48V發(fā)動機前端附件系統(tǒng)淺析

黃蔚　姚源　馮應(yīng)超

摘 要：面對越來越嚴(yán)格的汽車油耗和排放法規(guī)，主機廠已經(jīng)開始研究各種節(jié)油、降排技術(shù)，48V輕混系統(tǒng)就是其中一種。發(fā)動機前端附件系統(tǒng)為了滿足48V輕混系統(tǒng)功能的要求，相應(yīng)的開發(fā)了新結(jié)構(gòu)張緊輪、新結(jié)構(gòu)皮帶;這些新功能和新零件的增加也對發(fā)動機前端附件系統(tǒng)有了新的要求。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機前端附件系統(tǒng) 張緊輪 皮帶 附件支架

1 引言

面對越來越嚴(yán)格的汽車油耗和排放法規(guī)，主機廠已經(jīng)開始研究各種節(jié)油、降排技術(shù)，48V輕混系統(tǒng)就是其中一種。該系統(tǒng)中48V電機（即皮帶啟發(fā)電一體機，Belt-Driven Starter Generator;文中稱作“BSG”）放置在發(fā)動機前端，具有助力、啟停、能量回收和發(fā)電等功能。助力功能可有效的改善整車駕駛性;啟停和能量回收功能可有效的降低整車油耗，改善排放;發(fā)電功能可保障整車正常的用電需求。

帶48V輕混系統(tǒng)的車輛在使用中，BSG會依據(jù)工況和整車需求在上述四種功能中頻繁的切換狀態(tài)，這會導(dǎo)致BSG兩側(cè)皮帶的松緊狀態(tài)交替變化，所以該系統(tǒng)中BSG兩側(cè)的皮帶均需要張緊;這時就需要兩個張緊輪或者一個可以同時張緊BSG兩側(cè)皮帶的張緊輪，Ω張緊輪和Y型張緊輪在這種情況下出現(xiàn)了。因BSG在啟停、助力和能量回收時輸入、輸出的扭矩很大，這時皮帶受力、滑移率都會遠(yuǎn)高于普通系統(tǒng)，新出現(xiàn)的高模量芳綸皮帶可有效的解決這些問題。新功能、新結(jié)構(gòu)張緊輪、新結(jié)構(gòu)皮帶的出現(xiàn)對發(fā)動機前端附件系統(tǒng)有了新的要求。

2 設(shè)計要求

2.1 張緊輪的選擇

張緊輪是系統(tǒng)的核心零件，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的張緊力，保證系統(tǒng)的正常運行。48V系統(tǒng)要求BSG兩側(cè)的皮帶都需張緊，有如下幾種張緊形式：

2.1.1 雙自動張緊輪結(jié)構(gòu)

雙自動張緊輪結(jié)構(gòu)，詳見圖1，該布置需要使用兩個普通自動張緊輪或液壓自動張緊輪，分別布置在兩段松邊位置。該結(jié)構(gòu)自動張緊輪結(jié)構(gòu)成熟，成本低;但是系統(tǒng)解耦效果差，皮帶張緊力大。

2.1.2 Ω張緊輪

Ω張緊輪雙向張緊皮帶，詳見圖2。Ω張緊輪直接安裝在BSG前端，布置簡單，空間緊湊。相對于雙張緊輪布置，Ω張緊輪具有更好的解耦效果，且Ω張緊輪主要是通過殼體的旋轉(zhuǎn)來完成動態(tài)過程，其張緊臂本身的工作角度遠(yuǎn)小于雙張緊輪布置。

2.1.3 Y型張緊輪

Y型張緊輪雙向張緊皮帶，詳見圖3。該結(jié)構(gòu)張緊輪與普通自動張緊輪類似，集成了兩個帶輪，解耦效果稍好于雙自動張緊輪結(jié)構(gòu)，成本與雙自動張緊輪結(jié)構(gòu)相當(dāng);但布置時，發(fā)動機軸向空間需求大。

在BSG輸入、輸出扭矩較大的系統(tǒng)中建議使用Ω張緊輪，其解耦效果是最好的，可有效的降低皮帶最大張緊力，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性;對解耦要求不高的系統(tǒng)可依據(jù)整車布置情況選擇張緊方式。

2.2 發(fā)動機前端附件系統(tǒng)的布置及分析

發(fā)動機前端附件系統(tǒng)的布置是設(shè)計中極其關(guān)鍵的一項工作。依據(jù)各附件模型及自動張緊輪形式在發(fā)動機周圍合理的布置各附件，需關(guān)注BSG帶輪直徑、BSG速比、皮帶包角和皮帶跨度。包角過小或皮帶跨度過大的位置可通過增加惰輪來改善狀態(tài)。

布置完成后再用發(fā)動機角振動信息、附件位置坐標(biāo)信息、BSG的輸入輸出扭矩信息、其他附件消耗功率信息、皮帶信息、自動張緊輪信息等參數(shù)來建立發(fā)動機前端附件系統(tǒng)有限元分析模型，對系統(tǒng)進行前期分析計算。系統(tǒng)有限元分析需要輸出的內(nèi)容：1、皮帶平均滑移率;2、皮帶最大滑移率;3、皮帶抖動情況;4、各帶輪的受力情況;5、皮帶最大受力情況;6、選定自動張緊輪滿足系統(tǒng)要求的參數(shù)。

結(jié)果需滿足如下系統(tǒng)要求：1、皮帶平均滑移率不超過皮帶允許的最大平均滑移率;2、皮帶最大滑移率不超過皮帶允許的最大滑移率;3、皮帶抖動不大于跨度的10%，并與周圍零件無干涉。

2.3 BSG皮帶的要求

BSG皮帶一般為模壓帶;皮帶楔面會增加一層耐磨的布料，用于提升耐磨性能和NVH性能;線繩使用高模量芳綸線繩，其剛度大、可承受極限拉力大，但是耐曲繞性稍差。因該皮帶耐曲繞性差所以建議BSG帶輪直徑不小于56mm。BSG帶輪直徑過小的話，會導(dǎo)致皮帶耐久性能大幅下降，且會帶來很明顯的滑移問題。如下數(shù)據(jù)是一款1.5T 48V系統(tǒng)不同BSG帶輪直徑的實測皮帶滑移數(shù)據(jù)：

數(shù)據(jù)說明，BSG帶輪直徑越大滑移越小，所以需要依據(jù)曲軸帶輪直徑及BSG的最佳速比來確定最合適的BSG帶輪直徑。

2.4 附件帶輪平面公差確定

為避免發(fā)動機前端附件系統(tǒng)產(chǎn)生不對齊度異響，要求皮帶不對齊度不超過0.7°。所有附件帶輪平面度的公差便依據(jù)此要求來計算，計算過程如下：

公差=跨度×0.7°÷360°×3.14

如BSG段皮帶跨度為200mm，則公差=200×0.7°÷360°×3.14=1.22mm，即BSG帶輪與其相鄰帶輪允許的位置公差之和不應(yīng)超過±1.22mm。后續(xù)則需要依此公差信息來核算各子零件公差。其他附件也需按此要求計算，如制造無法滿足要求，則需在附件、附件支架安裝位置增加定位銷，用于減小裝配公差。

2.5 附件支架要求

附件支架在滿足上述公差要求之后還需滿足NVH要求。首先支架必須滿足發(fā)動機振動要求，以四沖程四缸機為例，如發(fā)動機極限轉(zhuǎn)速為6000rpm，則最大振動頻率計算如下：

最大振動頻率=6000÷60×（0.5×4）=200Hz

首先，各支架的振動頻率必須高于發(fā)動機最大振動頻率;其次，應(yīng)避開其他零件的共振點，所以發(fā)動機前端附件支架模態(tài)的確定需要系統(tǒng)的考慮發(fā)動機周圍零件的振動狀態(tài)，防止出現(xiàn)共振情況。

2.6 附件軸承校核

使用系統(tǒng)有限元分析中得到的帶輪的受力情況，并結(jié)合使用工況信息，來核算附件軸承的軸承壽命，需滿足整車設(shè)計壽命要求。

2.7 對整車的其他要求

在48V系統(tǒng)中，發(fā)動機前端附件系統(tǒng)承受扭矩的能力有限，一直是該系統(tǒng)面臨的一個主要問題。這就要求在發(fā)動機前端附件系統(tǒng)的開發(fā)中對該扭矩做出一個定義。目前是通過有限元分析，計算出發(fā)動機前端附件系統(tǒng)能承受的最大扭矩及最大扭矩變化率，并將該信息輸入到標(biāo)定系統(tǒng);標(biāo)定在得到輸入后需對請求扭矩做出限制，即BSG輸出的扭矩和扭矩變化率不得大于該模擬分析值。

3 系統(tǒng)測試及驗證

3.1 在整車標(biāo)定到80%后，需要對發(fā)動機前端附件系統(tǒng)進行實測，確認(rèn)系統(tǒng)的最終狀態(tài)，所有數(shù)據(jù)均需滿足2.2中的系統(tǒng)要求。

3.2 因48V系統(tǒng)有啟停功能，需單獨的增加啟停試驗，用以保證整車正常使用的啟停需求。

3.3 如48V發(fā)動機前端附件系統(tǒng)防護差，容易涉水，則需單獨增加涉水試驗，看BSG是否因為打滑而出現(xiàn)嘯叫;如出現(xiàn)該問題則需增加發(fā)動機前端附件系統(tǒng)防護板來防水或從軟件層面來限制BSG在皮帶滑移過高工況的輸出扭矩，避免出現(xiàn)打滑嘯叫。

3.4 因48V的助力、能量回收功能在城市路況和山區(qū)路況會頻繁起作用，所以需在整車路試驗證時加大城市路況和山區(qū)路況的驗證。

3.5 整車開發(fā)的各階段均需對48V發(fā)動機前端附件系統(tǒng)的NVH性能進行確認(rèn)，防止出現(xiàn)無法接受的NVH噪音。

通過以上測試及驗證可進一步確認(rèn)48V發(fā)動機前端附件系統(tǒng)的可靠性。

4 總結(jié)

48V系統(tǒng)對發(fā)動機前端附件系統(tǒng)有了新的要求，本文總結(jié)了相關(guān)的設(shè)計要求，并提出了相應(yīng)的開發(fā)和驗證流程，就可有效的提高48V發(fā)動機前端附件系統(tǒng)開發(fā)的可靠性。

參考文獻：

[1]陳強，丘勝強，羅海鵬，吳廣權(quán)，高博. 某款48V BSG附件系統(tǒng)設(shè)計及優(yōu)化. 汽車零部件. 2020，（09）.

[2]朱禮銘，張華春.淺談汽車48V系統(tǒng)可靠性試驗方法研究.汽車電器.2019，（08）.