李直敏

摘要：發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，它連接著曲軸端和凸輪軸端，影響著凸輪軸所關(guān)聯(lián)的氣門(mén)機(jī)構(gòu)、高壓油泵系統(tǒng)能否穩(wěn)定的工作。本論文主要從正時(shí)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)角度出發(fā)，分別從正時(shí)鏈系統(tǒng)的選型、layout布局、3D數(shù)模設(shè)計(jì)、2D圖紙以及模擬仿真等方面進(jìn)行闡述，初步描述整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟。

Abstract： The engine timing chain transmission system is an important part of the engine. It connects the crankshaft end and the camshaft end， and affects the stable operation of the valve mechanism and high-pressure oil pump system associated with the camshaft. This thesis mainly starts from the design perspective of the timing chain transmission system， and elaborates on the timing chain system selection， layout， 3D digital model design， 2D drawings and simulation simulation， etc.， and preliminarily describes the design steps of the entire system.

關(guān)鍵詞：汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī);正時(shí)鏈傳動(dòng)系統(tǒng);設(shè)計(jì)步驟;運(yùn)行仿真;設(shè)計(jì)布局

Key words： automobile engine;timing chain transmission system;design steps;operation simulation;design layout

中圖分類(lèi)號(hào)：U464.12? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）18-0032-02

0? 引言

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，正時(shí)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。與此同時(shí)，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)周期越來(lái)越短，正時(shí)鏈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)間也相應(yīng)地不斷被壓縮，所以合理的規(guī)劃正時(shí)鏈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟尤為重要。依據(jù)舍弗勒正時(shí)鏈系統(tǒng)多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及客戶的相關(guān)要求，初步給出按照選型、設(shè)計(jì)和仿真三個(gè)方面的設(shè)計(jì)。

1? 客戶要求和正時(shí)鏈系統(tǒng)的選型

1.1 客戶要求

設(shè)計(jì)之初，客戶都會(huì)對(duì)正時(shí)鏈系統(tǒng)有基礎(chǔ)的要求，系統(tǒng)方面比如鏈條的類(lèi)型和疲勞極限、鏈系統(tǒng)噪音的要求、發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率和正時(shí)鏈系統(tǒng)的摩擦功要求等;具體的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)比如曲軸鏈輪的齒數(shù)、液壓張緊器的布置、滑軌的材料等。所有這些輸入要求都是來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的自身定位和相關(guān)的缸體缸蓋等邊界要求，這些要求都會(huì)在正時(shí)鏈系統(tǒng)的選型和具體設(shè)計(jì)中體現(xiàn)。

1.2 正時(shí)鏈系統(tǒng)選型

正時(shí)鏈系統(tǒng)選型主要包括鏈條的選型、滑軌材料的選型、液壓張緊器的選型、上導(dǎo)軌壓入形式的選型等，主要分析如下：

關(guān)于正時(shí)鏈條主要有三種類(lèi)型，齒形鏈、套筒鏈和滾子鏈，齒形鏈靜音效果較好，套筒鏈抗磨損，而滾子鏈性能較綜合，隨著各個(gè)主機(jī)廠對(duì)NVH要求越來(lái)越高，當(dāng)下齒形鏈應(yīng)用的越來(lái)越普遍。根據(jù)不同的應(yīng)用需求，鏈條還可以按照節(jié)距分為6.35mm、8mm、9.525mm等，考慮到多邊形效應(yīng)目前6.35mm節(jié)距應(yīng)用的較為廣泛。

關(guān)于滑軌材料，當(dāng)下較為普遍使用的是PA66、PA46、PA66-PTFE等，主要依據(jù)主機(jī)廠對(duì)鏈系統(tǒng)摩擦功損失的要求，PA46抗摩擦功損失和抗磨損性能較好，當(dāng)然成本也高些，目前PA66使用最為廣泛。

關(guān)于液壓張緊器的選擇，依據(jù)正時(shí)鏈條是否防跳齒分為有棘齒功能和非棘齒功能張緊器，一般來(lái)說(shuō)，選擇齒形鏈正時(shí)鏈條的會(huì)搭配棘齒功能張緊器，主要是因?yàn)閷?duì)于齒形鏈鏈輪而言，齒根圓和齒頂圓距離較近容易造成跳齒失效。當(dāng)然，選擇時(shí)也會(huì)綜合考慮layout布局時(shí)計(jì)算的柱塞伸長(zhǎng)量，若伸長(zhǎng)量較小時(shí)可以選擇非棘齒功能張緊器。

關(guān)于上導(dǎo)軌壓入形式的選擇，壓入式有利于正時(shí)鏈系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的穩(wěn)定，非壓入式的上導(dǎo)軌則有利于正時(shí)鏈系統(tǒng)摩擦功的損失。當(dāng)下，提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率減小摩擦功損失是重要趨勢(shì)，很多主機(jī)廠更愿意選擇非壓入式的上導(dǎo)軌。

2? 正時(shí)鏈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是嚴(yán)格按照一定的原則和流程進(jìn)行的，其具體的設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)部分：layout布局、3D設(shè)計(jì)、2D設(shè)計(jì)。

2.1 layout布局

在發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)端邊界的基礎(chǔ)上，結(jié)合正時(shí)鏈系統(tǒng)的選型而定義的參數(shù)進(jìn)行l(wèi)ayout布局，依據(jù)運(yùn)算結(jié)果對(duì)當(dāng)前的layout布局進(jìn)行優(yōu)化，主要包括鏈條力和張緊器柱塞力的比值系數(shù)，自由鏈節(jié)數(shù)、動(dòng)/定導(dǎo)軌的半徑大小等。layout布局是整個(gè)正時(shí)鏈系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，對(duì)正時(shí)鏈系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能以及耐久磨損具有重要意義。

2.2 3D設(shè)計(jì)

Layout布局輸出正時(shí)鏈系統(tǒng)的型線參數(shù)，依據(jù)此型線進(jìn)行3D設(shè)計(jì)，一般在CreO中完成。3D設(shè)計(jì)時(shí)滿足型線是基礎(chǔ)要求，同時(shí)依據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算要保證零部件的力學(xué)性能和熱脹冷縮對(duì)于尺寸的影響，對(duì)于塑料件尤為重要。不僅如此，還要依據(jù)正時(shí)端邊界參數(shù)來(lái)保證正時(shí)鏈系統(tǒng)零部件的安全距離參數(shù)。此外，便于生產(chǎn)也是一個(gè)重要要求。圖1是一個(gè)典型的正時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)數(shù)模。

2.3 2D設(shè)計(jì)

所有的零部件最終還是得依據(jù)2D圖紙進(jìn)行生產(chǎn)和檢驗(yàn)，在基于3D數(shù)模的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確的將所有形狀用2D展示出來(lái)，同時(shí)對(duì)重要的形狀和裝配位置進(jìn)行尺寸和公差的定義。標(biāo)準(zhǔn)公差時(shí)不僅要考慮零部件本身還要充分考慮供應(yīng)商的生產(chǎn)能力，在確保供應(yīng)商能生產(chǎn)的基礎(chǔ)上保證零部件尺寸，否則，無(wú)論是過(guò)設(shè)計(jì)抑或設(shè)計(jì)不足，都會(huì)影響到零部件的質(zhì)量和成本。

3? 正時(shí)鏈系統(tǒng)的仿真

正時(shí)鏈系統(tǒng)仿真包括動(dòng)力學(xué)仿真和靜力學(xué)仿真，是確定正時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案有效性的重要步驟，通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真可以初步判定正時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，如鏈條力、凸輪軸角振動(dòng)和液壓張緊器柱塞振動(dòng)位移等;通過(guò)靜力學(xué)仿真可以直觀的判斷零部件的設(shè)計(jì)強(qiáng)度和變形量等。

3.1 正時(shí)鏈系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真

正時(shí)鏈系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真能初步地展示整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，主要包括系統(tǒng)輸入、系統(tǒng)仿真和系統(tǒng)輸出三個(gè)部分。系統(tǒng)輸入包括客戶端的激勵(lì)和鏈系統(tǒng)供應(yīng)商端的系統(tǒng)參數(shù)，有曲軸的轉(zhuǎn)速不均勻性、凸輪軸驅(qū)動(dòng)扭矩（包含高壓油泵、真空泵等）、液壓張緊器低壓腔的機(jī)油壓力波動(dòng)、凸輪軸系統(tǒng)質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;鏈條參數(shù)、液壓張緊器參數(shù)、動(dòng)/定導(dǎo)軌質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及系統(tǒng)的layout布局等。圖2是一個(gè)典型的動(dòng)力學(xué)仿真輸入模型。

系統(tǒng)仿真先是確定高壓油泵的相位角，通過(guò)疊加效應(yīng)使得凸輪軸整體的驅(qū)動(dòng)負(fù)載最小化和均勻化，然后進(jìn)行“3X3”組合運(yùn)算，即三組油溫40℃/90℃/120℃和三組液壓張緊器卸油間隙參數(shù)的組合，盡可能地考慮到不同油溫、不同負(fù)載工況和液壓張緊器組裝的變化，充分的模擬實(shí)際可能出現(xiàn)的組合和極限情況。

系統(tǒng)輸出即正時(shí)鏈系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能參數(shù)，包括鏈條力、凸輪軸角振動(dòng)和液壓張緊器柱塞振動(dòng)位移等。鏈條力是最重要的參數(shù)，它表征著系統(tǒng)的摩擦功損失和鏈條伸長(zhǎng)率的大小，包括平均鏈條力和最大鏈條力，原則上越小越好，最大不超過(guò)鏈條的旋轉(zhuǎn)疲勞極限值;凸輪軸角振動(dòng)表征著正時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)的精度，是保證凸輪軸轉(zhuǎn)角位置的重要參數(shù)，一般要求誤差±2°曲軸轉(zhuǎn)角;液壓張緊器柱塞振動(dòng)位移表征著系統(tǒng)是否平順?lè)€(wěn)定，一般要求在3mm范圍內(nèi)。

3.2 正時(shí)鏈系統(tǒng)靜力學(xué)仿真

正時(shí)鏈系統(tǒng)的靜力學(xué)仿真主要判斷各個(gè)零部件是否滿足強(qiáng)度要求，如系統(tǒng)中的動(dòng)導(dǎo)軌、定導(dǎo)軌、上導(dǎo)軌、曲軸鏈輪、機(jī)油泵鏈輪、液壓張緊器鋁殼體等。針對(duì)塑料件主要判定在最大鏈條力作用下的最大應(yīng)變和最大位移，一般情況下，最大應(yīng)變不超過(guò)0.5%，最大位移不超過(guò)2mm，最小安全系統(tǒng)不小于1.5。針對(duì)鈑金件主要在最大鏈條力作用下的最大應(yīng)力不高于屈服應(yīng)力，且最小安全系數(shù)不小于1.5。針對(duì)鏈輪主要判定在最大鏈條力作用下的齒部的疲勞安全系數(shù)，根據(jù)鏈輪的材料選擇適應(yīng)性的系數(shù)，一般不小于1.5。

參考文獻(xiàn)：

[1]張志香，蘇鐵熊，鄭國(guó)璋.469Q汽油機(jī)正時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)械傳動(dòng)，2011，035（003）：37-39.

[2]趙凡，胡珍珍，侯俊鵬，等.基于MATLAB雙頂置同步帶正時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算機(jī)仿真分析[J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2020（5）：10-13.

[3]王貴明，王金懿.電動(dòng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈鏈的理想運(yùn)行模式探討[J].汽車(chē)工業(yè)研究，2011（2）：10-18.

[4]程亞兵，王洋，李磊，等.汽車(chē)V型發(fā)動(dòng)機(jī)用正時(shí)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2015，45（1）.

[5]王艷華，喬安平，張文麗.469Q汽油機(jī)正時(shí)同步帶傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)特性的分析研究[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2008（01）：6-8.