摘 要:发动机前端附件传动系统设计的优劣，将直接影响发动机附件的性能及其工作可靠性，进而影响到整机的技术指标。因此,其设计和开发也越来越引起人们的重视。附件传动系统是利用带与带轮之间的摩擦力，将发动机的动力传递给附件并使其在合适的转速下运转。本文结合XXX发动机前端轮系的开发，着重介绍了多楔带的结构及特点。对发动机多楔带轮系的设计问题进行了探讨，提出了在设计过程中应重点考虑的问题。
关键词: 多楔带、发动机、速比、张紧力、发电机
1、多楔带轮系的结构特点
传统汽车发动机前端附件传动系多采用V型带传动， 但由于其弯曲性能较差，传动的附件较少，已无法满足现代汽车在较小空间内传动多个附件的要求。两者的主要区别在于多楔带由
多个微型三角带组成，传动方式主要包括V型带传动和多楔带传动。与V型带相比，多楔带具有以下优点：
● 传动扭矩大，寿命长；
● 可以背面传动；
● 张紧拉力不容易丧失，调整次数少；
●传动效率高；
● 一根带传动轮的数量多，减小了发动机的轴向长度；
● 可以采用自动张紧机构，无需调整；
●带轮直径可尽可能减小。
●
2、多楔带的结构
多楔带的结构如图1所示。
图1 多楔带的结构
它是由楔胶、芯线和顶布三部分构成。多楔带沿回转方向的楔峰保证了带与带轮良好的接触和摩擦性能, 并使其在整个带宽上受力分布均匀。楔胶部分的材料一般为氯丁橡胶, 并带有横的沿回转方向的纤维, 使其接触面具有良好的耐磨性、耐油性以及低噪声特性。芯线为高强度、小延伸率的聚脂绳。皮带在外力伸长的多少主要与芯线有关，它在整个宽度上以专门的包入技术连续缠绕, 并与楔胶部分牢固结合。顶布材料也是耐磨的带有增强纤维的氯丁橡胶。它不仅是芯线的坚固保护层, 而且能够使用背部作为平型带传动。多楔带分为五种标准断面, PH、PJ、PK、PL、PM 通常根据所要传递的功率大小和速度大小选择多楔带的断面型式。PK 型带为汽车发动机附件传动通用带型。目前轮系设计中也首选多楔带进行设计。
3、发动机附件位置和带轮直径的确定
发动机附件轮系的布置首先受到整机总布置尺寸的限制,有限的空间加大了轮系布置的难度。附件所处位置和带轮直径是首先需要考虑的问题。
3.1附件位置的确定
在结合发动机参数性能需要选择符合车型需要的附件之后，就要对各个附件进行整体布置。目前发动机附件主要包括发电机、水泵、空调压缩机及转向助力泵五大附件，附件位置确定的过程对于发动机附件设计是重要而且复杂的过程，这个过程由于附件性能、皮带包角及皮带寿命等一些问题，所以通常贯穿整个附件轮系设计的过程中，在设计的过程中不断修改，附件位置确定通常遵循以下两个原则：
●发动机整体结构因素影响。
●满足发动机附件的自身特性。
●满足发动机轮系布置要求。
3.2 发动机整体结构因素
发动机附件轮系的布置首先受到整车总布置尺寸的限制,由于发动机附件通常在发动机最外部，所以发动机整体结构的紧凑性与附件的位置确定是紧密结合的。保证发动机结构的紧凑型可以最大限度的提升发动机对整车的适应性。
3.3 附件自身特性影响
发动机附件都有各自的特点，每个附件在发动机上的安装位置和安装方向均有要求，如果随意进行放置可能对附件的性能可靠性造成影响，其中水泵的布置位置要结合发动机冷却系统的位置进行统筹安排，这里不做讨论。以下列举其他几种发动机附件布置的注意事项。
3.3.1.发电机
图2 发电机
如图2，需要注意以下几点：
1）、温度
虽然交流发电机的最大承受温度可达到100°左右，但其定、转子绕组都是采用一定绝缘等级的绝缘铜材或铜线制成的。绝缘等级根据绝缘材料的不同，其工作允许的最高温度值是有一定的限制的。如果温度超过规定值，绝缘材料的性能将变坏，加速绝缘的老化，最终还会使绝缘击穿而烧毁。所以，发电机的布置必须遵循有利于散掉发动机传来和辐射的热量的原则。如发电机布置在发动机的排气侧时，排气侧温度较高，如不采取措施会引起发动机的故障率升高，所以发电机通常会布置在发动机的进气侧，以降低发动机温度对其绝缘材料的影响。
2）、震动
根据安装条件和发动机振动模式，在500～800m/s2之间的震动加速度会出现在交流发电机上，所以在布置发电机时，需要考虑零部件强度，使其本身及安装支架能够承受如此大的加速度冲击。
3）、其他因素
交流发电机还会遇到一些不利影响，如溅水、污物、机油和燃油雾以及在冬天道路上喷洒的盐，发动机布置位置为了避免以上因素，根据发动机旋转方向会优先考虑靠近发动机上部。另外，方便调整皮带张力，利于今后维护，便于电器元件进行连接也是必不可少的因素。
3.3.2 空调压缩机
图3空调压缩机
目前我公司通常采用非独立式的涡旋式汽车空调压缩机，通过皮带由发动机驱动旋转。为了减少附件数量和发动机的轮廓尺寸，空调可直接固定在发动机本体上由压缩机排出的高温、高压制冷剂蒸汽，通过高压软管进入汽车空调的冷凝器。空调压缩机中会有液态制冷剂存在，制冷剂泄露或加注不当将会导致这些制冷剂直接进入大气，欧盟已经通过立法，对汽车空调系统的泄漏量作出规定。制冷剂不足对空调制冷会带来不利影响。由于涉及到制冷剂的加注和回收方便的情况，所以空调压缩机布置过程中制冷剂的加注口的位置必须朝上（如图3）。降低制冷剂泄露的可能和避免加注量不足现象的发生。
3.4、带轮直径的确定
设计附件驱动系统的过程中，确定发动机各附件的带轮直径首先应保证发动机各个附件的速比要求。尽量做到最大限度的发挥附件的性能。速比的计算相对简单，即为带轮之间的角速度之比。如公式1
（1）
式中：n-带轮转速 d-带轮直径
决定发动机速比的因素较多，有以下几个主要因素:
1）、附件性能
附件性能要求是速比确定的关键。如发电机的发电量、水泵的水流量、空调制冷能力等均与速比传动有关。
传动带 带轮 | 一般负荷 | 大负荷 | ||||||
K 型 | L 型 | K 型 | L 型 | |||||
楔面 | 反面 | 楔面 | 反面 | 楔面 | 反面 | 楔面 | 反面 | |
发电机≤65A | 480 | NR | 435 | NR | 600 | NR | 545 | NR |
发电机＞65A | 660 | NR | 600 | NR | 825 | NR | 750 | NR |
空气泵皮带轮 | 180 | 270 | 165 | NR | 640 | 340 | 205 | 340 |
动力转向泵 | 510 | NR | 465 | 270 | 225 | NR | 580 | NR |
水泵 | 300 | 450 | 275 | 450 | 375 | 565 | 345 | 565 |
水泵+风扇 | 480 | 720 | 435 | 720 | 600 | 900 | 545 | 900 |
真空助力泵 | 180 | 270 | 165 | 270 | 225 | 340 | 205 | 340 |
空调压缩机 | 540 | NR | 490 | NR | 675 | 340 | 610 | NR |
曲轴（单） | 1080 | NR | 980 | NR | 1350 | * | 1225 | NR |
2)、多楔带的寿命
皮带的寿命与皮带绕过带轮时产生的弯曲应力直接相关，亦即与带轮的直
径有关，其关系可用下式近似表示:
（2）
式中：L1＼L2——带轮直径为D1 、D2的寿命;X——指数，对于多楔带 x=3
由上式可以看出为了提高寿命, 皮带轮应尽量大一些。但同时还要考虑紧凑布置的要求。根据设计手册中经验值，通常正面允许带轮直径最小至45 mm , 背部带轮直径最小为70 mm。
3) 、附件可靠性
发动机各个附件能够承受的最高转速也是衡量速比是否合适的关键。
4、发动机多楔带轮系包角及楔数的确定
包角和楔数大小是带传动设计中的重要参数。带轮有效直径及带轮位置确定后，包角的大小也就确定了。根据《机械设计手册》中对多楔带包角与楔数的描述，多楔带的包角一般不小于表1中规定的数值。如果带的包角偏小，则需要调整附件的位置或增加多楔带的楔数，来满足皮带传动能力的要求。两者是可以进行互补的关系，如果结构允许也可以通过采用导向轮或张紧轮的方法来增大包角。如表1 ，多楔带轮系的包角×楔数(NR不推荐)
表1：
以上表格中的参数由于是早期机械设计手册中推荐值，如果轮系满足上表要求，那么轮系设计的局限性很大，所以只能作为参考。经调查很多国内外专业皮带设计公司并不完全以此作为依据。均是通过轮系设计专业软件进行综合分析计算，以此决定包角和皮带楔数
表2：样机包角与楔数情况
样机 | 曲轴 | 水泵 | 发电机 | 发电量 | 楔数 | 助力泵 | 空调 | 楔数 | W(曲外轮) |
数值(盖茨) | 170 | 90 | 110 | NO | NO | 90 | 110 | NO | 170 |
数值(AVL) | 165 | NO | 140 | NO | NO | 90 | 80 | NO | 165 |
5、多楔带有效长度的计算与测量
多楔带轮系布置中皮带长度也是一个重要的因素，皮带过长，皮带无法张紧；皮带过短，皮带无法安装。为了能够准确计算皮带实际需要的长度，我们将布置方式长度的计算分为有效长度（图纸要求长度）、初始长度、皮带张紧长度及最大长度（老化以后的皮带总长）。其中皮带有效长度的测量目前都根据JASO E 109-1994中的测量方法。根据中心距和带轮有效直径计算带的有效长度。安装长度为根据实际装机的皮带初始张紧力进行安装以后的长度，初始长度和老化长度目前并没有严格界定其测试方法。主要是根据皮带与皮带长度的关系进行推测。其中设计两个专业系数：皮带老化系数、皮带拉伸系数。通过机械设计手册经验得到两个数值分别为1.9%和1.5%~2.5%，此系数由于数值较大，对于目前紧凑型发动机来说不能完全适用。所以对皮带长度进行详细分析：
>发动机功率计算公式
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