专利名称：非对称阻尼张紧轮皮带传动系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及前端附件传动装置，尤其涉及具有非对称阻尼张紧轮的皮带传动系统。
背景技术：
用于汽车等的大部分发动机都包括多个皮带传动的附件系统，这些系统是车辆正常运转所必须的。附件系统可包括交流发电机、空调压缩机和动力转向泵。
附件系统通常安装在发动机的前表面上。每个附件都具有安装在轴上的皮带轮，用于接收来自某种形式的皮带传动的动力。在早期的系统中，每个附件都由在附件系统和曲轴之间运行的单根皮带驱动。由于皮带技术的改进，现在在大多数应用中通常使用单根蛇形皮带。在各附属部件之间迂回的单根蛇形皮带驱动所述附件。发动机曲轴驱动所述蛇形皮带。
因为蛇形皮带必须迂回到所有的附件，所以，通常它比以前使用的皮带更长。为了正确地运行，所述皮带安装时具有预定的张力。当运转时，它稍稍拉长而超过其长度。这将导致皮带张力下降，可能造成皮带打滑。因此，在使用过程中皮带拉长时，使用皮带张紧轮保持适当的皮带张力。
当皮带张紧轮运转时，运转的皮带可能在张紧弹簧中激起振动。这些振动是不希望的，因为它们会导致皮带和张紧轮过早磨损。因此，对张紧轮添加了阻尼机构，以阻尼运转中的振动。
已经研制了多种阻尼机构。它们包括粘性流体阻尼器，基于互相滑动或相互作用的摩擦表面的机构，以及使用一系列相互作用的弹簧的阻尼器。在大部分情况下，这些阻尼系统通过阻止皮带在一个方向上的运动而单方向运行。因为张紧轮臂在加载和卸载状态之间振动，所以这通常会在运行中产生皮带内存在的无阻尼振动。
现有技术的系统依靠顺应的张紧轮设定，以便跟随皮带的运动。通常，张紧轮设定为较低的阻尼度，以利于这种顺应性。结果，在载荷变化时，现有技术的系统以不能令人满意的方式运行。附件传动通常在发动机以稳定的RPM运行时工作。靠在皮带上的张紧轮在跨度内保持张力。沿皮带运动的方向，张紧轮通常位于曲轴的“下游”。阻尼的设置可以使张紧轮阻尼运行皮带上的大部分振动。
在发动机速度在5000到10000RPM/sec的范围内快速变化时出现问题。在这种情况下，由于转动惯量造成的速度下降之后，所述附件比如交流发电机继续驱动皮带。这使位于曲轴“下游”侧的皮带张紧，使张紧轮加载。如果张紧轮的阻尼度过低，张紧轮将不能阻止皮带张力的增加，所述臂将沿远离皮带的方向移动。结果，张紧轮不能在皮带中保持足够的张力。这将使皮带在曲轴皮带轮上滑动，因为皮带现在正朝向曲轴驱动，而造成尖叫的噪声。现有技术的系统依靠沿加载方向锁定张紧轮臂的装置，避免皮带张力减小。然而，锁定张紧轮妨碍了张紧轮执行阻尼皮带振动的配套功能。
现有技术的代表是Meckstroth等的美国专利US5439420，其中公开了一种附件传动系统，包括张紧轮，该张紧轮具有用于控制臂的旋转运动的调节器，所述臂能够在皮带张力增加的方向上自由转动，且利用调节器，阻止了所述臂在皮带张力减少的方向上的运动。
现有技术中还提出一种布置发动机附件的方法，该方法使最靠近曲轴皮带轮的附件的转动惯性力阶数最大，这从皮带的张紧一侧可以看出。这在Tanaka的美国专利US4959042中提出。这种方法不依靠张紧轮的运行特性，而是依靠基于转动惯量的、所述附件的交错顺序的动态特性。
现有技术的系统依靠锁定的张紧轮或特定的机械装置来解决发动机速度高速变化的问题。两种系统都没有解决在变速过程中避免啸叫，同时继续阻尼皮带振动的双重问题。而且，现有技术的系统，在Mechstroth复杂且昂贵的情况下，需要复杂的机械装置来控制张紧轮臂的运动。现有技术的系统需要发动机表面上的较大空间。Tanaka的方法没有完全解决高减速率的问题，而是依靠部件的设置，未能完全解决减速过程中皮带张紧的问题。
因此，需要一种具有非对称的张紧轮的非对称阻尼张紧轮皮带传动系统。需要一种在发动机速度快速变化的过程中能够提供更高皮带张力的非对称阻尼张紧轮皮带传动系统。需要一种在加载方向上比卸载方向上具有更大的阻尼摩擦力的非对称阻尼张紧轮皮带传动系统。需要一种具有大于1.5的非对称系数的非对称阻尼张紧轮皮带传动系统。本发明满足这些要求。
发明内容
本发明的主要方面是一种具有非对称张紧轮的非对称阻尼张紧轮皮带传动系统。
本发明的另一个方面是一种在发动机速度快速变化的过程中能够提供更高皮带张紧力的非对称阻尼张紧轮皮带传动系统。
本发明的另一个方面是一种在加载方向上比卸载方向上具有更大的阻尼摩擦力的非对称阻尼张紧轮皮带传动系统。
本发明的另一个方面是一种具有大于1.5的非对称系数的非对称阻尼张紧轮皮带传动系统。
通过本发明的下述内容及附图，本发明的其他方面将得以指出或更为明显。
本发明包含一种用于发动机上的皮带传动的非对称阻尼张紧轮系统。皮带连接于曲轴上的主动皮带轮和许多从动皮带轮之间。每个从动皮带轮都连接于附件上，比如交流发电机、动力转向泵、压缩机等。张紧轮置于在皮带运动方向上具有明显有效惯性的第一部件前方的任何位置。张紧轮上的偏压元件用于保持皮带的张紧。张紧轮还包含阻尼机构，用于阻尼由于发动机运转造成的皮带振动。根据张紧轮臂的运动方向，张紧轮阻尼摩擦力是不相等或非对称的。在加速过程中，在卸载方向上张紧轮的阻尼摩擦力明显低于相反的、加载方向上的阻尼摩擦力，在减速过程中也是如此。加速过程中较低的阻尼摩擦力可以使张紧轮臂快速调整，增加由于加速引起的皮带长度。减速过程中较高的阻尼摩擦力可以避免张紧轮臂在加载方向上移动得过远，而产生打滑和噪声。非对称阻尼还可以明显减轻所有运行阶段中整个皮带的振动。
附图简要说明包括在说明书中且成为说明书的一部分的附图，示出了本发明的优选实施例，且与描述内容一起，用于解释本发明的原理。
图1是包括具有本发明的阻尼机构的皮带张紧轮的前端附件传动系统正视示意图；图2是沿图1中的线2-2所作的局部放大示意图，示出了与所述张紧轮相连的多个部件；图3是沿图2中的线3-3所作的截面图；图4是示出了本发明的阻尼机构的放大图；图5是具有半圆形状的阻尼机构的另一实施例；图6是具有半圆形状和具有偏转带的外壁的阻尼机构的另一实施例；图7是具有内摩擦表面的阻尼机构的另一实施例。
图8示出了作用于阻尼板上的力的底视图。
图9是阻尼板的顶视图。
图10是在张紧轮底座上的阻尼机构的自由体受力图。
图11是沿图8中的线11-11的阻尼机构侧视图。
图12是阻尼机构的顶视平面图。
图13是阻尼板的顶部透视图。
图14是阻尼板的底部透视图。
图15是阻尼机构的第一替代实施例的底视图。
图16是沿图15中的线16-16的阻尼机构侧视图。
图17是第一替代阻尼机构的顶视平面图。
图18是第一替代阻尼机构的顶部透视图。
图19是第一替代阻尼机构的底部透视图。
图20是另一替代阻尼机构的顶部透视图。
图21是第二替代实施例的底部平面图。
图22是沿图21中的线22-22的阻尼机构侧视图。
图23是第二替代实施例的顶部平面图。
图24是第二替代实施例的底部透视图。
图25是第二替代实施例的顶部透视图。
图27是用于发动机的典型皮带传动的示意图。
图28A是普通张紧轮和非对称张紧轮之间张紧轮参数的比较。
图28B是普通张紧轮和非对称张紧轮之间张紧轮参数的比较。
图29A是张紧轮参数的比较，示出了角振动。
图29B是张紧轮参数的比较，示出了张紧轮臂的振动。
图29C是张紧轮参数的比较，示出了动态张力。
图29D是张紧轮参数的比较，示出了惰轮上的张力。
图30A是非对称张紧轮的张紧轮参数的比较。
图30B是普通张紧轮的张紧轮参数的比较。
图30C是非对称张紧轮的张紧轮参数的比较。
图30D是普通张紧轮的张紧轮参数的比较。
图30E示出了仅有一个附属部件的简单的两点传动。
图31是在冷启动过程中普通张紧轮和非对称张紧轮的张紧轮臂运动的比较。
图32是普通张紧轮和非对称张紧轮的臂行程的比较。
优选实施例的详细描述在此描述的是具有非对称阻尼特性的张紧轮。假定非对称张紧轮和普通张紧轮具有同样的张紧轮力，那么非对称张紧轮比普通张紧轮消耗的能量更大。非对称张紧轮的另一个主要优点是与普通张紧轮相比，它可以为给定的皮带传动系统提供更高的阻尼度。
在非对称张紧轮和普通张紧轮的运行上有两个主要区别。首先，在张紧轮加载的半周期内，非对称张紧轮的摩擦力及因此消耗的振动能量明显高于在张紧轮卸载的半周期内的摩擦力及能量。对于普通张紧轮来说，这些力基本上是相等的。其次，由于张紧轮的偏阻尼功能，皮带传动能量仅在加载的半周期内通过张紧轮阻尼而消耗。张紧轮阻尼在卸载的半周期内仅消耗张紧轮的机械能，而不是皮带或其他部件的机械能。
尤其是，在任何时间，施加在皮带上的力都不能太低，否则会在部件的皮带轮上，比如交流发电机或曲轴上出现皮带打滑，参见图1。通常，在卸载方向上的阻尼摩擦力不应高于张紧轮弹力的70％。在普通张紧轮的情况下，因为加载和卸载阻尼基本相等，所以在加载方向上的阻尼摩擦力也是张紧轮弹力的70％。例如，如果普通张紧轮的弹性扭矩为15N-m，阻尼因子是70％，则阻尼扭矩在两个方向上都是10.5N-m。如果需要更大的阻尼，必须增加弹力，以保持适当的低端张力。增加弹簧刚度将会降低皮带的寿命且增加某些部件的轴承负载。
另一方面，使用具有相同皮带张力的非对称张紧轮，如果非对称因子KAS例如为3，则在加载方向上的摩擦阻尼将是卸载方向上的摩擦阻尼的三倍。结果，也是普通张紧轮的三倍，从而提供了明显更高的系统阻尼，且没有增加皮带的张力。
因此，与普通张紧轮相比，非对称张紧轮具有两个优点。首先，使用等效的弹簧，可以提供更高的阻尼。或者，对于加载方向上同样的阻尼效果，使用非对称张紧轮，皮带传动将承受较低的张力。结果，非对称阻尼在控制系统振动上更加有效，同时明显延长了皮带寿命。
在这里描述的阻尼机构和张紧轮基本上与2000年1月12日提交的美国非临时专利申请No.09/482128中的相同，在此通过引用而包含其内容。
参照图1和2，示出了作为皮带传动系统的组成部分的带有皮带轮12的张紧轮10，所述皮带传动系统包括皮带16和数个皮带轮。例如，皮带16缠绕在曲轴皮带轮18、风扇/水泵皮带轮20、动力转向皮带轮22、交流发电机皮带轮24、惰轮26和张紧轮皮带轮12周围。张紧轮皮带轮12与皮带16啮合，且示意地示出了数个位置，从而示意地示出皮带轮如何移动而调整皮带张力的。张紧轮皮带轮12与皮带16啮合，并接受相邻皮带跨度28、30的皮带张力T1、T2形式的皮带载荷。皮带张力T1、T2(或载荷)联合，而沿皮带跨度28、30之间的平分线或所形成的角产生皮带作用力分量BF。皮带作用力分量从张紧轮的枢轴32轴向偏移，产生复杂的毂套载荷(hub load)，包括作用力和象征性(即非特定地)地由箭头HL表示的力矩。本发明的阻尼机构在张紧轮10的34处示出。
参照图3，张紧轮10是机械式的，包括本发明的阻尼机构34，该阻尼机构34包括基座42，扭转弹簧44，以及例如通过轴64上的滚珠轴承62可转动地安装在枢轴臂52上的皮带轮12。滚珠轴承62通过凸缘紧固件66保持在轴64上。枢轴臂52连接于支撑枢轴臂52且与枢轴55一起旋转的圆柱形部件53上。至少一个套筒类型的衬套56位于枢轴32内。可取的是，枢轴衬套56是聚合物类型的，且位于枢轴内逆着枢轴55旋转而支撑枢轴臂52。虽然仅示出了一个枢轴衬套56，但可以使用一个以上枢轴衬套。枢轴55包括紧固件60，且延伸穿过圆柱形部件53上的凸缘孔57和枢轴衬套56，而使枢轴臂52连接于基座42上。
参照2-4，阻尼机构34包括扭转弹簧70，该弹簧70具有第一端72和第二端74。阻尼机构34还包括具有外摩擦表面78的阻尼板76，在该实施例中，外摩擦表面78用于与张紧轮10的基座42啮合。斜面77用于与枢轴臂52的突起79啮合。阻尼板76包括第一和第二弹性触点80或82，用于使弹簧70有效地连接于阻尼板76。在图4所示的实施例中，阻尼板76是关于A-A轴线对称的，因此可以安装具有不同弹簧旋向的弹簧70。
阻尼板包括用于接收弹簧70的通道86，该通道具有板式底部88、内壁90和外壁92。板式底部包括摩擦垫93，该摩擦垫在底面200上周期性地间隔，用于与张紧轮的圆柱形部件53滑动啮合。
阻尼板76包括形成摩擦表面78的连接衬里84，该衬里通过使用将所述衬里84牢固地附着的机械凸起85连接在阻尼板76上。
如图2-4所示，阻尼机构34是圆形的。在图5中示出了阻尼机构34的另一实施例，其中阻尼板是半圆形的。阻尼板76包括枢轴关节100，该关节可以使阻尼板76在弹簧70的扭矩作用下具有B所示的相对运动。阻尼板76的额外运动增加了阻尼摩擦力。
在图6示出的另一实施例中，提供了半圆形的阻尼板76，包括在外壁92上的偏转带102。在这一实施例中，弹簧端72施加的力作用在偏转带102上，如图C所示，用于实现与张紧轮径向啮合，以便在枢轴臂52上加载时有所帮助。在这一实施例中，偏转带102接触连接于张紧轮枢轴臂52的附加支撑件104。
图7示出了阻尼机构的另一实施例，包括具有衬里110的内壁90，所述内壁包括内摩擦面112。
参照图8，示出了作用于阻尼板上的力的底视图。使用本发明的阻尼板，也称作阻尼系统的张紧轮的阻尼特性是非对称的。作用在阻尼机构或阻尼板上的作用力可以最好地说明这一点，即，第一阻尼作用力TL作用在枢轴臂沿第一方向远离环形部件的运动上，第二阻尼作用力Tun作用在枢轴臂沿第一方向朝向环形部件的运动上，第一阻尼作用力大于第二阻尼作用力。
在静止状态，具有弹性扭矩Tspr的偏心部件或扭转弹簧，在第一和第二触点80、82上产生反作用力N。弹簧的另一端啮合基座42，由于限制了旋转，导致产生扭矩。阻尼机构基本上相对于枢轴臂保持在预定的位置，界于斜面77和触点79以及摩擦面78之间。而且，斜面300啮合较低阻尼力的触点10。在相反运动的情况下，斜面302啮合较低阻尼力的触点11，斜面310啮合较高阻尼力的触点12。
阻尼带还与基座内弧形表面啮合。当枢轴臂52移动时，阻尼板摩擦表面支撑在基座内弧形表面上，产生阻止枢轴臂52的移动的第一和第二阻尼力，因此，阻尼枢轴臂在任一方向上的振荡运动。阻尼板的阻尼力阻止枢轴臂在任一方向上的运动。
数学表示为；
Tspr＝N*F (1)F是触点80、82之间的距离。阻尼板斜面77支撑在枢轴臂上的止动点或接触点79上，该点控制阻尼板76围绕突起或枢轴点79的旋转。
尤其是，当基座42静止时，枢轴臂52随阻尼机构顺时针旋转时，在曲线摩擦表面78的表面上产生的摩擦扭矩或阻尼增加了点79上的反作用力P，其中P＝Tspr/A(2)A是从旋转中心O到阻尼机构上的P之间的距离。O是枢轴臂52的旋转中心。
参照图9，阻尼板的顶视图，相对于点O的扭矩的扭矩公式为，Tspr-PL*A+μTL*R＝0 (3)其中，TL和PL是由皮带张力或作用力产生的加载力。μ是摩擦表面78的表面摩擦系数。所述的摩擦表面78的每一部分，可以包含任何本领域已知的适于阻尼相邻滑动表面相对运动的摩擦材料，包括但不仅限于尼龙6、尼龙66和特富龙。R是摩擦表面78的半径。
接下来，x方向上的力为TL*cosθ+μTLsinθ-PL＝0 (4)那么TL＝PL[1/(cosθ+μsinθ)](5)将TL和PL代换到扭矩公式(3)中，得到Tspr-PL*A+μ*PL[1/(cosθ+μsinθ)]*R＝0 (6)PL＝Tspr/A*[(cosθ+μsinθ)/((cosθ+μsinθ)-μ*R/A)](7)公式(7)给出了在加载周期内，在触点79处施加在阻尼板倾斜表面77上的加载力PL的值，参见图8。
参照图10，在卸载方向上阻尼机构的自由体受力图，与符合图9描述的相同逻辑，当张紧轮臂逆时针移动或者“卸载”时，摩擦扭矩减小了反作用力Pun。
反作用力PL/Pun促进了摩擦表面上的阻尼力TL/Tun。更大的P产生更大的正交反作用力T和相应更高的摩擦扭矩，反之亦然。
Pun＝Tspr/A*[(cosθ-μsinθ)/((cosθ-μsinθ)+μ*R/A)](8)公式(8)给出了在卸载周期中，在点79处施加在阻尼板76上的力Pun的值，参见图8。
阻尼的非对称性，以及相应的非对称系数，是由加载和卸载条件之间的皮带张力或P载荷差异决定的，它们对应于第一阻尼作用力和第二阻尼作用力。
KAS＝ΔTBelt Loading/ΔTBelt Unloading(9)其中KAS是非对称系数。
ΔTBelt Loading是当枢轴臂远离皮带或环形部件移动时，与第一阻尼作用力对应的皮带张力的变化量。
ΔTBelt Loading＝Tmax belt-Tbelt nom. (10)ΔTBelt Unloading是当枢轴臂朝向皮带或环形部件移动时，与第二阻尼作用力对应的皮带张力的变化量。
ΔTBelt unloading＝Tbelt nom.-Tbelt min.(11)在张紧轮的设计中，反作用力P传递皮带张力。因此，KAS＝(PL-P)/(P-Pun) (12)通过代入，非对称系数的公式变为KAS＝[(cosθ-μsinθ+μ*R/A)/((cosθ+μsinθ)-μ*R/A)](13)其中，θ＝arctan(μ)示例假定为上述变量赋予下述数值μ＝0.2摩擦系数R＝33mmA＝16mmθ＝＝11.3°代入上述公式得到KAS＝1.35/0.61＝2.2非对称系数可以通过改变摩擦表面78的摩擦系数，以及改变体积变量R和A来调整。
在具有两个阻尼带的阻尼机构的情况下，基于上述逻辑，非对称性将比单阻尼带大1.5至2倍。
图表1和图表2示出了静态和动态测量的单阻尼机构的张紧轮载荷和阻尼。
图表1 图表2
图表3和图表4示出了静态和动态测量的双阻尼机构的张紧轮载荷和阻尼，参见图15。
图表3 图表4 在上述每一图中，非对称性是通过点Tload和点T之间的差值与点Tunload和点T之间的差值比较来示出的。KAS的值的确定成为在每幅图上测量所述值的简单问题。分别如下对于图表124200 400Tload-T＝10 8 10T-Tunload＝6 6 6KAS＝1.66 1.331.66
对于图表2Tload-T＝12 9 10T-Tunload＝7 6 6KAS＝1.711.5 1.66对于图表3Tload-T＝22T-Tunload＝11KAS＝2.00对于图表4Tload-T＝24T-Tunload＝11KAS＝2.18图11是沿图8中的线11-11的阻尼机构图。引导件14用于适当地确定弹簧相对于阻尼板76的位置。弹簧支撑件13在阻尼板76上方伸出。弹簧在具有轴向载荷的压缩状态下安装，该载荷平行于枢轴臂的旋转轴线，且在弹簧支撑件13以及导轨14和15上施加力F13。该力将阻尼板76压向枢轴臂，未示出，参见图2。
摩擦表面78通过突起85固定于阻尼板76上，参见图12。摩擦垫93提供了摩擦表面，阻尼板76通过该摩擦表面与枢轴臂滑动啮合，未示出，参见图2。
图12是阻尼机构的顶部平面图。突起85与阻尼板76互锁，而将摩擦表面78固定在阻尼板76上。弹簧70的端部72在触点80、82处接触阻尼板76。凹槽9将摩擦表面分成两个对称的半表面，每一半啮合张紧轮基座的内弧形表面(未示出)。基于所述的原因，凹槽9基本上与触点80、82对齐。
在沿顺时针方向移动的过程中，且在皮带或毂套载荷减小的情况下，力P较小。毂套载荷是由皮带施加在枢轴臂上的力产生的施加在皮带轮枢轴点32上的载荷。触点79用于限制阻尼板76在较轻负载条件下的移动。在毂套载荷增加的情况下，在载荷更大的条件下，阻尼框架76支撑在触点10和触点79上。这是由于阻尼板和摩擦表面在增大的载荷下发生轻微塑性变形的结果。
在张紧轮臂逆时针方向运动的情况下，触点12用于限制阻尼板76在较轻负载条件下的移动。在毂套载荷较大的情况下，在载荷更大的条件下，触点11和触点12一起使用。这也是由于阻尼板在载荷作用下发生轻微塑性变形的结果。
在任一情况下，根据所施加的弹簧扭矩的大小，阻尼板与触点79或10的接触致使阻尼板以触点79或10为中心旋转。即，参照图8，根据载荷大小，在80、82上施加的力将使阻尼板76啮合点79，还可能啮合点10。一旦这样啮合的阻尼板76以触点79或10为中心轻微旋转，将会带动摩擦表面78与壳体内表面真实接触，从而在摩擦表面上施加法向力。这种逻辑还适用于阻尼板与触点11、12啮合的情况。
本领域的技术人员可以理解，控制枢轴臂点79、10、11和12之间的配合、行程和旋转方向，增强了摩擦表面78和壳体内表面之间的啮合。枢轴臂可以相对于壳体转过整个有效角度范围，因为阻尼板被触点79、10、11和12之间的臂限制住。
图13是阻尼板的顶部透视图。摩擦垫93连接于阻尼板76上，以降低阻尼板76和枢轴臂(未示出)之间的摩擦。人们可以发现阻尼板并不是轴向固定，以便基本上控制围绕O点的转动。在使用过程中，阻尼板76在弹簧作用下在点79、10、11和12之间浮动。这样可以在使用过程中，使每个摩擦表面在载荷作用下都适当地定向，从而与基座内表面完全啮合。这样还可以在张紧轮的寿命过程中，使摩擦表面通过频繁重新定向而调整磨损。引导件14和15适当地定位，且在阻尼板76内支撑弹簧的端部72。这种关系是适当放置接触阻尼板上的点7、8的弹簧端部72所必须的。
图14是阻尼板的底部透视图。垫93的承载表面基本上与摩擦表面78的下表面51共面，因此使阻尼板在枢轴臂上方基本上保持平坦。表面51与摩擦表面78具有相同的摩擦系数。
图15是阻尼机构的第一替代实施例的底部平面图。第一替代实施例包括位于阻尼板76上的两个摩擦表面78。相对的作用力P1和P1′在枢轴关节100处作用于阻尼板76上。弹簧端部72在触点107和108处接触阻尼板76。在使用过程中，弹簧50产生作用力P1′＝Tspr/r枢轴关节100，参见图16，可以使阻尼板稍稍弯曲，因此使阻尼板的两个部件180和190能够彼此相对移动。由于阻尼板在枢轴关节100处的弯曲造成的框架部件180和190的相对运动相对于阻尼板76的旋转中心O是径向的。因此，每个摩擦表面78都是可沿D1和D2方向移动的。
当阻尼板处于平衡状态时，作用力P1′在阻尼板76的另一部件上产生了方向相反大小相等的作用力P1，即，在180和190上。作用力P1和P产生合力RR＝P1+P (14)合力作用于张紧轮基座的内弧形表面上，未示出，参见图2。力R和T作用在张紧轮基座的弧形内表面和摩擦表面之间的界面处。这些力，结合摩擦系数，产生每个摩擦表面的摩擦力。
在平衡条件下，力P是平衡力，用于对抗、或平衡皮带载荷的力矩臂BL*M＝P*A (15)或P＝(BL*M)/A (16)其中，BL是皮带或毂套载荷，M是从旋转中心O到臂上的载荷中心测得的力臂，且P和A如本文所述。
由于附加作用力，摩擦力(R+T)μ约为单阻尼机构上的摩擦力的三倍；R＝P+P1。P是唯一平衡所述臂对抗毂套载荷的作用力。
图16是沿图15的线16-16的阻尼机构侧视图。它示出了摩擦表面78的相对位置。枢轴关节100示为在摩擦表面78之间。每个摩擦表面78都具有相等的弧形啮合长度AL，参见图17，且具有相同的摩擦系数μ。当然，阻尼机构的阻尼特性可以通过改变每个摩擦表面的长度AL而部分改变。
图17是第一替代阻尼机构的顶部平面图。突起40使摩擦表面78连接到阻尼板76上。弹簧端部72在触点107和108处接触阻尼板76。枢轴关节100使阻尼板76可以弯曲，因此使摩擦表面78可以相对运动，如在本说明书的其他部分所述。
图18是第一替代阻尼机构的顶部透视图。枢轴关节100，如图所示，位于摩擦表面78之间。
图19是第一替代阻尼机构的底部视图。表面202和203啮合枢轴臂(未示出)。如果用户要求，作为摩擦表面，表面202和203可以具有相等的摩擦系数。在这一实施例中，参见图13，不再需要用于单摩擦表面实施例中的垫93。
图20是另一阻尼机构的顶部透视图。弹簧支撑件20、21具有不相等的高度，以便适当地支撑扭转弹簧的螺旋线圈(未示出)。在使用过程中，弹簧稍稍轴向压缩，因此在阻尼表面202和203上通过弹簧支撑件20和21施加了作用力。支撑件20和21用于将轴向弹簧力平均分布在阻尼板上。
图21是第二替代实施例的底部平面图。该阻尼机构基本上与图15所示的实施例相同，不同的是仅使用了一个摩擦表面78。而且，在摩擦表面78上没有凹槽91。代替的是，弧形表面92，参见图23，为阻尼板76提供了连续的接触表面。因为它具有相对较低的摩擦系数，法向力T在阻尼板上产生了可忽略的摩擦作用力。为了平衡，呈现出两个力(T+P)。对于摩擦力，也呈现出两个作用力R＝P1+P。因为阻尼板处于静态平衡状态，所以P1′＝-P1。
图22是沿图21中的线22-22的阻尼机构侧视图。
图23是第二替代实施例的顶部平面图。摩擦表面78通过突起85连接于阻尼板76上。在其他实施例中示出的包含邻近触点107的槽的阻尼板部分，在该实施例中，是用于啮合枢轴臂的连续弧形表面92。
图24是第二替代实施例的底部透视图。连续的弧形表面92提供了用于接收力T的承载表面，如所述。
图25是第二替代实施例的顶部透视图。弹簧支撑件20、21接纳扭转弹簧50(未示出)以及轴向弹簧作用力，如所述。
系统的运行对于在内燃机(IC)型发动机的皮带传动上使用的张紧轮，譬如汽车中使用的，张紧轮阻尼是一个非常重要的特性。皮带传动通常包括多肋式皮带传动，用于驱动附属部件，比如空调压缩机、交流发电机、水泵、动力转向泵，或者它可以包含驱动凸轮-阀-传动系的同步皮带传动机构。
大部分自动皮带传动机构使用具有摩擦阻尼的自动张紧轮。每个靠近张紧轮的皮带跨度上的平均张力是由张紧轮弹簧控制的。动态部分，或张力波动主要由张紧轮的阻尼控制。张紧轮阻尼是用于控制张紧轮臂振动以及阻尼系统振动的主要元素。
通常，使用张紧轮的皮带传动包含两种类型，附件皮带传动和同步皮带传动。对于附件皮带传动，皮带驱动至少一个具有有效惯性(0.004kg-m2或更高)的部件，在大多数情况下是交流发电机。有效惯性是部件旋转部分的惯性乘以相对于曲轴的速度比I_effect＝I*(D_crk/D)张紧轮位于在皮带移动方向上具有有效惯性的第一部件之前的任何位置。对于同步皮带传动，张紧轮位于在皮带移动方向上的第一凸轮轴前。
对于IC发动机的附件皮带传动，转动振动的主要激励源是曲轴。对于同步皮带传动，凸轮扭矩和曲轴的转动振动是主要的激励源。在某些情况下，由压缩机或由皮带驱动的泵产生的高扭距脉冲是主要的振动源。
典型的系统振动现象是张紧轮臂的过度振动、跨度振动(摆动)、动态皮带滑动和滑动噪声。所有这些都易于降低皮带寿命和系统的可靠性。
图27示出了典型的四缸IC的布局。当附件和传动系都加载时，皮带的张力低于300N，且阻尼小于30％，在动力转向泵(P_S)和惰轮(IDR)之间会存在跨度摆动，在P_S处存在动态滑动和滑动噪声，在共振转速上存在6mm(峰-峰)或更大的振动。在发动机布局中的其他零件为水泵W_P、空调A_C、曲轴CRK、交流发电机ALT。
图28示出了图27中的发动机的动态滞后曲线和张紧轮的张力/阻尼参数，在非对称张紧轮(图28b)和普通张紧轮(图28a)之间进行了比较。在这种情况下，非对称张紧轮的非对称因子，或者非对称系数KAS，为2.7。对于普通张紧轮，由弹簧产生的张力是362N，对于非对称张紧轮是241N。非对称张紧轮的张力比普通张紧轮的张力低33％。张力也称作安装张力，该力相当于发动机工作的大部分时间内的平均张力。
图29所示的是在低转速范围内的振动和动态作用力的比较，其中附件皮带传动具有第一谐振。从图中可以看出，皮带传动系统的激励源，即曲轴(CRK)的转动振动，对于每一张紧轮都是相同的，图29A。图29A示出了使用非对称张紧轮时，交流发电机(ALT)跨度的较小振动。图29B示出使用非对称张紧轮与使用普通张紧轮相比，张紧轮臂的振动降低了40％或更多。图29C示出了惰轮(IDR)上的动态张力。使用非对称张紧轮，较高的皮带张力波动降低了约20％。在这种情况下，在动力转向(P_S)到惰轮(IDR)的跨度之间，较高的皮带张力波动是P_S处的跨度振动、动态滑动以及滑动噪声的原因。图29D示出了惰轮的动态张力的定义。
因为比普通张紧轮从皮带传动上消耗了更多的能量，所以非对称张紧轮改善了皮带传动的振动、动态特性和噪声。而且，使用非对称张紧轮，如果非对称因子较高或者安装张力提高到与普通张紧轮同样的水平，非对称张紧轮的有效阻尼可继续增加，改善系统的振动，将其降低了到一个较低的水平。
尽管适用于任何前端附件传动，但因为小位移发动机，比如四缸和三缸的发动机，2.5L或更低的汽油，尤其是柴油发动机通常具有较大的曲轴转动振动，所以非对称张紧轮明显改进或消除了振动和噪声问题。
非对称阻尼张紧轮的另一个优点是在发动机瞬时运行时，加速或减速时，非对称张紧轮还提供了比普通张紧轮更好的张力控制。在传动链中至少一个部件具有0.004kg-m2或更大的有效惯性的情况下，超过6,000rpm/sec的加速或减速速度可以看作超过之后非对称张紧轮将显示出比普通张紧轮明显提高的性能的值。
在发动机加速过程中，附件传动机构中的部件的惯性扭矩将使皮带跨度张紧，且使皮带拉长。任何附属部件产生的惯性扭矩可以大致表示为其有效惯性乘以发动机加速的最大速度。例如，具有0.01kg-m2的有效惯性的交流发电机在6000rpm/sec的发动机减速速度下将会产生6.3N-m的惯性扭矩。假定交流发电机承受来自放电过程的1.3N-m的载荷，那么5.N-m的扭矩差将继续沿转动方向“驱动”皮带。如果发动机在6000rpm/sec的加速度下，惯性扭矩将增加到载荷扭矩上，导致产生7.6N-m的惯性扭矩。
在多数情况下，在发动机点火频率覆盖皮带传动机构的第一自然频率时，发动机在RPM范围内加速时会出现问题。皮带的伸长部分由张紧轮臂的移动吸收，即，张紧轮臂将沿张紧轮“卸载”的方向朝皮带移动。如果在卸载方向上的阻尼过高，则邻近张紧轮的皮带跨度上的张力将减小，因此，所有其他跨度上的张力也减小，导致产生打滑和噪声。对于给定的张紧轮张力，应为非对称张紧轮在卸载方向上的阻尼摩擦明显低于普通张紧轮，所以在发动机加速过程中通过张紧轮保持较高的跨度张力，从而避免打滑和噪声。
在发动机减速过程中，某些部件的惯性扭矩，例如交流发动机或风扇，可以较高，而使其继续沿转动方向“驱动”皮带。因为相对于曲轴来说，张紧轮通常位于松弛侧的跨度内，所以当惯性扭矩沿前进方向驱动皮带时，某些跨度内的张力将减小，皮带长度将缩短。这样，张紧轮跨度可以成为张紧侧，且张紧轮臂受到皮带沿张紧轮加载方向的推动，即远离皮带。如果加载方向上的张紧轮阻尼不够高，那么张紧轮跨度的张力可能不够高，这可能导致皮带打滑和滑动噪声。
图30所示的是在发动机减速过程中张紧轮性能的示例。图30E示出了仅有一个附属部件的简单的双点传动，其中附属部件为曲轴CRK驱动的交流发电机ALT。张紧轮标为TEN，且示出了它的相对运动。在发动机高速减速时，如果在张紧轮跨度变成张紧侧且张紧轮加载时，张紧轮不能提供足够的张力，那么将在ALT上出现打滑和相应的滑动噪声。图30C所示的是非对称张紧轮的情况，图30D所示的是普通张紧轮的情况，普通张紧轮具有比非对称张紧轮(248N)稍高的安装张力(264N)。因为非对称张紧轮可以在高速减速过程中受到皮带的加载时提供更高的阻尼，所以平均张力达到440N；而对于普通的张紧轮，平均张力仅为340N。同时，普通张紧轮臂移动的距离是非对称张紧轮的两倍。如用于非对称张紧轮的图30A和用于普通张紧轮的图30B所示，对于普通张紧轮来说，交流发电机上的皮带滑动为9.3％，而对于非对称张紧轮来说，仅为1.4％，有明显的提高。
图31中所示的是在发动机启动过程中张紧轮臂运动的比较。发动机启动通常在皮带传动谐振的情况下进行，所述皮带传动具有比怠速时的点火频率更低的自然频率。它是系统谐振RPM在其RPM范围内时发动机加速的一种情况。所述皮带传动机构与图27中的相同，张紧轮与图28所示的相同。利用非对称张紧轮，臂的运动大约减小为普通张紧轮臂的运动的一半。臂的运动较小意味着对系统动态特性的更好控制，以及明显提高张紧轮的寿命。
图32是普通张紧轮和非对称张紧轮的臂行程的比较。非对称张紧轮的臂行程是直线1。普通张紧轮的臂行程是直线2。CRK表示在非对称(Asym)和普通(Reg)张紧轮的情况下的曲轴速度。如所示，在冷启动过程中非对称张紧轮的臂行程明显小于普通张紧轮的臂行程。
虽然已经描述了本发明的一种形式，但对于本领域的技术人员来说，显然可以在结构和零部件的关系上作出改变，而没有脱离所述的本发明的主旨和范围。
权利要求
1.一种附件传动系统，包含主动皮带轮；至少一个从动皮带轮；使主动皮带轮连接于从动皮带轮的皮带；用于保持皮带张紧的张紧轮，所述张紧轮包含用于接受皮带载荷且可枢转地安装在基座上的臂，固定在所述臂上且啮合所述传动皮带的皮带轮，啮合所述基座的偏压部件，以及具有啮合所述基座的摩擦表面的阻尼部件；所述阻尼部件在枢轴点处啮合所述臂；所述偏压部件在第一触点和第二触点处啮合所述阻尼部件，而通过皮带载荷使法向力压在摩擦表面上；所述阻尼部件通过具有非对称阻尼作用力而阻尼所述臂的运动，其中在加载方向上的阻尼作用力大于在卸载方向上的阻尼作用力。
2.如权利要求1所述的附件传动系统，其特征在于加载方向上的阻尼与卸载方向上的阻尼的比值在1.5至5的范围内。
3.如权利要求1所述的附件传动系统，其特征在于所述偏压部件包含扭转弹簧。
4.如权利要求1所述的附件传动系统，其特征在于所述张紧轮位于系统内、沿皮带的运动方向具有最大的有效转动惯性的转动元件之前的位置。
5.一种附件传动系统，包含主动皮带轮；至少一个从动皮带轮；使主动皮带轮连接于从动皮带轮的皮带；具有毂套载荷和张紧轮臂的张紧轮，该张紧轮啮合皮带，用于保持皮带张紧，且具有非对称的阻尼比，其中在加载方向上的阻尼作用力大于在卸载方向上的阻尼作用力。
6.如权利要求5所述的传动系统，其特征在于从动皮带轮具有大于0.004kg-m2的有效转动惯性；主动皮带轮具有转速；其中对于大于6000RPM/sec的主动皮带轮减速速度，张紧轮臂的振动最小。
7.如权利要求5所述的传动系统，其特征在于所述张紧轮位于该系统内、沿皮带的运动方向具有最大的有效转动惯性的转动元件之前的位置。
8.如权利要求7所述的传动系统，其特征在于在主动皮带轮在小于0.15秒内从稳态值减速到最大值的过程中，所述毂套载荷增加。
9.如权利要求8所述的传动系统，其特征在于主动皮带轮减速赋予所述张紧轮在加载方向上的作用力。
10.如权利要求6所述的传动系统，其特征在于从动皮带轮的打滑小于主动皮带轮转动的2％。
全文摘要
本发明涉及一种用于发动机上的皮带传动的非对称阻尼张紧轮系统。皮带连接于曲轴上的主动皮带轮和许多从动皮带轮之间。每个从动皮带轮都连接于附件上，比如交流发电机、动力转向泵、压缩机等。张紧轮置于在皮带运动方向上具有明显有效惯性的第一部件前方的任何位置。张紧轮上的偏压元件用于保持皮带的张紧。张紧轮还包含阻尼机构，用于阻尼由于发动机运转造成的皮带振动。根据张紧轮臂的运动方向，张紧轮阻尼摩擦力是不相等或非对称的。在加速过程中，在卸载方向上张紧轮的阻尼摩擦力明显低于相反的、加载方向上的阻尼摩擦力，在减速过程中也是如此。加速过程中较低的阻尼摩擦力可以使张紧轮臂快速调整，增加由于加速引起的皮带长度。减速过程中较高的阻尼摩擦力可以避免张紧轮臂在加载方向上移动得过远而产生打滑和噪声。非对称阻尼还可以明显减轻所有运行阶段中整个皮带的振动。
文档编号F16H1/00GK1554000SQ02810144
公开日2004年12月8日 申请日期2002年5月23日 优先权日2001年5月24日
发明者刘克铭, 亚历山大·塞基, 大 塞基 申请人:盖茨公司