一种防皮带跳齿的汽车涨紧器设计分析

邱丽恒，孙长勇，郭言杰，王 未，滕 昊，夏江洲

（山东华宇工学院机械工程学院，山东 德州 253000）

0 引言

随着经济快速发展，交通越来越便捷，使得汽车制造业蓬勃发展。汽车的正时皮带是发动机的重要组成部分，发动机正时皮带运行的好坏直接影响汽车的正常行驶。为了保证发动机正常工作，应定期检查、调整发动机皮带的张紧度[1]。皮带涨紧器作用在汽车发动机的正时皮带上，起着导向和涨紧的作用，使其始终处于最佳涨紧状态[2]。但因汽车使用的环境、驾驶员的驾驶习惯以及产品的质量等问题，造成正时皮带被拉长而跳齿、断裂等，最终使正时不对，这样会导致发动机点火提前或点火滞后、怠速不稳、加速无力、抖动、动力下降、无法启动等现象，严重的时候会因为活塞上下往复运动的时间不对，气门和活塞相互撞击，导致气门和活塞损坏，不仅带来大量财产损失，还对驾驶员安全造成威胁。

正时皮带作为发动机的“桥梁”，具有将发动机进气、压缩、爆炸和排气四个过程而获得的动力传递给其他构件的功能。而涨紧器对皮带起导向和张紧的作用，防止皮带松动，使传动更加可靠，能减小皮带的振动，有效地降低发动机噪声，延长零件的使用寿命，保证发动机的正常工作[3]。传统发动机皮带涨紧器的出现，一定程度上延长了正时皮带的使用寿命，但仍存在许多问题：

（1）只能调节皮带单边受力。正时皮带是连接曲轴与凸轮轴的唯一途径，单侧调节受力，皮带负荷大，不仅保持不了受力平衡，而且加大了皮带跳齿、断裂的速度。

（2）维护成本高。正时皮带断裂时，若发动机处于打开状态且皮带被咬住，同时发动机停运或发动机处于空转状态时，仅损坏正时皮带本身；如若非以上两种情况，则会损坏其他部件，甚至损坏发动机，不仅更换造成大量财产损失。

（3）安装不便。传统涨紧器安装不方便，需专门人员安装，增加安装费用。

（4）功能种类少。仅起着调节正时皮带单侧受力作用，并无其他拓展功能，功能单一。

目前国内外对皮带涨紧器的研究仍处于初级阶段，有较大的发展空间。比如，博格华纳VFT（Variable Force Tensioner）仅是通过改善涨紧器内部结构减小其阻尼特性，一定程度上减低皮带受力；温州萨博汽车零部件有限责任公司通过增加连接柱改进皮带涨紧器，解决皮带容易变形的问题，减少噪音。并没有直接对上述涨紧器存在的问题直接进行解决。

本文旨在提供一种结构简单、便于安装和可自主设定预紧压力的能防止正时皮带跳齿的涨紧器。该涨紧器在汽车发动机正常运转过程中能根据预设张紧力，调节正时皮带两侧的预紧压力防止正时皮带跳齿，同时能判断正时皮带是否需要更换且报警。既减少因涨紧器存在上述问题而造成的财产损失，又保证驾驶员驾驶安全。

1 防皮带跳齿的智能涨紧器设计

1.1 涨紧方式选择

涨紧器一般分为油压与机械两种涨紧方式，都可以自动地对正时皮带进行调节。两种方式的主要区别在于两者对激励频率（发动机转速）的敏感性。如图1所示，油压张紧器在低频激励下，高压腔体积变化缓慢，腔内压力相对平稳，机油介质能够较为轻易地经由阻尼油槽和柱塞间隙路径泄出，此时液压系统阻尼效果并不明显，整体阻尼特性与纯弹簧作用张紧器类似。而机械张紧器输出则相对稳定，不受激励频率、填充介质、温度压力影响，设计时能够贴合发动机减振需求。但由于油压涨紧方式较平稳、反应快、冲击小，操作简单方便，省力，易实现自动化，可以自动润滑，因此使用寿命较长。因功率损失等原因所产生的热量可以由流动着的油液带走，所以避免了局部温升现象等优点。因此，智能涨紧器选择油压涨紧作为设计的涨紧方式。

图1 机械涨紧与油压涨紧阻尼特性对比[4]

1.2 装置组成

设计的防止发动机正时皮带跳齿的智能涨紧器主要由控制单元、功能开关、报警器、压力电阻传感器、电机、液压油导管、智能涨紧器主体组成，如图2所示。智能涨紧器主体主要包括：固定孔、蜗杆机构、齿轮机构、旋转螺母机构、触头、活塞、滑动电阻传感器、压力传感器和电机等。

图2 皮带涨紧器设计结构

其中，控制单元采用STM32 单片机，安装在汽车上；电机用于通过齿轮机构驱动蜗杆旋转，当发动机正时皮带被拉长后推动活塞右移动，从而保证涨紧器内部液压油的压力。如图3 所示，旋转螺母机构包括旋转螺母、轴、齿轮、单向离合器和锁销，同时在旋转螺母的轴上安装有单向离合器，单向离合器壳体外圆上有多个孔，当锁销通过涨紧器主体上的锁销孔插入单向离合器壳体外圆上的孔内时，单向离合器壳体与皮带涨紧器主体变为一体，旋转螺母机构可以顺时针在单向离合器内转动，逆时针不能转动；当旋转螺母时可通过轴和齿轮使蜗杆机构蜗杆正反旋转，从而方便正时皮带的拆卸或调整预紧压力。滑动电阻传感器可以根据预设压力值判断正旋时皮带被拉长情况，最终判定其是否需要更换；蜗杆机构调节正旋时皮带两侧的预紧压力，使正旋时皮带的齿与正旋时齿轮的槽正常啮合；压力传感器用于检测液压腔内液压油的油压，把检测到的油压转化为信号传递给控制单元。为保证测量结果的准确度，选择更为精确的数字压力传感器MPM3801；液压油导管用于连接左右智能涨紧器主体的内部液压腔。报警器用于警示作用，当控制单元得到异常信号进行报警警示，提醒驾驶员，安装在汽车上。

图3 单向离合器、锁销、锁销孔的位置

1.3 具体工作过程

如图4，在安装智能涨紧器时，拔下单向离合器锁销，使旋转螺母旋转，紧固螺栓。再将锁销通过锁销孔插入单向离合器壳体外圆上的孔内，使单向离合器壳体与智能涨紧器主体变为一体及智能涨紧器内部液压压力保持稳定。在控制单元设定预紧压力，打开开关。

当发动机正常运转时，正时皮带会不断被拉长，从而导致触头与正时皮带之间的预紧力减少。首先，压力传感器获得液压油压力减少的信号，并将信号传递给控制单元。然后，控制单元接收信号，控制电机旋转，通过齿轮机构旋转带动涡轮旋转，直至压力传感器检测到液压油压力信号与初始信号相同时，停止运动，保持两侧压力稳定。同时，滑动电阻传感器先检测涨紧器蜗杆的位置信号，当蜗杆超过预设压力时产生信号，将其传递给控制单元，控制单元判定其需要更换，将信号传递给报警器报警提醒驾驶员。

2 实验验证

2.1 智能性验证

基于以上设计完成的汽车涨紧器实物如图5 所示，进行其智能性检验：

图5 汽车涨紧器实物

首先接通电源，涨紧器自检环启动，报警器发出蜂鸣声，启动正常。此时显示器出现示数，分别为左侧涨紧装置位置、右侧涨紧装置位置、皮带压力、模式。按钮分别为模式按钮、按钮1、按钮2、电机控制按钮。

当涨紧器处于模式1 时，手动调节皮带两侧预紧压力，长按按钮1 皮带收紧，长按按钮2 皮带拉长。

将涨紧器调至模式2，通过调节按钮1、2 的压力值大小设定预设压力值，确认后，涨紧器能自动调节压力直至达到与预设压力值一致停止，此时皮带两侧压力值保持一致，未见因皮带受力不均或过松等导致其跳齿。

调至模式3，调节按钮1、2 设定左右两涨紧器位置大小为预设位置信号，当涨紧器超出预设位置时，或皮带磨损、拉长模拟皮带跳齿情况时，报警器皆报警。其证明该涨紧器智能性。表明本文的设计有效。

2.2 可靠性验证

基于以上设计完成的智能涨紧器实物如图5 所示，对试验样车进行涨紧器样件更换，并设定一致预紧压力，进行整车道路可靠性验证：

（1）试验准备。成立道路可靠性试验小组，明确落实其责任制度，确定整车道路可靠性试验目标，做好试验样车的准备工作；根据国家有关标准完成试验样车整车称重、核心构件保养、轮胎定位等工作，做好信息与图片记录工作；根据整车试验内容科学选择试验设备与仪器，如经济性试验必备设备有Vbox、油耗仪等[5]。

（2）试验操作。控制发动机出水温度和油温度在80 ～90℃、50 ～90℃之间；在风速低于3 m/s，气压在99 ～102 kPa 的晴天，干燥、清洁的道路进行试验。利用变速器设定档位，匀速进入，到达试验路段后，油门踩到底进行加速行驶，直至发动机皮带涨紧器报警，查看整车里程并多次实验记录。整车验证里程如表1所示[6]。

表1 汽车涨紧器整车验证里程表

可见，通过智能涨紧器，在高于7000 km 的强化路试验过程中样车都未再出现皮带断裂跳齿情况。

3 结语

防止皮带跳齿的发动机智能涨紧器属于汽车零部件领域，是对于现有传统汽车涨紧器的进一步完善与拓展性开发。能够智能调节正时皮带两侧压力，对防止皮带断裂、跳齿起着重要作用。同时该智能涨紧器还能够安装报警器，及时提醒驾驶员，减少财产损失。本设计保证汽车驾驶的安全，顺应时代对于安全要求的提高，具有广阔的发展前景。