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某款48VBSG附件系统设计及优化

2021-03-02 22:45
面对越来越严峻的能源和环保压力，以及越来越严苛的汽 车油耗排放法规要求，越来越多的主机厂开始研究各种整车节油技术，48V电气系统便是其中一种研究应用比较广的技术。48V电气系统是通过在原有的12V电气系统上增加48V电机以及与之相匹配的电气系统，实现快速启动、助力、能量回收及怠速停机等功能，以达到节油的效果。
根据 48V电机布置位置的不同，48V系统可以分为5类:(1)P0(也称BSG(Belt Driven Starter and Generator)):

48V电机取代12V电机，布置在发动机前端，通过皮带与发动机连接;
(2)P1:48V电机布置在发动机输出端，离合器之前;
(3)P2:48V电机布置在介于离合器和变速器之间;
(4)P3:48V电机布置在变速器后端，与输出轴直接连接;
(5)P4:48V电机布置在前/后桥，单独作为驱动模块。
文中介绍的是 48VP0系统，在前端附件系统采用48VBSG系统后，由于发动机驱动的附件负载增加，对发动机前端附件系统影响比较大，需要对设计的系统进行验证。
文中以某 4缸发动机为基础，设计了一款48VBSG附件系统方案，遵循静态布置原则判别所设计的系统满足布置要求，通过系统测试进行方案性能评估，并对方案存在问题进行分析及优化，这对工程开发具有重要意义。

1方案设计

如图 1所示为某款发动机48VBSG前端附件系统布局图，该48VBSG附件系统主要由减震皮带轮(TVD)、空调压缩机、48V发电机、双向张紧器及皮带组成。
一般来说，要判断附件系统方案的布置是否合理，可以从 附件轮包角和带段长度等静态参数来判断系统布置的合理性，表1为各附件轮包角结果。
由表 1可知，带轮包角基本上满足设计参考值。
表2为各带段长度结果。
由表 2可知，带段长度基本上满足设计参考值。
综上，此系统空间布置比较紧凑，附件轮包角及带段长度基本上均能满足系统设计要求，所以 48VBSG系统布置上判 断是合理的。

2 TVD方案测试结果

该设计方案曲轴皮带轮采用普通减震皮带轮，附件系统初始设计张力为 380N。
通过Ｒ otec测试设备对此附件系统进行整车系统测试，验 证所设计的 BSG系统性能。
由于在发动机工作过程中，张紧臂摆动角度是附件系统性能最重要的衡量指标，张紧臂摆动幅度太大，会影响系统张力波动过大，系统容易引起异响发生，所以在测试验证中重点关注张紧臂的摆动幅度指标。
如图 2所示为各模式(助力模式、发电模式、回收模式、48V启动、12V启动)张紧臂摆动量测试值。
由图 2可知，助力模式、48V启动、12V启动下张紧臂摆动角度均较大，尤其在车辆12V起动机启动工况更严重，左臂摆动角度达到30°，右臂摆动角度达到50°。在该模式启动时，出现明显的异响，如图3所示为12V启动异响声压级曲线，声压级最大值为93.3dB。

从图 2和图3可以看出，异响发生时刻是在左、右侧张紧臂同方向运动(逆时针为正值，顺时针为负值)，且摆动角度比较大，此时张紧轮出现脱离皮带现象(见图4)，当张紧臂来回运动时，出现皮带与带轮拍打而引起异响。传递到附件端的曲轴角振动大小对张紧器摆动影响较大，较大角振动会引起带轮脱离皮带，为此，需要对此方案进行优化，考虑到空间 等因素所限，把曲轴减震皮带轮更换成隔离皮带轮，通过隔离皮带轮的隔振作用，减少传递到附件端的角振动。
 

3优化设计方案

隔离皮带轮内部弹簧结构可以很好地减少对曲轴传递到附件端的扭转角振动，缓和冲击，对改善张紧臂摆动有很好的改善作用，可避免因张紧器摆动过大而产生噪声。
3.1隔振率理论计算
隔振率是隔离皮带轮隔振效果一个很重要的性能指标。如图 5所示为曲轴轴系简化的力学模型。
以隔离皮带轮外圈 I b 作为研究对象，皮带轮内圈转动惯量为I a ，θ a 作为附件端(内圈)的输入激励，K为隔离皮带轮弹簧刚度，C为隔离皮带轮阻尼。则运动学公式为
由公式可知，当 λ＞  时，隔振器才有起到减振作用。隔振效果主要取决隔离皮带轮弹簧刚度和转动惯量大小。通过选择合适的弹簧刚度和转动惯量达到相应隔振效果。
3.2隔离皮带轮方案测试结果
各模式张紧臂摆动角度如图 6所示。
根据需求隔振效果，匹配相适应的隔离皮带轮，采用隔离皮带轮后，张紧轮摆动角 TVD方案得到了改善，如图6所示为各模式(助力模式、发电模式、回收模式、48V启动、12V启动)张紧臂摆动量测试结果。
从测试结果上看，使用了隔离皮带轮后，各模式张紧器摆幅明显下降， 尤其是12V启动张紧器左臂摆动量最大为17.5°，降幅约为29%;右臂摆动量最大约为25°，降幅约为50%，且发动机并没有发生明显的异响。
图 7为12V启动声压级曲线，从图中可以看出，声压级峰值为89.9dB，较原方案降低约3.4dB。
在声压级最大时刻 (即张紧器摆动最大)，右侧张紧轮没有脱离皮带(见图8)，说明使用带有减震功能的曲轴皮带轮对48VBSG系统性能具有很好的改善作用，该方案满足对系统功能要求。

4结束语

48VBSG附件系统方案可行性需满足静态参数和动态测试结果两方面评价结果。隔离皮带轮相比TVD对48VBSG系统 张紧器摆动和附件算声压级有较好的优化效果，这对工程实际应用及解决工程实际问题具有重要意义。
文章来源：广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院

来源：Battery Insight view

作者：battery 风清扬

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