CN1537207A - 调谐皮带传动系统的方法 - Google Patents

Abstract

本发明包括一种使用张紧器(10，20)来调谐皮带传动系统的方法。具有阻尼率的张紧器(10)用于附件皮带松弛侧，具有阻尼率的张紧器(20)用于附件皮带拉紧侧。在预定发动机转速范围之外，张紧侧的张紧器臂不运动，因为在该范围内的动态张紧力小于张紧侧的张紧器的摩擦阻尼。在预定发动机转速范围内，张紧侧的张紧器臂运动，以便阻尼皮带传动系统的振动。

Description

调谐皮带传动系统的方法

                         发明领域

本发明涉及一种调谐皮带传动系统的方法，尤其是涉及一种通过使用张紧器来调谐皮带传动系统的方法，该张紧器有在附件皮带张紧侧的阻尼率(damping rate)以及在附件皮带松弛侧的阻尼率，以便调谐系统振动。

                         发明背景

机械张紧器广泛用于汽车发动机中，用于控制附件皮带传动器的皮带张紧。在张紧器中通常利用摩擦阻尼、力或力矩来控制皮带传动系统的张紧器臂运动和振动。具有较高振动水平的皮带传动器将需要来自张紧器的较高阻尼，以便防止皮带滑动、噪音、跨距振动(spanvibration)、以及其它噪音、振动和粗糙(harshness)问题。不过，张紧器的摩擦阻尼受到由系统要求、张紧器的张紧、皮带寿命和张紧器尺寸规定的某些限制。因为张紧器的摩擦阻尼限制，在某些内燃机中，只使用机械张紧器并不能合适控制皮带张紧，因此它们不能消除由皮带传动器产生的振动和噪音问题。

现有的其它张紧器包括两个滑轮，这两个滑轮同时与皮带啮合，但是它们并不调谐系统的振动。

该领域的代表是授予White的美国专利No.4,416,647(1997)，该美国专利公开了一种皮带张紧器，该皮带张紧器有在从动附件的两侧同时与皮带张紧侧和皮带松弛侧啮合的滑轮。该滑轮与臂相连，该臂可枢轴转动地在单个枢轴点与表面相连。

本领域的还一代表是授予Trinquard的美国专利No.4,981,116(1991)，该美国专利公开了一种用于使皮带环绕发动机轮子缠绕超过180度的装置。该装置教导减小在极端条件下在皮带中的张紧力变化幅度。只有一个滑轮可枢轴转动地安装在操作杆上。

因此需要具有两个张紧器的、用于调谐系统振动的皮带传动系统。需要一种通过使用张紧器来调谐的皮带传动系统，该张紧器有在附件皮带张紧侧的阻尼率以及在附件皮带松弛侧的阻尼率。需要一种通过使用张紧器来调谐的皮带传动系统，该张紧器有在附件皮带张紧侧的阻尼率以及在附件皮带松弛侧的阻尼率，其中，该附件与其它系统部件相比有最高的有效惯性。还需要一种通过使用张紧器来调谐的皮带传动系统，该张紧器有在附件皮带张紧侧的阻尼率以及在附件皮带松弛侧的阻尼率，其中，各张紧器通过偏压部件连接。本发明满足这些要求。

                         发明内容

本发明的主要方面是提供一种皮带传动系统，该皮带传动系统具有用于调谐系统振动的两个张紧器。

本发明的另一方面是提供一种皮带传动系统，该皮带传动系统通过使用在附件皮带张紧侧的张紧器和在附件皮带松弛侧的张紧器来进行调谐，其中，该附件与其它系统部件相比有最高的有效惯性。。

本发明的另一方面是提供一种皮带传动系统，该皮带传动系统通过使用在附件皮带张紧侧的张紧器和在附件皮带松弛侧的张紧器来进行调谐，其中，该附件与其它系统部件相比有最高的有效惯性。

本发明的另一方面是提供一种皮带传动系统，该皮带传动系统通过使用在附件皮带张紧侧的张紧器和在附件皮带松弛侧的张紧器来进行调谐，其中，各张紧器通过偏压部件连接。

通过下面的本发明说明和附图，可以清楚本发明的其它方面。

本发明包括一种使用张紧器调谐皮带传动系统的方法。具有阻尼率的张紧器用于附件皮带松弛侧上，且具有阻尼率的张紧器用于附件皮带张紧侧上。在预定发动机转速范围之外，张紧侧的张紧器臂不运动，因为在该范围内的动态张紧力小于张紧侧的张紧器的摩擦阻尼。在预定发动机转速范围内，张紧侧的张紧器臂运动，以便阻尼皮带传动系统的振动。

                     对附图的简要说明

图1是本发明的张紧器系统的示意图。

图2是表示双张紧器系统的振动性能的曲线图。

图3是表示双张紧器系统的动态张紧性能的曲线图。

图4是表示由本发明系统进行的皮带张紧控制的曲线图。

图5是表示由本发明系统进行的皮带张紧控制的曲线图。

图6是现有技术的张紧器系统的示意图。

图7是表示现有技术的张紧器系统的振动性能的曲线图。

图8是表示现有技术的张紧器系统的动态张紧性能的曲线图。

图9是本发明张紧器系统的示意图。

图10是表示双滑轮张紧器系统的振动性能的曲线图。

图11是表示双滑轮张紧器系统的动态张紧性能的曲线图。

图12是双滑轮张紧器的透视图。

图13是双滑轮张紧器的局部切除的透视图。

图14是轨道双滑轮张紧器的透视图。

图15是轨道双滑轮张紧器的透视图。

                        对发明的详细说明

机械张紧器广泛用于汽车发动机中，用于控制前端附件皮带传动器的皮带张紧。在该系统中，机械张紧器的摩擦阻尼有限，这意味着当动态张紧力幅值小于摩擦阻尼幅值时，张紧器臂将不会发生运动。也就是，当动态张紧力幅值不充分时，张紧器臂和和滑轮将不会运动，将起到固定惰轮的作用。因此，在某些内燃机中，单个机械张紧器不能合适控制皮带的张紧，因此不能明显消除由皮带传动器产生的振动和噪音，特别是在低RPM工作过程中，例如在空转范围内。

本发明通过将具有阻尼率的附加张紧器添加到皮带传动系统中，以便与也有阻尼率的第一机械张紧器配合操作来提高系统的动态特性，从而解决振动和噪音问题。该第二张紧器也可以代替其它装置例如交流发电机分离器、C/S隔离器等。

用于第一和第二张紧器的张紧器摩擦阻尼力可以通过张紧器领域中任意已知的方法来产生，例如通过使用具有一定摩擦系数的、与阻尼表面啮合的阻尼靴机构。张紧器的其它实施例如图12、13、14和15所示。

本发明能够张紧具有复杂振动和瞬变动态特性的皮带传动系统。本发明系统可以包括：

(1)两个单独的张紧器：有阻尼机构的一个张紧器在高惯性附件例如交流发电机之前安装在松弛侧皮带跨距上，而有阻尼机构的另一张紧器安装在张紧侧皮带跨距上，各张紧器都相对于皮带旋转方向。各张紧器有弹簧刚度和阻尼率；或者

(2)双滑轮张紧器：两个滑轮可运动地安装在导轨上，见图14和15，或者可枢轴转动地环绕公共枢轴安装，见图12和13。各滑轮与偏压部件连接，并各自有阻尼率。该偏压部件可以包括扭转弹簧。从皮带旋转方向看时，一个滑轮在附件交流发电机之前布置在松弛侧皮带跨距上，另一滑轮在附件交流发电机之后布置在张紧侧皮带跨距上。

本发明的优点包括：

(1)调谐效应：本发明可以对系统振动频率进行较大调谐，从而在预定发动机RPM范围内不会有明显的传动谐振。

(2)更大阻尼：各自有阻尼率的两个张紧器与单个张紧器的情况相比能够从皮带传动器消散更多振动能。

(3)更大张紧力控制：与现有技术的单张紧器系统相比，在发动机非常快地加速和减速的情况下，可以实现更大张紧力控制，例如在3000值9000RPM/秒的范围内。

图1表示了本发明的双张紧器皮带传动器。作为对比，图6表示了现有技术的单张紧器传动器，它有位于附件例如交流发电机(ALT)的皮带松弛侧上T处的张紧器。在本发明系统中，张紧器10相对于附件例如交流发电机70布置在皮带B的拉紧侧。张紧器20相对于附件70布置在皮带松弛侧S。皮带由曲轴滑轮50驱动沿方向R运动。张紧器10和张紧器20各自包括：阻尼机构，用于阻尼滑轮运动；以及扭转弹簧，用于产生皮带张紧力。

为了实现优选调谐效应，优选是具有最大有效惯性矩的附件布置在两个张紧器之间。在所示实施例系统中，具有最大有效惯性矩的附件是交流发电机70。

下面的近似有效惯性矩值是作为实例给出，而不是对本发明的限定。

滑轮                 有效惯性(kg/m²)

CRK                  (驱动器滑轮)

A_C                  0.0035

P_S                  0.0012

ALT                  0.0137

可以看见，交流发电机70(ALT)的有效惯性矩比动力转向泵30(P_S)大十多倍，并大约比空调压缩机40(A_C)大四倍。可以看见，有效惯性矩值可以根据发动机系统的设计而变化，这里只是为了示例而给出。

皮带B由曲轴滑轮50沿方向R驱动。应当知道，系统可以包括其它由滑轮50驱动的附件，包括空调(A_C)压缩机40、水泵(W_P)60和动力转向泵(P_S)30。

图2表示了双张紧器系统的振动性能的曲线图。作为比较，图7表示了现有技术的单张紧器系统的振动性能的曲线图。

这里所使用的“调谐”系统是指改变振动系统的固有频率，这里为皮带，从而使系统在激励频率下不会发生谐振，或者谐振将比系统没有调谐时更小。例如，对于4缸发动机，各气缸在曲轴每转两圈时进行一次点火。在900RPM情况下，4缸发动机的点火频率为30Hz。单张紧器系统有大约30Hz的第一谐振频率，将在大约900RPM时发生谐振。在本发明的双张紧器系统中，第一传动谐振频率例如可以调谐至大约15Hz。15Hz是4缸发动机在450rpm时的点火频率，该转速大大低于700至800RPM时的空转转速。因此，在本发明的双张紧器系统中，对系统振动进行调谐，因为在发动机工作转速范围内不会发生系统谐振，因此能减小系统振动。

对于TEN1，阻尼率在大约20-40％的范围内。对于具有摩擦阻尼的张紧器，由阻尼机构产生的摩擦力或力矩与各轮毂负载力(来自皮带张紧器)和弹簧负载(力或力矩)成正比：

摩擦阻尼＝Mu*K*负载

其中：Mu-阻尼机构的摩擦系数

K-阻尼机构的系数，设计为调节阻尼效应

摩擦阻尼由弹簧负载产生，该弹簧负载也控制皮带张紧力。当弹簧负载增加时，摩擦阻尼也增加。阻尼率用于确定摩擦阻尼的幅值和比率。它通常为常数。某些张紧器使用单独的弹簧，以便通过使阻尼靴负载而产生阻尼摩擦，该阻尼靴与摩擦表面啮合，如本领域公知。这时，因为摩擦效应恒定，但张紧弹簧力(力矩)并不恒定，因此阻尼率并不恒定，因此，总是能确定具有一定比率的张紧器摩擦阻尼。该比率只对于某些设计为常数，对于其它设计为变量。

当转速低于700RPM时，张紧器TEN 1(图1中的10)并不运动，因为TEN 1皮带跨距的动态皮带张紧力小于TEN 1摩擦阻尼。因此，TEN 1起动类似固定惰轮的作用，从而只由第二张紧器20来阻尼皮带系统的振动。因此，皮带传动系统的振动与单张紧器情况相同。第二张紧器20的弹簧刚度再进行调节，这样，在预定发动机转速范围内，动态皮带张紧力大于第二张紧器摩擦阻尼，从而可使第二张紧器20运动。

当转速高于700RPM时，TEN 1皮带跨距的动态张紧力超过TEN 1的摩擦阻尼。张紧器TEN 2的阻尼率在大约20-70％范围内。在该模式下，TEN 1运动或振荡，并由于第二张紧器的阻尼/调谐效应而大大提高传动系统的动力学特性。换句话说，第二张紧器20的弹簧刚度进行调节，因此，在预定发动机转速范围之外，皮带动态张紧力小于第二张紧器摩擦阻尼，这样，第二张紧器20基本不运动。

比较图2和图7，可以看见，在图2的本发明系统中没有谐振，如交流发电机“ALT”和张紧器“TEN 2”的变化幅值曲线所示。第二张紧器20的该运动大大减小皮带传动系统的谐振。在图2中，张紧器20可运动的预定发动机转速范围为大约600至1400RPM。

图3是表示双张紧器系统的动态张紧力性能的曲线图。为了比较，图8是表示现有技术的张紧器系统的动态张紧力性能的曲线图。在皮带传动器中的动态张紧力由系统振动(振幅和相位)确定。动态张紧力是皮带跨距伸长的结果，而该皮带跨距伸长又是在各跨距端部处的滑轮振动的结果。不过，只由于振幅并不能产生很高动态张紧力。例如，曲柄以速度比3驱动交流发电机。当曲柄振动为3度时，交流发电机振动9度(相位)，这将没有动态张紧力。当滑轮反相振动时，该跨距的动态张紧力最大。

在本发明系统中，张紧器TEN 1布置在现有技术的单张紧器系统中由惰轮IDR占据的位置处。可以看到，对于图3中所示的本发明系统，在曲轴“CRK”(图1中的50)处的动态张紧力幅值与图8中现有技术系统中的曲柄“CRK”图6中的CRK)相比大大减小。而且，在现有技术系统中的惰轮“IDR”处的动态张紧力幅值将在张紧器“TEN 2”(图1中的20)处明显减小。通过本发明系统实现的、动态张紧力幅值大大减小将导致本发明系统的部件(包括皮带系统)的工作寿命增加，同时减小由皮带传动系统产生的噪音和振动。

图4是表示由本发明系统进行的皮带张紧力控制的曲线图。图4的曲线图是皮带拉紧侧的张紧器10的曲线图。Y轴表示皮带负载(单位牛顿)。X轴表示张紧器臂的位置(单位度)。上部阴影区域A表示皮带性能界限值，与最大皮带负载工作状态相关。底部阴影区域B表示最小皮带性能界限值，在该范围内，皮带很可能发生滑动。

可以看见，拉紧侧的张紧器10有陡峭倾斜的张紧力控制曲线TC。这意味着通过较小臂运动将产生较大张紧力变化。例如，在张紧力从200N到400N时臂运行5度。

图5是表示由本发明系统进行的皮带张紧力控制的曲线图。图5的曲线图是皮带松弛侧的张紧器20的曲线图。Y轴表示皮带负载(单位牛顿)。X轴表示张紧器臂的位置(单位度)。上部阴影区域A表示皮带性能界限值，与最大皮带负载工作状态相关。底部阴影区域B表示最小皮带性能界限值，低于该范围时，皮带很可能发生滑动。

与图4对比可以看见，松弛侧的张紧器20有平直的张紧力控制曲线TC。这意味着在相对较大的张紧器臂运动范围内，张紧器20都具有较小张紧力变化，基本小于平均值的10％，例如，在张紧力从260N到270N时臂运行40°。这可以通过使张紧器弹簧特征曲线与合适弹簧曲线匹配而获得，如本领域公知。

在工作时，皮带松弛侧的张紧器20控制皮带传动系统的总皮带张紧力。皮带拉紧侧的张紧器10调节皮带张紧力，以便满足高有效惯性附件例如交流发电机所需的扭矩。该扭矩要求通常通过控制或防止皮带滑动的要求来控制。尽管其它部件也可以布置在两个张紧器之间，但是在优选系统中，只有具有最高有效惯性的附件布置在两个张紧器之间。

为了实现上述优点，两个张紧器都包括足以满足特定操作要求的阻尼。而且，该阻尼值必须足够低，这样，当处于临界状态时，各张紧器臂将运动。当大部分或所有附件部件都负载时，通常将出现临界状态。特别是，当张紧器的阻尼力低于张紧器皮带跨距的动态张紧力变化的幅度(N)时，张紧器臂将运动。当张紧器的阻尼力大于张紧器皮带跨距的动态张紧力变化的幅度(N)时，张紧器臂不会运动。可以很容易知道，在工作过程中，一个或两个张紧器都可以运动，或者一个或两个张紧器都可以静止。

图9是本发明的双滑轮张紧器系统的示意图。在皮带传动系统中，张紧器280布置成有相对于附件(例如交流发电机700)在皮带B拉紧侧的滑轮281和在皮带松弛侧的滑轮281。如图14和15所示，偏压部件或弹簧283连接于滑轮281之间，从而在皮带上施加力。部件283通过滑轮在皮带上施加弹簧力，以便使皮带B上产生张紧力。

皮带B由曲轴滑轮500驱动。系统可以包括其它由滑轮500驱动的附件，包括空调压缩机400、水泵600和动力转向泵300。皮带运行方向为R。

使用图9中所示的双滑轮张紧器系统的张紧力控制主要通过滑轮运动的几何变化和阻尼来实现。例如，当皮带传动器没有运行时，在各滑轮处的拉紧侧跨距TS和松弛侧跨距SS的皮带张紧力近似相等，由弹簧283的力确定。弹簧283的力作用在各张紧器滑轮上，从而产生皮带负载，见图14和15。

当皮带传动器工作时，交流发电机700负载，例如在60mm的交流发电机滑轮700上的90N-m的扭矩，在拉紧侧皮带跨距TS上的平均张紧力将比在松弛侧皮带跨距SS上的平均张紧力高大约300N。

应当知道，对于皮带传动器的各个部件(包括张紧器滑轮和交流发电机)，必须满足动态平衡。为了调谐系统，当受到临界工作条件时，两个张紧器滑轮都可运动。如前所述，通常当大部分或所有附件部件都负载时将出现临界工作条件。特别是，当张紧器的阻尼力低于张紧器皮带跨距的动态张紧力变化的幅值时，张紧器滑轮将运动。当张紧器的阻尼力大于张紧器皮带跨距的动态张紧力变化的幅值时，张紧器滑轮将不运动。应当知道，在工作过程中，一个或两个张紧器可以运动，或者一个或两个张紧器可以静止。

各滑轮的阻尼力根据系统要求而确定。该阻尼力并不高到使一个滑轮产生卡住状态，而是足够能消散更多振动能。

图10是表示双滑轮张紧器系统性能的曲线图。通过与图7比较，可以很容易知道交流发电机幅值在工作范围内明显减小，特别是在600和1000RPM之间。

图11是表示双滑轮张紧器系统性能的曲线图。通过与图8比较，可以看见在曲轴“CRK”处的幅值与图8中的曲柄“CRK”相比明显减小。还有，在惰轮“IDR”处的幅值也在TEN 1位置处明显减小。

图12是双滑轮张紧器的透视图。张紧器1包括臂2和臂3，各臂在枢轴4处连接。滑轮5通过轴7与臂2可旋转地连接。滑轮6以类似方式通过轴(未示出)与臂3可旋转地连接。装于本体9内的扭转弹簧将臂2和臂3彼此相向推压。例如(并不是限制)，在张紧器中可以包括阻尼机构，该阻尼机构例如如美国专利No.5632697中所述，该文献被本文参引。

图13是双滑轮张紧器的局部去除透视图。枢轴4包括轴承20，该轴承20有防摩擦垫片21。扭转弹簧23的一端与臂3相连，另一端与阻尼靴22相连。阻尼靴22抵靠在本体9的内摩擦表面91上。臂2或3的运动通过由抵靠在表面91上的靴22产生的摩擦力而进行阻尼。弹簧的弹簧力也有助于阻尼力，从而产生阻尼率，如本说明书中任何位置处所述。在图12和13中所示的双张紧器滑轮是可以用于所述用途的张紧器的一个实例。它并不是限制可用于所述用途的张紧器的类型。

图14是轨道双滑轮张紧器的透视图。张紧器280包括在安装部件284和285之间的导轨282。导轨282通常包括“C”形截面，见图15。弹簧283在滑轮281之间延伸。弹簧283有弹簧刚度k5。弹簧283使滑轮281彼此相向推压，从而张紧皮带B。滑轮281在轴287上旋转。轴287安装在活动部件288上，见图15。孔286使得张紧器280能够安装在例如发动机的安装表面上。帽体295和296分别使导轨282与安装部件284、285相连。

图15是导轨双滑轮张紧器的透视图。孔293、294分别接收用于分别将帽体296、295连接到安装部件285、284上的紧固件(未示出)。

导轨282有狭槽289，该狭槽289有衬垫290，活动部件288与该衬垫290滑动啮合。衬垫290有预定的摩擦系数。部件291将弹簧283安装在活动部件288上。活动部件288有与狭槽289相应啮合的形状。活动部件288包括预定摩擦系数。

活动部件288在狭槽289中的运动受到阻尼力，该阻尼力阻尼活动部件288的运动，因此阻尼皮带B的运动。弹簧283的力有助于阻尼力。该弹簧力和摩擦阻尼力组合产生阻尼率，如本说明书任意位置所述。部件292包括阻尼部件，该阻尼部件有与导轨282中类似形状狭槽进行相应啮合的形状。部件292有预定摩擦系数。

张紧器的总阻尼系数包括衬垫290、部件288、部件292和弹簧293的作用。

止动器299安装在狭槽289的端部。止动器289布置在预定位置，以便阻止松弛侧滑轮281沿方向M的运动。在正常工作过程中，滑轮活动部件288并不接触止动器299。不过，在较大减速时，皮带松弛侧困难暂时变成皮带拉紧侧。当皮带跨距处于比正常状态更高张紧力作用下时，止动器299限制滑轮的运动。在减速模式中不限制滑轮运动将可能导致皮带张紧力大大损失，从而引起皮带滑动。止动器299能够限制部件288的运动，从而不会越过可能发生滑动的位置。这时，正常拉紧侧滑轮再用于控制皮带张紧力，并防止滑动噪音和振动。止动器299可以包括任意材料，包括：弹性材料例如天然和合成橡胶；以及具有较高模量的材料例如金属；以及它们的等效物。

尽管已经介绍了本发明的形式，但是本领域的技术人员应当知道，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对结构和相关部件进行变化。

Claims (8)

1.一种皮带传动系统，包括：

皮带，该皮带夹在驱动器滑轮和从动滑轮之间；

第一张紧器，用于相对从动滑轮与松弛侧皮带啮合，该第一张紧器有阻尼率；以及

第二张紧器，用于相对从动滑轮与拉紧侧皮带啮合，该第二张紧器有阻尼率。

2.一种调节皮带传动系统中的振动的方法，包括以下步骤：

使第一张紧器相对于从动附件与松弛侧皮带啮合；

使第二张紧器相对于从动附件与拉紧侧皮带啮合；

调节第二张紧器，因此，在预定发动机转速范围之外，皮带动态张紧力小于第二张紧器摩擦阻尼，从而使第二张紧器基本不运动；

调节第二张紧器，因此，在预定发动机转速范围内，皮带动态张紧力大于第二张紧器摩擦阻尼，从而使第二张紧器运动，以便大大减小皮带传动系统的振动。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括以下步骤：

将皮带传动器的第一谐振频率设置成小于预定发动机转速。

4.根据权利要求2所述的方法，还包括以下步骤：使用多个从动附件，各从动附件有滑轮。

5.根据权利要求4所述的方法，还包括以下步骤：选择相对其它从动附件具有最大惯性的从动附件。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括以下步骤：使预定发动机转速范围为大约600至1400RPM。

7.根据权利要求2所述的方法，还包括以下步骤：

提供第一张紧器，该第一张紧器有基本平直的张紧力控制曲线；以及

提供第二张紧器，该第二张紧器有基本陡峭倾斜的张紧力控制曲线。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括以下步骤：

使第一张紧器的阻尼率在大约20％至40％范围内；以及

使第二张紧器的阻尼率在大约20％至70％范围内。

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