吉林大学冯增铭教授团队：发动机正时链传动系统液压自动张紧器动态仿真与试验验证CJME论文推荐

  液压自动张紧器作为汽车发动机正时链传动系统中的核心零部件，其关键性能参数的设计和动态特性对于改善正时链的传动特性，提高发动机的燃油经济性以及减小系统振动与噪声均具备极其重大影响。尽管液压张紧器已普遍应用于汽车发动机中，但关键的专利技术和核心研究成果均掌握在少数发达国家手中，国内还没形成系统而完整的设计与分析方法。本文详细的介绍了液压张紧器关键参数的计算方式，通过多体动力学仿真技术研究了不同泄漏间隙、油温、含气量等边界条件下液压张紧器阻尼力的特性。本研究对于我国自主设计高性能、高可靠性的液压张紧器有很重要的理论意义及工程指导价值。

  基于液压张紧器的工作原理和理论计算公式，建立了对应的多体动力学模型（图1）。为了验证模型的合理性，需要通过试验测试（图2）对数值分析结果进行验证。为了准确的模拟实际发动机中液压张紧器的工作条件，需要控制四个外界参数，即：外界激励的频率，外界激励的幅值，张紧器的供油压力以及液压油的温度。试验外部激励采用正弦激励曲线 Hz。激励振幅为正时链条横向波动的位移量, 为了分析不同转速条件下正时链条对于液压张紧器的激励情况，在仿真以及试验过程中，需要模拟不同激励振幅条件下，张紧器动态特性变化。激励振幅控制在0.1-0.2 mm。张紧器的供油压力与发动机转速有关，一般来说发动机曲轴转速越高，相应的机油泵的转速也越高，因此所产生的油压也就越大。试验可以通过调节安全阀来改变张紧器的供油压力。供油压力为4 bar。液压油的温度会影响油液粘度，基于在张紧器工作时的油液温度，油液温度设置为100℃。

  图3分析了50 Hz和100 Hz激励频率下液压张紧器作用反力与柱塞位移的关系。仿真分析结果与试验测试结果基本一致，且整体具有较高的匹配特性。滞回曲线表明，自主设计的张紧器在较小的柱塞位移下具有高能量消耗特性，抗冲击能力强，满足液压张紧器的实际工作要求。

  图3 仿线 mm的激励下，仿真和试验得到的最大反作用力的最大误差分别为81.6 N、69.7 N和64.1 N。不同激励频率下的最大阻尼力预测误差均小于8.3%，在合理范围内。分析认为，误差主要来源于试验中液压张紧器空气含量的不确定性。油中的空气含量直接影响张紧器的阻尼特性。为了降低油中的空气含量，可在适当位置设置放气孔。从图中可以看出，最大反作用力在各个振幅处的变化趋势是一致的。它在150 Hz左右达到最大值，之后呈下降趋势。

  (1) 试验结果表明，动态仿真分析是预测液压张紧器动态性能的有效方法。不同激励频率下的最大阻尼力预测误差均小于8.3%。这种微小的差异主要来自试验液压张紧器的空气含量的不确定性。

  (2) 张紧器的动力学特性与泄漏间隙有很大的关系。这是因为泄漏间隙越小，油流量越小，腔室压力越大，阻尼系数越大，滞回曲线面积越大，最终导致张紧器反作用力越大。当泄漏间隙从0.045 mm减小到0.025 mm时，最大阻尼力从621.1 N增大到1942.3 N。在初始设计阶段，可以根据张紧器的工作条件和仿真结果选择更合理的泄漏间隙。

  (3) 随着油温的升高，油粘度降低，导致最大阻尼力随之降低。当油温从80℃升高到120℃时，最大阻尼力从1634.1 N减小到792.8 N。当液压油中含有一定量的空气时，滞回曲线所封闭的面积和最大阻尼力都会减小。当空气含量从0.1%增加到0.3%时，最大阻尼力从1086.3 N减小到985.8 N。因此，液压张紧器工作时应控制油温，并在适当位置设置放气孔，以减少张紧器油液中的空气含量。

  液压自动张紧器作为汽车发动机正时链传动系统中的核心零部件，本研究对于我国自主设计高性能、高可靠性的液压张紧器具有很重要的理论意义及工程指导价值。

  冯增铭，男，1975年4月生，山西万荣人，工学博士，教授，博士生导师，韩国庆熙大学访问教授，先后多次去日本、韩国从事学术访问与技术交流。长期从事物理运动与动力学控制、多体动力学技术、数字化设计方法与动力学仿真专用软件开发、机构创新与优化设计、航空航天特种链条开发及动力学仿真技术、高端医疗器械开发等方向的研究。在节能与新能源汽车传动系统开发、无级变速传动系统（CVT）数字化设计与动力学仿真专用软件、汽车发动机用链传动系统数字化设计与动力学仿真专用软件、同步带传动系统刚柔耦合动力学仿真专用软件开发等方面取得了多项原创性创新成果，相关研究成果被国内专家鉴定为国际领先水平，被国外同行评价为“Really a great job”，解决了行业内的“卡脖子”关键技术问题，相关成果与技术先后在比亚迪、长安、一汽、东风、江淮、康明斯、中马、杭州东华链条、浙江恒久链条、日本大同工业株式会社等国内外企业得到应用与推广。作为负责人，先后主持完成和运行国家863计划项目、吉林省重大科学技术专项、国际合作项目、航空航天领域军工项目和企业委托技术开发项目等课题30余项。作为项目核心成员，先后完成国家自然基金项目3项。在国内外重要学术期刊和国际会议上发表学术论文30余篇，出版学术专著2部，授权专利25项，获得软件著作权7项，先后获得吉林省首届发明创造大赛三等奖和长春高新区“北湖科技园杯”首届发明创造大赛特等奖各1项。

  机械传动与动力学控制、多体动力学技术、数字化设计方法、柔性传动系统数字化设计与动力学仿真专用软件开发、机构创新与优化设计、航空航天特种链条开发与动力学仿真技术等方向。

  JME学院是由《机械工程学报》编辑部2018年创建，以关注、陪伴青年学者成长为宗旨，努力探索学术传播服务新模式。首任院长是中国机械工程学会监事会监事长、《机械工程学报》中英文两刊主编宋天虎。