張 瑩 魯志遠(yuǎn) 趙乃博 袁 爽

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江吉利動力總成有限公司）

引言

正時系統(tǒng)連接凸輪軸、配氣機(jī)構(gòu)和曲軸，從而在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時提供連續(xù)同步的旋轉(zhuǎn)，鏈傳動系統(tǒng)因其免維護(hù)優(yōu)勢在汽車發(fā)動機(jī)上應(yīng)用越來越多[1]。正時鏈傳動系統(tǒng)通常是由正時鏈條、凸輪軸鏈輪、正時鏈條導(dǎo)向軌、張緊軌、曲軸鏈輪、正時鏈條張緊器等零件組成[2]。其中任何一個部件的異常都可能造成整個系統(tǒng)的失效，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)故障甚至報(bào)廢。

本文分析一款四缸發(fā)動機(jī)的正時鏈傳動系統(tǒng)在臺架耐久試驗(yàn)過程中由正時鏈條張緊軌斷裂燒熔失效引發(fā)的系統(tǒng)可靠性問題，通過對系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)優(yōu)化與驗(yàn)證，有效解決了正時系統(tǒng)潛在風(fēng)險問題，并對后續(xù)設(shè)計(jì)開發(fā)提供了指導(dǎo)思路。

1 背景

該發(fā)動機(jī)的正時系統(tǒng)布局如圖1 所示，在進(jìn)行臺架耐久實(shí)驗(yàn)拆機(jī)發(fā)現(xiàn)，正時鏈條張緊軌斷裂，并有燒熔現(xiàn)象，如圖2 所示。

圖1 正時系統(tǒng)布局

圖2 斷裂張緊軌

2 失效分析

2.1 故障件分析

正時鏈條張緊軌是由PA66 導(dǎo)條和支架構(gòu)成，通過對支架斷口進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在與導(dǎo)軌接合面出現(xiàn)了燒熔現(xiàn)象，如圖3 所示，因此可以判斷支架斷裂的主要原因是斷裂處出現(xiàn)塑料燒熔導(dǎo)致其強(qiáng)度降低，在受到鏈條的沖擊后彎曲斷裂。

圖3 支架斷口

2.2 原因分析

根據(jù)初步的斷口分析并結(jié)合圖4 所示的魚骨刺分析圖，對問題進(jìn)行剖析，找出潛在失效的可能原因，逐一進(jìn)行排查。

圖4 魚骨刺分析圖

2.2.1 自身設(shè)計(jì)排查

1）材料無法承受高溫而變形受損

導(dǎo)軌與支架的材料均為PA66，材料本身缺點(diǎn)是不耐老化，在高溫作用下，分子鏈易斷裂，材料的性能易受到損傷，直接導(dǎo)致材料的使用壽命縮短[3-4]。PA66是一類塑料的總稱，實(shí)際還細(xì)分為多種不同牌號。本次試驗(yàn)件的材料為巴斯夫PA66 A3K，屬于低分子材料，一般不適用于摩擦副，且其材料的耐溫性能僅為120 ℃。而發(fā)動機(jī)正時鏈罩內(nèi)環(huán)境溫度很可能會超過該溫度值，為進(jìn)一步確認(rèn)耐溫性，我們對其原材料進(jìn)行耐溫性試驗(yàn)，試驗(yàn)后狀態(tài)如圖5 所示，在130 ℃時出現(xiàn)氣泡。由此推斷材料耐溫性能差，無法承受高溫。

圖5 PA66 A3K 材料130 ℃耐溫試驗(yàn)后狀態(tài)

2）材料強(qiáng)度不足

如前所述，故障件的導(dǎo)軌材料A3K 屬于低分子材料，其強(qiáng)度很低，因此材料選擇的時候需要考慮其強(qiáng)度性能。

3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)支撐強(qiáng)度不足

通過統(tǒng)計(jì)競品情況發(fā)現(xiàn)，材料同為PA66 的支架，大部分競品通過使用玻纖或者金屬來保證支架的強(qiáng)度，從而保證整體組件的強(qiáng)度。通過CAE 強(qiáng)度分析，結(jié)果如圖6 所示，在斷裂處變形量最大，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上需要優(yōu)化。

2.2.2 正時張緊器設(shè)計(jì)排查

正時鏈條張緊器通過內(nèi)部液壓系統(tǒng)及彈簧機(jī)構(gòu)自動張緊鏈條，緩沖傳動過程中多邊型效應(yīng)，以及凸輪軸、曲軸轉(zhuǎn)動過程中周期性轉(zhuǎn)矩變化帶來的高頻振動，吸收發(fā)動機(jī)工作時傳動系統(tǒng)中的沖擊載荷，保證正時傳動的精確，延長鏈條、鏈輪的使用壽命和減小傳動噪聲。正時鏈條張緊器阻尼力的主要影響參數(shù)有：泄油間隙、柱塞彈簧力、單向閥泄漏量、PRV 閥流量（如有）。

為排查正時張緊器阻尼力對系統(tǒng)的影響，采用如表1 所示的兩種方案張緊器，進(jìn)行50 h 全速全負(fù)荷試驗(yàn)驗(yàn)證，查看導(dǎo)軌仍然存在燒熔現(xiàn)象。由此排除張緊器導(dǎo)致該問題的產(chǎn)生。

表1 正時張緊器驗(yàn)證方案

2.2.3 正時系統(tǒng)設(shè)計(jì)排查

1）正時系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)排查

對正時系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)仿真計(jì)算，計(jì)算鏈條在某一固定點(diǎn)位置的一個周期內(nèi)的內(nèi)力變化情況。首先搭建如圖7 所示的鏈系統(tǒng)動態(tài)仿真模型，計(jì)算受力點(diǎn)位置是P1～P6 點(diǎn)。鏈條內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如圖8a～f所示鏈條最大張力在P1 處為1 339.26 N，滿足鏈條旋轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度小于2 000 N 的要求；張緊器柱塞最大位移結(jié)果如圖9 所示，0.42 mm 滿足小于1.8 mm 的設(shè)計(jì)要求[5]。由此排除系統(tǒng)布局不合理的問題。

圖7 模型及受力點(diǎn)位置示意圖

圖8 鏈條內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

圖9 張緊器柱塞位移

2）正時張緊器選型不匹配排查

為進(jìn)一步確認(rèn)系統(tǒng)的受力情況，通常會進(jìn)行鏈系統(tǒng)的動態(tài)測試，確認(rèn)實(shí)際與理論仿真分析的差異，同時匹配更適合的張緊器。本次試驗(yàn)在選擇匹配的張緊器同時也分別對塑料分體式導(dǎo)軌和帶鋼板的導(dǎo)軌進(jìn)行測試對比，以便于做導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的選型。

測試條件和測試項(xiàng)目如表2、表3 所示。

表2 測試條件

表3 測試選型張緊器技術(shù)狀態(tài)

整理出各工況下的最大鏈條受力及張緊器位移進(jìn)行對比分析，測試數(shù)據(jù)如圖10～圖12 所示。從數(shù)據(jù)上分析可知，實(shí)測數(shù)據(jù)均可滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，但塑料分體導(dǎo)軌的受力大于帶鋼板結(jié)構(gòu)的導(dǎo)軌，優(yōu)先選用帶鋼板結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌。

圖10 松邊鏈條張力

圖11 緊邊鏈條張力

圖12 張緊器柱塞位移

從受力及柱塞的位移上分析，1#和3#方案的緊邊鏈條張力值最小，柱塞位移處于居中水平，因此可以將張緊器的方案鎖定為柱塞間隙0.03～0.04 mm，泄油槽面積0.04～0.08 mm2。

3 措施設(shè)定及驗(yàn)證

根據(jù)以上的分析及排查，制定整改措施如下：

1）塑料導(dǎo)軌材料指定選用巴斯夫A4H；

2）導(dǎo)軌由分體式更改為帶鋼板結(jié)構(gòu)；

3）正時緊鏈器柱塞間隙調(diào)整為0.03～0.04 mm，泄油槽面積0.04～0.08 mm2。

采用整改方案后的正時系統(tǒng)經(jīng)過多輪的循環(huán)耐久、冷熱沖擊及GED 耐久試驗(yàn)，均未發(fā)生任何失效，且系統(tǒng)磨損狀況良好，整改方案有效。

4 結(jié)論

正時鏈系統(tǒng)的失效模式有很多種，本文對張緊軌燒熔的失效進(jìn)行系統(tǒng)分析及排查，并進(jìn)行相關(guān)的仿真分析、測試驗(yàn)證，對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，有效地解決了失效問題的發(fā)生。總結(jié)經(jīng)驗(yàn)如下：

1）導(dǎo)軌的材料選擇要考慮應(yīng)用環(huán)境及性能要求，避免選擇性能不足的材質(zhì)。

2）通過測試，對比不同導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)對于系統(tǒng)受力的影響，選擇最優(yōu)的結(jié)構(gòu)應(yīng)用。

3）選擇適合的張緊器設(shè)計(jì)參數(shù)，同樣能夠達(dá)到性能最佳。

希望以上的經(jīng)驗(yàn)對于國內(nèi)主機(jī)廠在正時系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化時可以提供有益的借鑒。