发电机减振皮带轮的可靠性研究及应用

王德成，郭海波，隋鹏超，程市，李成东

（内燃机可靠性国家重点实验室，山东潍坊261061；潍柴动力股份有限公司，山东潍坊261061）

0 引言

前端轮系是发动机各系统中的重要组成部分。随着商用车的发展，市场对发动机整体维修的方便性和整车的舒适性都提出了较高的要求。当前的商用车发动机前端轮系，自动张紧已经成为主流；但由于发动机功率输出的不稳定，加上前端轮系各附件转动惯量的影响，前端轮系整体可靠性相对较低，影响用户的正常使用。

通过优化发动机本体动力输出的稳定来降低发动机滚振对前端轮系影响的措施，难度较大且很难保证产品的一致性，且除发动机本体的影响外，前端轮系中各附件对轮系可靠性的影响也不容忽视。如发电机，其转动惯量大，速比高，对整个前端轮系的影响较大。

本文首先介绍现有发电机减振皮带轮即超越皮带轮的种类、结构特点及工作原理的差异性，然后从前端轮系可靠性提升的角度，对不同结构的超越皮带轮性能、可靠性进行对比分析。

1 发电机超越皮带轮分类和工作原理

当前的发电机超越皮带轮主要结构分为OAP（overrunning alternator pulley） 和 OAD［1］（overrunning alternator decoupler）两大类。尽管当前市场上超越皮带轮种类很多，但都是在上述2种结构基础上进行改进的。

OAP皮带轮基本结构如图1所示，工作原理如图2所示。

OAP采用的是楔角工作原理。当外圈转速大于内圈转速时，滚柱在内外圈中卡住，内外圈同步转动；当外圈转速小于内圈转速时，滚柱在内外圈中脱开，内外圈按照各自的速度转动。

图1 OAP皮带轮结构示意

图2 OAP皮带轮工作原理

OAD皮带轮基本结构如图3所示，其工作原理如图4所示。

图3 OAD皮带轮结构示意

图4 OAD皮带轮工作原理

OAD皮带轮的减振功能是通过弹簧来实现的。OAD内部集成2种弹簧，分别为摩擦弹簧和减振弹簧，2种弹簧均具备扭矩传递作用。同时，摩擦弹簧还具备离合作用，加速过程中，摩擦弹簧与外圈皮带轮吸合；减速过程中，其与外圈皮带轮脱开，此功能与OAP类似。减振弹簧还具备储存和释放能量的功能，用来吸收发动机转速波动，提高前端轮系的稳定性。

2 发电机超越皮带轮结构及性能对比

2.1 结构对比

二者相比，OAP皮带轮结构相对复杂，且对材料、材料处理及材料加工精度要求都高，尤其是滚柱和楔角。如果材料不满足要求，会导致滚柱变形，引起打滑；如果楔角加工误差大，会引起卡滞，打滑或越位等故障。相对而言，OAD对材料和加工要求比较低。

2.2 性能对比

从工作原理上说，OAP皮带轮仅在减速过程中实现内外圈脱开，实现减振功能，见图5。

图5 OAP减振曲线

而OAD皮带轮，不仅在加减速过程中实现减振，而且在恒转速过程中也能实现减振功能。因为即是在恒转速情况下，发动机本身也存在一定的转速波动，OAD皮带轮可以通过减振弹簧实时吸收发动机的转速波动，提高整个系统的稳定性。对OAD的减振能力业内通常用减振指数来衡量：

式中：Fd表示减振指数，n1表示发电机皮带轮转速，n2表示发电机中心轴转速。

对OAD皮带轮的减振进行测试，结果如图6所示。图中实线为发电机转子轴转速波动，虚线为发电机皮带轮转速波动。从图6可以看出，OAD皮带轮在转速上升和下降过程均具备减振功能，可有效降低发电机转速波动对前端轮系的影响。

图6 OAD皮带轮减振

3 发电机超越皮带轮对前端轮系的影响

自动张紧轮是保持前端轮系稳定的重要零部件，张紧轮的可靠性直接影响前端轮系的可靠性。张紧轮的可靠性受内部轴承寿命影响较大，减少轴承磨损是提高张紧轮乃至前端轮系可靠性的关键因素。

发电机超越皮带轮的减振作用［2］，可以提高前端轮系的稳定性，降低张紧轮的摆幅和冲击，从而提高前端轮系的可靠性。以某公司发动机前端轮系（见图7）进行轮系仿真计算和性能对比测试，验证不同结构皮带轮对张紧轮摆幅的影响。

图7 前端轮系布局

3.1 仿真计算对比

对图7布局的张紧轮，采用仿真分析，计算其在不同转速下的摆角，计算结果如图8所示。图中的实线是发电机采用普通刚性皮带轮的仿真计算结果，虚线为发电机采用OAD皮带轮的仿真计算结果。从仿真计算结果看，发电机采用OAD皮带轮能够有效降低张紧轮摆角。

图8 前端轮系轮系仿真对比计算结果

3.2 试验对比

发动机前端轮系性能对比测试在某公司发动机台架上进行。测试条件为：1）发动机从怠速到额定转速，每间隔100r／min，测试对应转速下的张紧轮摆幅；2）以最快速率使发动机从怠速加速到额定转速，然后再减速到怠速，测试张紧轮摆幅，选取不同测试条件下张紧轮摆幅最大的工况点，确认不同皮带轮对张紧轮摆幅的改善能力。测试环境温度为室温，采用位移传感器测试张紧轮摆幅，使用Rotec测试设备数据采集。

发电机采用普通刚性皮带轮时，张紧轮摆幅性能测试结果如图9所示，张紧轮最大摆角在2.5°左右。

图9 原轮系张紧轮摆幅性能测试结果

发电机皮带轮改为OAP皮带轮，在相同的测试条件下［3］测试，张紧轮摆角如图10所示，张紧轮最大摆角在2°左右。

图10 OAP轮系张紧轮摆幅性能测试结果

发电机皮带轮改为OAD皮带轮，在相同的测试条件下，张紧轮摆角如图11所示，最大摆角在0.5°左右。

图11 OAD轮系张紧轮摆幅性能测试结果

综合对比，OAP和OAD均能提升前端轮系的可靠性，但OAD对前端轮系的可靠性提升幅度更大，性能更优。

4 结论

从原理、结构、可靠性及性能方面对不同发电机超越皮带轮进行深入分析，OAD在可靠性和对前端轮系性能提升方面更优，更能满足市场和应用的需求。