李鵬飛

（舍弗勒貿(mào)易（上海）有限公司，上海 201800）

前言

隨著國家經(jīng)濟發(fā)展與汽車工業(yè)的振興，汽車行業(yè)的技術(shù)進步也是日新月異。近年來國內(nèi)汽車零部件規(guī)模日益壯大，在最新汽車零部件百強名單中，中國企業(yè)再次刷新記錄共有七家進入榜單。作為汽車的心臟發(fā)動機提供高效的動力輸出，而配氣結(jié)構(gòu)的技術(shù)選擇對發(fā)動機總體特別是燃油經(jīng)濟性能有著重要影響。配氣機構(gòu)按照各壓縮氣缸的四沖程點火順序，定時開啟和關(guān)閉氣缸的進、排氣門，使新鮮空氣及時進入，廢氣及時排出[1]。氣門正時傳動組用于定時驅(qū)動氣門開閉，連接曲軸扭矩和凸輪軸系統(tǒng)。

配氣正時傳動主要分為正時齒輪傳動、正時鏈傳動和正時帶傳動三種類型。在特定的應(yīng)用環(huán)境應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)層面和零件性能以及成本經(jīng)濟性等指標(biāo)，選擇最合適的配氣傳動機構(gòu)[2]。隨著國內(nèi)企業(yè)自主創(chuàng)新的不斷積累，技術(shù)在實際應(yīng)用中也趨向成熟[3-5]。然而配氣機構(gòu)和正時傳動很多零部件還是來自國外汽車零部件公司，國內(nèi)企業(yè)起步較晚，仍處于快速追趕的發(fā)展中。

1 配氣機構(gòu)的布置型式

正時傳動組件的結(jié)構(gòu)形式主要根據(jù)配氣機構(gòu)布置形式進行匹配。配氣機構(gòu)的布置主要分為氣門布置型式和凸輪軸布置型式。氣門布置有氣門頂置式和氣門側(cè)置式，由于燃燒室緊湊及進氣順暢和熱封性好等優(yōu)點，頂置式氣門受到廣泛應(yīng)用，并趨向于淘汰側(cè)置式型式。而凸輪軸布置型式主要有三種，分別為凸輪軸下置，凸輪軸中置和凸輪軸頂置[1]。凸輪軸下置式(OHV)，凸輪軸與曲軸中心距離近，凸輪軸可以裝在曲軸箱內(nèi)，采用齒輪傳動簡單可靠傳動易于布置。中置型凸輪軸位于發(fā)動機氣缸體的上部，與下置式配氣機構(gòu)相比，推桿較短或省略了推桿，減輕了配氣機構(gòu)往復(fù)運動的質(zhì)量。頂置式凸輪軸(OHC)位于發(fā)動機汽缸蓋上，凸輪軸與氣門距離最近傳動鏈短，大大降低了往復(fù)運動的慣性。凸輪軸頂置式配氣機構(gòu)有單頂置凸輪軸(SOHC)和雙頂置凸輪軸(DOHC)形式，廣泛應(yīng)用于各種高速發(fā)動機上。雙凸輪軸的布置有利于增加氣門數(shù)量和提高進排氣效率，已經(jīng)成為現(xiàn)代高轉(zhuǎn)速發(fā)動機的主流配置方式。

2 正時齒輪傳動

配氣機構(gòu)布置為凸輪軸下置時，不適合高速傳動，此時可應(yīng)用正時齒輪傳動設(shè)計。齒輪傳動簡單可靠傳動噪音小，可實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計成本低。凸輪軸齒輪可直接和曲軸齒輪嚙合，也可以根據(jù)軸間中心距采用中間惰輪連接，實現(xiàn)同向旋轉(zhuǎn)保證傳動比和傳動精度。正時齒輪傳動一般包括曲軸齒輪、凸輪軸齒輪和惰齒輪。圖1 為正時齒輪傳動示意，圖1(a)中即為曲軸齒輪和凸輪軸齒輪直接嚙合。

柴油機排量越大，額定轉(zhuǎn)速一般會設(shè)計的越低。在大部分低轉(zhuǎn)扭矩的柴油發(fā)動機上，缸體上可布置曲軸和凸輪軸在齒輪箱內(nèi)，發(fā)動機的重心較低。齒輪類型一般選擇斜齒輪多于直齒輪，使傳動更加平穩(wěn)噪聲小。正時齒輪需要密封和潤滑，一般配有齒輪箱蓋和密封墊。由于齒輪傳動對中心距的精度要求較為嚴(yán)格，在缸體加工中，往往需采用多軸式組合鏜床一次定位加工。為保證曲軸與凸輪軸之間有正確的相位關(guān)系，方便檢查和調(diào)整配氣正時，正時齒輪上還會打上正時標(biāo)記點。此外，凸輪軸下置時一般氣門數(shù)也較少，發(fā)動機汽缸蓋體積小，方便整機空間布置，有利于整機的推重比。

凸輪軸中置式一般仍根據(jù)軸間的中心距采用惰輪連接曲軸齒輪傳動扭矩。如圖1(b)為正時傳動齒輪和中間惰輪的配合布置，通過惰輪傳遞扭矩到凸和機油泵軸等。隨著齒輪系數(shù)目增多和中心距的加大，齒輪箱的尺寸和重量也變得更大，齒輪箱變得復(fù)雜。此時也可以選用鏈/帶傳動連接凸輪軸和曲軸的相位運動。

圖1 正時齒輪傳動示意

3 正時皮帶傳動

頂置式凸輪軸時，凸輪軸位于缸蓋上，凸輪軸與曲軸的中心距大大增加，此時使用增加中間輪的齒輪傳動方式已經(jīng)難以實現(xiàn)。同時凸輪軸氣門驅(qū)動系統(tǒng)往復(fù)運動的質(zhì)量明顯減小，非常適合現(xiàn)代的高轉(zhuǎn)速發(fā)動機，尤其是轎車汽油發(fā)動機。帶和鏈形式的柔性傳動方式更適用于大中心距的傳動。圖2(a)為典型的正時皮帶傳動形式。

正時皮帶又稱為正時齒形帶、正時同步帶，由玻璃纖維、合成橡膠和尼龍織物制成，傳動平穩(wěn)靜音效果好，傳動阻力和慣性小，使發(fā)動機的NVH 性能、動力加速性能更好，且容易更換。正時帶內(nèi)側(cè)有橡膠齒，齒形帶和皮帶輪之間通過齒形嚙合傳遞扭矩，帶動凸輪軸及水泵等。皮帶傳動一般包括皮帶、曲軸帶輪、凸輪軸帶輪、皮帶張緊輪和導(dǎo)向惰輪等。

正時皮帶配置張緊輪提供張緊力，使帶輪有一定的包角，保證皮帶的張緊狀態(tài)，并通過導(dǎo)向惰輪改變皮帶運行方向，保證傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定性和傳動的精度。張緊輪和惰輪的合理安排，可以縮短同步帶中心距，減小橫向振幅改善NVH 性能，并延長使用壽命[3,4]。正時皮帶有干式皮帶傳動和濕式皮帶傳動類型。干式皮帶不需要潤滑，一般壽命4～8 萬公里。實際用車中往往需要預(yù)防性更換，即未到廠家規(guī)定期限就需要更換，使用壽命短，更換頻率高。對于濕式浸油皮帶傳動方式，皮帶需要和潤滑油氣接觸，其橡膠配方必須經(jīng)過特殊配置，齒面還有涂層，耐油耐熱性以及耐腐蝕性均得到加強，設(shè)計壽命能夠達到20 萬公里以上，甚至與發(fā)動機等壽命，終身免維護。濕式皮帶可以充分利用發(fā)動機機油的潤滑，大大改善系統(tǒng)摩擦性能，減少摩擦阻力和噪音，當(dāng)然成本也更高。已有歐洲車型量產(chǎn)應(yīng)用案例，國內(nèi)企業(yè)對該技術(shù)的研究和應(yīng)用仍然較少。

圖2 正時帶傳動和正時鏈傳動

4 正時鏈條傳動

頂置式凸輪軸布置還可以使用鏈條傳動方式。鏈條系統(tǒng)一般包括鏈條、曲軸鏈輪、凸輪軸鏈輪、張緊器和導(dǎo)軌。典型的正時鏈條系統(tǒng)如圖2(b)所示。發(fā)動機正時傳動使用皮帶還是鏈條取決于設(shè)計條件。一般而言，排量較大的發(fā)動機，對傳送帶的應(yīng)力要求也更高。此時可以選用鏈條傳動方式更為可靠。與傳統(tǒng)的皮帶傳動相比，鏈條傳動耐久可靠，可以達到與發(fā)動機等壽命設(shè)計，免維護性好。但是鏈條的質(zhì)量較皮帶大，傳動慣性大，系統(tǒng)NVH 性能一般較皮帶差。

正時鏈條有滾子鏈、套筒鏈和齒形鏈（靜音鏈）三種類型。由于編織組成和嚙合方式的不同，一般滾子鏈和套筒鏈的承載較大，傳動可靠不易發(fā)生跳齒，但是多邊形效應(yīng)也更明顯，噪音較大。齒形鏈的承載能力相對較小，易發(fā)生跳齒，但嚙合平順噪音小，基本能達到跟齒形帶傳動同一個靜音水平，因此也稱為靜音鏈。設(shè)計上可調(diào)整系統(tǒng)布局及零件構(gòu)造，以彌補鏈條傳動的劣勢。如布置正時密封箱，在發(fā)動機前端設(shè)置正時罩蓋形成獨立的空間，可以滿足傳動部件的潤滑要求，實現(xiàn)潤滑油的冷熱循環(huán)，和起到隔音和防塵的作用。在負(fù)載一定的條件下，系統(tǒng)可以使用靜音鏈條，進一步降低噪音。鏈輪還可以設(shè)計成帶包膠式，嚙合中鏈條鏈板和鏈輪橡膠先接觸，大大降低了嚙合沖擊。

5 結(jié)語

本文介紹了正時傳動的應(yīng)用布置形式，對不同布置進行了闡述和優(yōu)化說明。隨著汽車新一輪的技術(shù)發(fā)展，混動技術(shù)、新能源電動技術(shù)的進步，汽車向著清潔能源的方向發(fā)展。由于齒輪、鏈條傳動和皮帶傳動自身應(yīng)用上的優(yōu)勢，尚有各自較長的生命周期。如齒輪傳動在汽車中型柴油機，工程機械重型柴油機以及船用柴油機上仍是相當(dāng)長時間內(nèi)難以替代的技術(shù)方案。帶傳動在低排量輕型汽油發(fā)動機上也具有較大的應(yīng)用優(yōu)勢，皮帶在滿足應(yīng)力和扭矩傳動的條件下，能夠提供較好的NVH 性能和成本優(yōu)勢。鏈條傳動則逐漸在直列發(fā)動機和V 型大功率發(fā)動機上成為首選，也有在很多應(yīng)用中和皮帶正面競爭并呈現(xiàn)取代之勢。