基于EXCITE_TD的正时皮带系统非圆带轮选型的动力学计算

梁善飞，李志威，李云涛，胡军峰，杨万里，蓝军，王瑞平

（1.宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，浙江 宁波 311228；2.同济大学，上海 200092）

基于EXCITE_TD的正时皮带系统非圆带轮选型的动力学计算

梁善飞1,2，李志威1，李云涛1，胡军峰1，杨万里1，蓝军1，王瑞平1

（1.宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，浙江 宁波 311228；2.同济大学，上海 200092）

文章以某直列三缸增压直喷汽油机为研究对象，介绍了非圆形正时皮带轮的形状和相位在正向开发过程中的确定方法。研究过程中，应用配气机构专业分析软件AVL-EXCITE Timing Drive，建立正时皮带系统动力学模型，进行仿真计算，并对不同形状和不同相位下非圆皮带轮的计算结果进行对比，从而选出最优的非圆皮带轮形状和相位。

增压直喷；非圆带轮；动力学；皮带拉力；横向振动

CLC NO.:U464.21Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-29-03

引言

随着人们对整车舒适性的要求越来越高，对发动机的NVH要求也越来越严格。正时性能的好与坏直接影响发动机的动力性、经济性、NVH及排放性能[1]。非圆皮带轮通过非对称结构来减弱皮带系统某一阶次的振动从而提升正时系统的工作平稳性，因而正时皮带系统非圆皮带轮的应用也越来越普遍。

众多研究者对可变传动比特殊运动定律的传动机构进行了研究。其中，孟兆明[2]对带传动设计的新方法进行探讨，Carlo Innocenti[3]设计了变速度比传输同步带并进行运动学分析；Hellmuth Stachel[4]对非均匀齿轮和皮带传动机构进行了分析。

虽然众多学者对可变速比的传动机构进行了研究，但是极少有学者对非圆形正时皮带传动机构进行研究和分析。因此，本文以某三缸增压直喷汽油机为研究对象，介绍了非圆形正时皮带轮的形状和相位在正向开发过程中的确定方法。研究过程中，应用配气机构专业分析软件AVL-EXCITE Timing Drive，建立正时皮带系统动力学模型，进行仿真计算，并将不同形状和不同相位下非圆皮带轮的计算结果进行对比，从而选出最优的非圆皮带轮形状和相位。

1、动力学计算模型建立及非圆形带轮参数的设置

1.1 动力学计算模型建立

在Excite Timing Drive 软件中建立如图1所示的正时皮带系统动力学计算模型。该模型为全阀系模型，其中排气凸轮轴驱动高压油泵凸轮工作，进气凸轮轴驱动真空泵工作，进排气凸轮轴正时皮带轮采用三角椭圆形皮带轮，齿数为42齿；曲轴正时皮带轮采用圆形皮带轮，齿数为21齿；皮带节距为8mm，节数为145，预紧力为380N。

图1 正时皮带系统全阀系计算模型

1.2 非圆皮带轮参数设置

皮带齿形参数和非圆带轮齿形参数采用供应商提供的齿形参数，非圆形带轮的参数依据设计参数设置其椭圆形状及椭圆半径变化量，本文以齿顶圆为基准圆进行各参数的设置。为降低1.5阶次的皮带横向振动，凸轮轴非圆形带轮的形状设计为三角椭圆形，齿顶圆最小半径为51.941mm。本文对半径方向椭圆增量为分别为0.8mm、1.2mm和1.6mm进行了选型计算。如图2所示为半径方向椭圆增量为1.2mm时的参数设置。

图2 非圆形带轮参数设置

带轮相位采用最长半径与Y轴的夹角来定义，逆时针方向为正。本文通过对带轮相位分别偏-1齿、0齿、1齿、1.5齿和2齿进行选型计算。如图3所示为相位偏0齿时的参数设置。

图3 非圆形带轮相位设置

2、动力学计算及结果评价

正时同步带横向振动为周期激励下的强迫振动，其在一个周期中的函数式为[5]：

式中：ρ-标准带宽下每米带长的质量，kg/m；L-同步带的跨距，mm；ω2-凸轮轴带轮的角速度，rad/s；

受到周期性力的激励作用作受迫振动时，周期函数f(t)可展成Fourier级数[6]：

式中：An-频率为高次谐波nωj的n次谐波的幅值；ωj-激振频率。

本文采用正时系统专业分析软件AVL-Excite Timing Drive来建立非圆形正时皮带轮动力学计算模型，并针对凸轮带轮椭圆增量及带轮相位进行了对比计算，通过各个转速下张紧臂摆动角度的大小来最终选定非圆带轮的椭圆增量及带轮相位。

图4～图5分别为椭圆增量恒定为1.2mm时不同带轮相位下的张紧臂Peak to Peak 摆角及带轮相位恒定为偏1.5齿时不同椭圆增量下的张紧臂Peak to Peak 摆角情况。

图4 不同带轮相位下的张紧臂摆角

图5 不同椭圆增量下的张紧臂摆角

从图4中可以看出，当椭圆增量恒定为1.2mm，带轮相位偏-1齿时，张紧臂的最大摆角为13.635°；带轮相位偏0齿时，张紧臂的最大摆角为12.496°；带轮相位偏1齿时，张紧臂的最大摆角为12.363°；带轮相位偏1.5齿时，张紧臂的最大摆角为11.227°；带轮相位偏2齿时，张紧臂的最大摆角为12.373°。由此可知当带轮相位偏1.5齿时张紧臂的最大摆角值最小，此时正时皮带系统运行更平稳，故选定带轮相位偏1.5齿为最终的带轮相位。

从图5中可以看出，当带轮相位恒定为偏1.5齿，椭圆增量为0.8mm时，张紧臂的最大摆角为14.715°；椭圆增量为1.2mm时，张紧臂的最大摆角为11.227°；椭圆增量为1.6mm时，张紧臂的最大摆角为12.788°。由此可知当椭圆增量为1.2mm时，张紧臂的最大摆角值最小，此时正时皮带系统运行更平稳，故选定椭圆增量1.2mm为最终的带轮椭圆增量。

最后需要校核最终选定的非圆凸轮轴带轮参数下各段皮带的最大拉力和横向振幅是否满足设计要求。

图6～图7分别为椭圆增量恒定为1.2mm、带轮相位恒定为偏1.5齿时各段皮带的最大拉力及最大横向振幅。

图6 各段皮带最大拉力

图7 各段皮带最大横向振幅

从图6中可以看出，当椭圆增量为1.2mm，偏心1.5齿时最大皮带拉力出现在紧边，其最大值为1536N，满足＜2000N的评价标准。

从图7中可以看出，当椭圆增量为1.2mm，偏心1.5齿时最大皮带横向振幅出现在惰轮与进气皮带轮之间，其最大值为11.54mm，满足＜19.46mm（10%的跨距）的评价标准。

3、结论

（1）当三角椭圆形正时皮带轮在椭圆半径增量为1.2mm，相位为偏心1.5齿时具有最小的张紧臂摆角，即正时系统抖动最小，运行最平稳；

（2）正时系统专业分析软件AVL-Excite Timing Drive在非圆带轮正时系统正向开发过程中能够帮助项目选定最优的非圆带轮形状及相位，缩短开发周期并节约开发成本。

[1]梁善飞等.某增压发动机正时链系跳齿问题的优化研究[J].汽车实用技术,2013,4：64-67.

[2]孟兆明等.带传动设计方法新探[J].机械传动,2006,30(5)：39-42.

[3]Carlo Innocenti, Davide Paganelli .Designing synchronous belt transmissions with variable velocity ratio[J]. Journal of Mechanical Design, 2008,130(1)：1-7.

[4]Hellmuth Stachel. Gears and belt drives for non-uniform transmission[C]// The Second European Conference on Mechanism Science： Proceedings of EUCOMES 08. Netherlands： Springer , 2009：415-422.

[5]应知言,张光畴,译.力学的物理基础[M].北京：高等教育出版社, 1992：234-332.

[6]王艳华等.469Q汽油机正时同步带传动运动特性的分析研究[J].机械管理开发,2008,2：6-10.

Non circle belt pulley dynamic calculate by EXCITE_TD

Liang Shanfei1,2, Li Zhiwei1, Li Yuntao1, Hu Junfeng1, Yang Wanli1, Lan Jun1, Wang Ruiping1
( 1.Ningbo Geely Royal Engine Components Co., Ltd., Zhejiang Ningbo 311228; 2.Tongji University No, Shanghai 200092 )

For an inline three cylinder turbocharged direct injection gasoline engine, this paper introduces the noncircular timing pulley shape and phase in the process of developing. Utilizing the professional analysis software AVL-EXCITE Timing Drive, a timing belt system dynamics model is established. The simulation calculation results of different shapes and different phase of pulley are compared to choose the optimal non-circular pulley shape and phase.

TGDI;Noncircular belt pulley;Dynamics;Belt force;Transversal vibration

U464.21

A

1671-7988(2017)02-29-03

梁善飞，主要研究方向：配气机构和正时系统动力学仿真及试验研究。就职于宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.010