也可以成为提升 FEAD 系统动态仿真准确性的一个重要方式。

针对优化方案一，进行了两种名义张力的弹性皮带样件试制，分别略低于和略高于最小名义张力，并试制了惰轮及其在发动机前盖上的安装支架。出于整车前舱布置空间的限制及测试效率的考虑，实车动态测试仅进行了空调压缩机打滑率、发电机皮带轮打滑率、曲轴皮带轮到空调压缩机皮带轮皮带跨长抖动量的测试。实车测试过程中，通过对发动机加载状况、被驱动附件加载状况进行了不同的组合测试来进行交叉验证。

限于篇幅，本文仅对最恶劣的工况进行讨论，即发动机与 FEAD 系统均全负载。实车测试数据如下：

图12 ～ 15 分别为空调压缩机皮带轮及发电机皮带轮在两种皮带名义张力下的打滑率，图中红线为峰值打滑率，绿线为平均打滑率。

图16 ～ 17 为空调压缩机皮带轮到曲轴皮带轮段在两种名义张力下的皮带跨长抖动量，图中红线和绿线分别表示皮带横向抖动的两个方向的峰值，蓝线为其中值。

从测试结果来看，空调压缩机皮带轮打滑率在两种皮带张力下均符合要求；空调压缩机皮带轮到曲轴皮带轮的皮带跨长抖动量均符合要求。

图12 空调压缩机皮带轮实测打滑率（低于最小皮带名义张力）

图13 空调压缩机皮带轮实测打滑率（高于最小皮带名义张力）

图14 发电机皮带轮实测打滑率（低于最小皮带名义张力）

图15 发电机皮带轮实测打滑率（高于最小皮带名义张力）

发电机皮带轮打滑率在低皮带名义张力下的低转速区间时，峰值打滑率及平均打滑率均略超出接受标准；在高皮带名义张力下，低转速区间的峰值打滑率略超出接受标准。同时可以看出，提升皮带的名义张力，对打滑率的下降有明显影响。

1.4.1 症状积分 阴道炎的症状主要有外阴瘙痒或红肿、阴道充血、白带增多或异味等。按照阴道炎的严重程度分为0～3分的等级，其中3分说明有严重的阴道炎症状，2分说明有中度的阴道炎症状，1分说明有轻微的阴道炎症状，0分说明无阴道炎症状。在治疗前后，评价阴道症状的总积分，积分越高说明越严重[3]。

图16 空调压缩机皮带轮到曲轴皮带轮，皮带跨长抖动量（低于最小皮带名义张力）

图17 空调压缩机皮带轮到曲轴皮带轮，皮带跨长抖动量（高于最小皮带名义张力）

针对该问题，结合测试过程中对于前舱异响的评估（并未出现明显异响），并综合中位名义张力的设计值、极限工况的出现概率及仿真结果，可以将此问题定义为低风险问题，同时在方案正式量产化时给予更多关注。

综合以上测试结果，可以进一步证明使用弹性皮带替代皮带张紧器和非弹性皮带是可行的。

6 结论

弹性皮带在本文所研究的三缸自然吸气发动机FEAD 系统中可以替代皮带张紧器与非弹性皮带的组合。该方案在皮带横向抖动与皮带轮径向载荷方面满足要求，但发动机在低转速高负载时，发电机皮带轮处存在一定打滑风险，该风险可以通过多种手段来消除，例如提升发电机解耦皮带轮的能力[14]，应用曲轴解耦皮带轮[15]，提升弹性皮带名义张力等。但是需要注意皮带名义张力的上升，会带来 FEAD系统中各个摩擦副消耗的摩擦功上升，若使用该方法降低打滑风险，需要进一步验证摩擦功的影响。

对于方案一，取消皮带张紧器，并使用弹性皮带替代原非弹性皮带，需增加惰轮及其安装支架，FEAD 系统重量下降约 5%，成本节省约 3%，减重降本效果并不明显，其目的主要在于验证弹性皮带应用的可行性。对于方案二，可以最大化弹性皮带应用所带来的益处，简化FEAD系统，降低布置难度，节约成本，值得继续深入研究，在新项目上进行更广泛的结合与创新。

弹性皮带因为其本身弹性模量较小，对张力变化敏感性更高，通常在装配过程中需要额外安装，会对量产生产线的生产节拍有潜在影响。在实际运用中也需要进一步评估该影响。

致谢

在此感谢哈金森工业橡胶制品（苏州）有限公司在本项目的研究过程中给予样件试制及测试安排方面的大力配合。

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作者介绍

陈萌（1988-），男，山东济南人。硕士，中级工程师，主要从事发动机附件驱动系统及混合动力系统集成相关研究。

Te1：18601783132

E-mai1：meng318@gmai1.com

The Study on Engine Front End Accessory Drive System Based on Stretchy Belt

CHEN Meng
（Pan Asia Technical Automotive Center Co., Ltd，Shanghai 201201，China）

A new method to lower the cost and to reduce the weight of the front end accessory drive (FEAD) system was developed in this paper by applying stretchy belts. Firstly, the structure, functional principles and application status of stretchy belts were introduced. Then two optimization schemes for a 3-cylinder engine were provided and the parts selection based on one of the schemes was conducted. In validation phase, the FEAD dynamics simulation method was employed to confirm the feasibility of this scheme and the vehicle test results were used to validate the scheme. In the end, the characteristics and effects of application of stretchy belts are summarized.

stretchy belt；front end accessory drive；low-cost；optimization design；dynamics simulation；vehicle test

引用格式：

U464.13

：A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.03.08

2017-03-15 改稿日期：2017-03-30

上汽通用创新孵化基金项目（16-PAT-035）

陈萌 . 基于弹性皮带的发动机附件驱动系统研究［J］.汽车工程学报，2017，7(3)：212-219.

CHEN Meng. The Study on Engine Front End Accessory Drive System Based on Stretchy Be1t［J］.Chinese Journa1 of Automotive Engineering，2017，7(3)：212-219.（in Chinese）