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發(fā)動機(jī)正時鏈傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)及故障分析

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（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章以某款1.3L四缸汽油機(jī)的正時鏈傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，簡要講解了整個正時鏈傳動系統(tǒng)相關(guān)零件的設(shè)計(jì)開發(fā)流程，詳細(xì)分析了正時鏈條的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，列出了正時滾子鏈存在的主要失效模式，并針對其失效模式提出具體預(yù)防措施及整改建議。文章對鏈輪、自動張緊器、動定軌等其它正時傳動零部件的設(shè)計(jì)也作了簡要敘述。

正時系統(tǒng)；滾子鏈；失效模式

前言

正時傳動系統(tǒng)是發(fā)動機(jī)配氣系統(tǒng)的重要組成部分，它將曲軸的扭矩傳遞給凸輪軸，進(jìn)而驅(qū)動氣門機(jī)構(gòu)按時開啟和關(guān)閉，保證發(fā)動機(jī)正常連續(xù)地工作。

鏈傳動以其結(jié)構(gòu)緊湊、使用壽命長、保養(yǎng)維護(hù)相對方便等優(yōu)點(diǎn)廣泛地應(yīng)用在中小型汽油機(jī)、柴油機(jī)之上。其中滾子鏈以其介于齒形鏈和套筒鏈之間的耐磨性和噪音性等特性以及成本低等優(yōu)點(diǎn)被更為廣泛地使用。

如果整個正時鏈系統(tǒng)布置得當(dāng)，鏈條正確得到張緊和潤滑，基本上可以做到同發(fā)動機(jī)同壽命，發(fā)動機(jī)20萬公里里程之后的磨損延長率可以做到e≤1%。不然很有可能會出現(xiàn)異常磨損、滾子破裂、脫落甚至鏈條斷裂等嚴(yán)重問題。文章主要簡要介紹使用滾子鏈中正時鏈系統(tǒng)的布置設(shè)計(jì)過程以及在該過程中各個相關(guān)零件設(shè)計(jì)過程中需要注意的要點(diǎn)，以避免滾子鏈出現(xiàn)上述異常磨損的問題。

1 正時鏈傳動結(jié)構(gòu)及其特性

1.1 發(fā)動機(jī)正時鏈的特性

汽車發(fā)動機(jī)上使用的正時鏈條傳遞的功率和工作轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)大于普通工業(yè)鏈條，通常發(fā)動機(jī)正時傳動鏈主動鏈輪的工作轉(zhuǎn)速區(qū)間為1000~6000r／min，有的甚至已超過8000r／min。這不僅在高速工況下服役，而且承受著怠速、加速、減速等交變速度的沖擊，服役條件較為嚴(yán)酷。

發(fā)動機(jī)正時鏈條的耐磨損性能也不同于普通工業(yè)鏈條：普通工業(yè)鏈條的允許磨損伸長率e≤3％，而發(fā)動機(jī)正時鏈條的允許的最大伸長率≤1%，對于一些較昂貴的汽車所使用的正時鏈條要求其最大伸長率e≤0.5%，以確保汽車正時鏈系統(tǒng)的工作可靠性。

1.2 發(fā)動機(jī)正時鏈傳動主要結(jié)構(gòu)

如圖1所示DOHC（雙頂置凸輪軸）結(jié)構(gòu)的正時鏈傳動系統(tǒng)主要由正時鏈條、凸輪軸正時鏈輪、動軌、定軌、曲軸正時鏈輪、張緊器等零部件組成。

圖1 正時鏈傳動系統(tǒng)

圖1中：1排氣凸輪軸鏈輪；2進(jìn)氣凸輪軸VVT鏈輪；3定軌；4曲軸正時鏈輪；5自動張緊器；6動軌組件；7滾子鏈條

2 正時鏈傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 正時鏈傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)布置流程

正時鏈傳動系統(tǒng)一般布置于發(fā)動機(jī)的前端，縱跨缸體以及缸蓋兩大組要結(jié)構(gòu)。

開始正時鏈傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)布置工作時，凸輪軸中心以及曲軸中心位置一般都已經(jīng)確定。即曲軸到各個凸輪軸的中心距已基本確定。在DOHC布置形式的機(jī)型中，即以既定的3個點(diǎn)的位置為基礎(chǔ)來進(jìn)行整個正時鏈傳動系統(tǒng)的布置工作。

在布置設(shè)計(jì)之前要注意保持正時鏈傳動系統(tǒng)中各個鏈輪齒部軸向中心的鉛垂共面性，對于排量2.0L以下的發(fā)動機(jī)來講，一般各鏈輪鉛錘尺寸鏈公差需控制在±0.4mm以內(nèi)。

正時鏈系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)流程如下：

（1）確定鏈條的類型：即選用齒形鏈、套筒鏈還是滾子鏈；

（2）確定鏈條的節(jié)距；

（3）計(jì)算確定曲軸鏈輪的齒數(shù)，繼而確定凸輪軸鏈輪的齒數(shù)。確定與鏈條嚙合的齒形參數(shù)，進(jìn)而確定鏈輪直徑；

（4）設(shè)計(jì)布置鏈條與各鏈輪的包角，設(shè)計(jì)緊邊、松邊的張緊弧度，確定張緊器張緊位置，計(jì)算鏈條的長度；

（5）計(jì)算各鏈輪上的正時標(biāo)記位置，確定鏈條上的正時標(biāo)記位置；

（6）設(shè)計(jì)定軌形狀，確定其在缸體或缸蓋上的安裝位置；

（7）設(shè)計(jì)動軌形狀，確定其旋轉(zhuǎn)點(diǎn)的位置；

（8）設(shè)計(jì)張緊器，調(diào)整校核張緊力大小。

2.2 關(guān)于正時系統(tǒng)系統(tǒng)的潤滑設(shè)計(jì)

不同于齒形帶正時傳動，正時鏈傳動的發(fā)動機(jī)的鏈輪室需設(shè)計(jì)成密閉的形式，輪系的潤滑由曲軸旋轉(zhuǎn)飛濺出的機(jī)油以及凸輪軸系統(tǒng)泄下的機(jī)油潤滑，因滾子鏈與鏈輪是滾動接觸，這兩種潤滑方式對滾子鏈已經(jīng)足夠，對于套筒鏈以及齒形鏈這兩種滑動接觸的鏈條則需要將潤滑油直接噴向齒輪鏈條嚙合區(qū)域，減少磨損。

2.3 正時鏈條的設(shè)計(jì)

2.3.1 選擇正時鏈條的類型

滾子鏈在套筒鏈的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加滾子這一零件，滾子與套筒間則為間隙配合，滾子與鏈輪的齒部嚙合。耐磨損性能與噪音水平、性能等居于套筒鏈與滾子鏈之間。廣泛應(yīng)用于中小型發(fā)動機(jī)上。

2.3.2 正時鏈條參數(shù)選擇

節(jié)距為鏈條最為重要的參數(shù)，節(jié)距一旦確定，鏈條其它一些參數(shù)，比如鏈板厚度，鏈條寬度、滾子直徑等尺寸基本均可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)確定。較大的節(jié)距意味著較大的承載力，但由于鏈條的多邊形效應(yīng)同時也會導(dǎo)致不平穩(wěn)性加劇。滿足承載力的前提下，盡量選較小p值。正時鏈可供選擇的節(jié)距尺寸為12.7mm、9.525mm和8mm?？筛鶕?jù)國標(biāo)《GB/T 18150- 2006 滾子鏈傳動選擇指導(dǎo)》進(jìn)行選擇。正時鏈條選目前應(yīng)用較為普遍的8mm節(jié)距。

2.3.3 確定各鏈輪參數(shù)

曲軸與凸輪軸的傳動比為=2:1，在設(shè)計(jì)過程中先確定曲軸鏈輪的齒數(shù)，再根據(jù)傳動比確定凸輪軸鏈輪齒數(shù)。一般曲軸鏈輪推薦的最小齒數(shù)為21，在合理考慮傳動扭矩，鏈條包角，導(dǎo)軌及張緊的情況下可以減小到19。根據(jù)既定的兩凸輪軸的位置，并根據(jù)兩鏈輪齒頂圓最小間距≥3mm的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)齒數(shù)滿足要求，以某1.3L汽油機(jī)正時鏈系統(tǒng)的鏈輪設(shè)計(jì)為例。

圖2 鏈輪齒形

齒頂圓直徑=+1.25d

d為滾子最大直徑，為5.65mm

根據(jù)目前兩凸輪軸間水平間距值L=97.9mm按照最小間隙3mm

最終通過計(jì)算，選擇凸輪軸齒數(shù)為Z=36，曲軸正時鏈輪的齒數(shù)Z= Z/i=36/2=18

此時曲軸鏈輪分度圓直徑d= 46.07mm凸輪軸鏈輪分度圓直徑為d=91.76mm。

較大的鏈輪直徑可以一定程度上降低鏈條的多邊形效應(yīng)，降低鏈條滾子的磨損。

與其嚙合的鏈輪的齒數(shù)可選擇奇數(shù)，避免鏈條鏈節(jié)與固定的幾個齒嚙合，使磨損均勻。

2.2.4 鏈條長度計(jì)算

根據(jù)選定鏈條型號所能承受的最大載荷力，計(jì)算鏈條緊邊及松邊的長度，并確定動軌及定軌的導(dǎo)向曲線半徑，確定張緊器的張緊位置。

圖2 正時鏈的自由段

基本上每個鏈條在每個鏈輪之間的跨距上都需要布置有定軌或是定軌進(jìn)行導(dǎo)向，但如果兩個凸輪軸鏈輪之間的間距較短，可不放置。

一般地，沿著鏈輪的轉(zhuǎn)動方向，鏈條與鏈輪嚙合前的鏈條段為緊邊，鏈條與鏈輪嚙合后的鏈條段為松邊。在鏈條緊邊需布置定軌，用兩個點(diǎn)固定住。在鏈條松邊需布置定軌，用一個點(diǎn)作為旋轉(zhuǎn)樞軸，用張緊器作用在動軌一點(diǎn)處對鏈條緊邊進(jìn)行張緊。

除去與各鏈輪嚙合以及與定軌、動軌接觸的部分，鏈條余下的部分在工作過程中不與任何其他零件相接觸，如圖2中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ段為自由段。

自由段的長度不宜太長，太長會增大鏈條的擺動幅度，造成不正常接觸降低振動頻率至發(fā)動機(jī)常用轉(zhuǎn)速。自由段的長度會隨著鏈輪相位的改變而發(fā)生變化，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、變化量較小，一般可不考慮。自由段Ⅳ、Ⅴ因?yàn)樵阪湕l的松邊，隨著動軌的擺動發(fā)生較大變化。

自由段共振轉(zhuǎn)速隨著自由段長度即自由段鏈節(jié)數(shù)的增加而下降。對于目前廣泛應(yīng)用于發(fā)動機(jī)的短節(jié)距精密滾子鏈或套筒鏈而言，自由段的鏈節(jié)一般不宜超過4節(jié)。即定軌、動軌要盡可能多地包裹住鏈條鏈節(jié)數(shù)，露出的自由段要盡可能地少。這些都要在鏈條長度時考慮到。

正時鏈的鏈節(jié)數(shù)一般為偶數(shù)，因?yàn)槠鏀?shù)鏈節(jié)的鏈條需要專門的連接結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)會嚴(yán)重地降低鏈條強(qiáng)度。且需保證鏈條鏈節(jié)數(shù)不是鏈輪齒數(shù)的整數(shù)倍，這樣可以避免鏈條上固定幾個鏈節(jié)與鏈輪固定幾個齒嚙合，造成磨損不均勻。

2.4 其他零件的設(shè)計(jì)

2.4.1 動、定軌的設(shè)計(jì)

動軌和定軌一般由耐磨玻璃纖維高分子材料制成，一般選用的材料為PA66或是PA46。動軌、定軌的導(dǎo)向弧線可根據(jù)鏈條緊邊、松邊的鏈節(jié)數(shù)確定。根據(jù)已確定的弧度設(shè)計(jì)動、定軌的具體形狀并確定安裝孔位置以及緊固螺栓型號等。

2.4.2 鏈條張緊器的設(shè)計(jì)

鏈條的張緊器主要分為機(jī)械張緊器與液壓張緊器兩種形式。機(jī)械式張緊器結(jié)構(gòu)簡單便于布置安裝，適合較鏈輪間跨距較小、鏈條長度較短的布置。液壓挺柱，由發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)提供機(jī)油，可應(yīng)對多種發(fā)動機(jī)工況及動態(tài)力。為應(yīng)對發(fā)動機(jī)剛剛啟動時油壓尚未完全建立起來的情況，可選擇帶有棘爪結(jié)構(gòu)的張緊器，可以在油壓不足的情況下提供適當(dāng)?shù)膹埦o力。

張緊器的張緊行程除了要補(bǔ)償?shù)翩湕l長時間工作后磨損伸長之外，還應(yīng)考慮到鏈條便于安裝到鏈輪上所留的裕度。一般為鏈條總長的2%。

3 滾子鏈的主要失效模式及預(yù)防措施

3.1 滾子鏈的主要失效模式

滾子鏈在運(yùn)行過程中最容易出現(xiàn)的失效模式為磨損以及滾子破裂

（1）試驗(yàn)研究表明，滾子鏈磨損機(jī)制為疲勞磨損，有時伴有磨粒磨損、粘著磨損。

鉸鏈磨損后使外鏈節(jié)節(jié)距變大，內(nèi)鏈節(jié)節(jié)距不變。節(jié)距變大后滾子爬高，產(chǎn)生跳齒或脫鏈。如圖3所示：

圖3 磨損后的滾子鏈

（2）滾子破裂失效

汽車鏈在高速區(qū)工作時，滾子或套筒的沖擊疲勞破裂是其主要的失效形式。滾子作為鏈條與鏈輪的嚙合元件，它直接承受若較大的沖擊載荷，在循環(huán)應(yīng)力作用下，在滾子的應(yīng)力集中區(qū)即滾子端部會萌生疲勞裂紋，并逐漸向滾子中部擴(kuò)展，當(dāng)滾子的制造工藝與加工質(zhì)量達(dá)不到要求時，裂紋不斷擴(kuò)展并導(dǎo)致端部掉塊或整體破裂。當(dāng)產(chǎn)生破裂的滾子達(dá)到一定數(shù)量時，由于與鏈輪處于非正常嚙合狀態(tài)，工作張力急劇增加，最終導(dǎo)致鏈條斷裂。

目前，常用的滾子成形方法有卷制和冷沖兩種，只要成形原理和模具精度符合要求，兩種工藝成形的滾子均可以滿足汽車鏈的使用工況。應(yīng)該注意，卷制滾子接縫周邊的劃痕與展延、冷沖滾子內(nèi)表面的縱向劃痕與端部的橫向臺階在制造過程中應(yīng)盡量消除或控制。上述質(zhì)量缺陷正是滾子破裂的疲勞裂紋源之一，需得到鏈條制造商足夠的重視。

3.2 1.3L汽油發(fā)動機(jī)正時鏈滾子破損問題分析整改

某1.3L四缸汽油發(fā)動機(jī)的正時鏈傳動系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)過程中多次出現(xiàn)滾子磨損嚴(yán)重、破裂、脫落等問題。

圖4 破裂的滾子

將某1.3L汽油機(jī)正時鏈條各組成零部件的硬度同競品機(jī)上的正時鏈條進(jìn)行檢測對比，得出以下數(shù)據(jù)：

表1 故障鏈條與競品機(jī)鏈條硬度對比

由上表可知故障鏈條滾子硬度相比競品機(jī)鏈條要低，經(jīng)與鏈條生產(chǎn)商對接該問題，將滾子的硬度由HV390min 更改為HV580(-30~+50)，鏈條滾子破損的問題得到有效改善。

將滾子剖開，查看滾子內(nèi)部磨損情況：

圖5 剖開的滾子及套筒表面

圖6 滾子加工工藝改善前

圖7 滾子加工工藝改善后

由以上圖片中可看出套筒表面為與滾子對應(yīng)的局部磨損。證明與滾子接觸不均勻。滾子內(nèi)壁磨損面較小，不均勻?；境蕛啥四p，尤其為滾子內(nèi)壁拉斷處附近。證明為局部與套筒接觸受力。滾子相對容易受損破裂。

鏈條供應(yīng)商針對滾子與套筒磨損不均勻的情況更改了滾子的加工工藝，采用了冷鍛加工時將切斷帶保留在滾子中部然后沖掉的工藝，將拉斷帶由原來的滾子兩端移動到滾子中部，使得滾子與套筒的摩擦接觸更加均勻，避免了局部磨損的情況，可以對鏈條滾子的破損起到一定的改善作用。

經(jīng)對比分析目前造成鏈條滾子破裂及磨損的主要原因如下：

（1）鏈條滾子的圓柱度超差。其導(dǎo)致滾子與套筒接觸承壓面積小，出現(xiàn)滾子受力異常或不均，造成滾子表面產(chǎn)生麻點(diǎn)和磨損，使?jié)L子容易受損，甚至出現(xiàn)破裂嚴(yán)重現(xiàn)象。

（2）鏈條滾子壁厚不均勻。其導(dǎo)致成品鏈條滾子間隙不穩(wěn)定，也可能直接影響鏈條與鏈輪嚙合匹配性能，出現(xiàn)滾子轉(zhuǎn)動不靈活和滑動接觸現(xiàn)象而造成滾子容易破裂。

（3）鏈條滾子表面硬度偏低，致使其表面在外力作用下容易造成麻點(diǎn)現(xiàn)象

主要改善措施：

（1）要求供應(yīng)商加強(qiáng)質(zhì)量控制。滾子直線度(0.02mm 以下)、圓柱度度(0.02mm 以下)、表面粗糙度(Ra0.4)和壁厚差(0.05mm 以下)等。

（2）改善滾子的加工工藝，使其與套筒之間的間隙更均勻，相對運(yùn)動更加順暢。

（3）在不影響和保持鏈條滾子壓破力及抗沖擊性能前提下，調(diào)整提高鏈條滾子熱處理后表面為表面 HV580（－30～+50）。

4 結(jié)論

正時鏈傳動系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)流程如下：

（1）確定鏈條的類型：即選用齒形鏈、套筒鏈還是滾子鏈；

（2）確定鏈條的節(jié)距；

（3）計(jì)算確定曲軸鏈輪的齒數(shù)，繼而確定凸輪軸鏈輪的齒數(shù)。確定與鏈條嚙合的齒形參數(shù)，進(jìn)而確定鏈輪直徑；

（4）設(shè)計(jì)布置鏈條與各鏈輪的包角，設(shè)計(jì)緊邊、松邊的張緊弧度，確定張緊器張緊位置，計(jì)算鏈條的長度；

（5）計(jì)算各鏈輪上的正時標(biāo)記位置，確定鏈條上的正時標(biāo)記位置；

（6）設(shè)計(jì)定軌形狀，確定其在缸體或缸蓋上的安裝位置；

（7）設(shè)計(jì)動軌形狀，確定其旋轉(zhuǎn)點(diǎn)的位置；

（8）設(shè)計(jì)張緊器，調(diào)整校核張緊力大小。

定軌、動軌要盡可能多地包裹住鏈條鏈節(jié)數(shù)，露出的自由段要盡可能地少，自由段的鏈節(jié)一般不宜超過4節(jié)。

保證鏈條鏈節(jié)數(shù)不是鏈輪齒數(shù)的整數(shù)倍，這樣可以避免鏈條上固定幾個鏈節(jié)與鏈輪固定幾個齒嚙合，造成磨損不均勻。

在滾子鏈設(shè)計(jì)過程中，滾子硬度需滿足使用要求，一般節(jié)距為8mm的滾子鏈其滾子硬度應(yīng)保證≥550（HV）；在保證滾子精度的同時，注意滾子的加工工藝。滾子與套筒間隙值應(yīng)適當(dāng)并均勻，保證轉(zhuǎn)動靈活，以免因?yàn)槎氯斐僧惓Ｄp。

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Timing Chain Drive System Applied In Gasoline Engines

Zhang Zengguang

( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Taking a 1.3L 4-cylinder gasoline engine model for example, this paper briefly explains the whole development process of timing chain driving system, analyses the design elements of timing chain and lists the main failure modes and measures to avoid and how to improve. In this paper, advices are also given to those other parts of timing system-sprockets, tensioners, guide and tensioner blade.

timing system; roller chain; failure modes

TP23

B

1671-7988(2018)22-187-05

張?jiān)龉?，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。

TP23

B

1671-7988(2018)22-187-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.067