減少鏈傳動機構靡擦的可能性

【德】 Fink T Bodenstein H

1 基本原理

首先，要確定鏈傳動機構內部產生摩擦的準確位置，以及這些摩擦組成部分占總摩擦的比例。計算和試驗結果表明，大部分摩擦發生在傳動鏈與鏈軌的接觸點，以及傳動鏈鉸鏈本身內部，只有一小部分來自于傳動鏈與鏈輪齒的嚙合。鏈傳動的摩擦損失可分為靜態的和動態的2種，摩擦份額的典型分布如圖1所示。鏈傳動的基本設計、采用的傳動鏈類型、鏈軌上摩擦襯片使用的材料，以及鏈傳動的潤滑是影響靜摩擦損失的主要因素。曲柄連桿機構和配氣機構的激勵、張緊鏈輪阻尼、鏈傳動組件的質量比和剛性比，以及噴油泵的相位角和鏈輪的宏觀幾何結構主要影響摩擦損失的動態份額。

2 傳動鏈內部的靡擦

除傳動鏈類型和尺寸規格外，傳動鏈鉸鏈內部的摩擦還受到摩擦環境（齒形鏈的銷軸鏈板、滾子鏈或套筒鏈的定位銷軸套、使用的潤滑劑）的廣泛影響。圖2給出了3種傳動鏈設計結構（套筒鏈、滾子鏈和齒形鏈）中傳動鏈鉸鏈幾何結構在原理方面的差異。清晰可見，齒形鏈存在系統性的缺陷，即在同等設計寬度的情況下，與其他傳動鏈設計結構相比，其涉及磨損的鉸鏈接合面小了約35%～40%。根據樣帶法，對用電動機傳動發動機的研究表明，套筒鏈具有明顯的摩擦優勢，而齒形鏈的摩擦扭矩要高約30%（圖2）。這思味著滾子鏈在低噪聲的齒形鏈和耐摩擦磨損的套筒鏈兩者之間獲得了良好的折衷。不過，在這些研究中，必須確保在使用各種不同的、傳動鏈類型時，鏈線（即傳動鏈在正時傳動內運行，包括張緊元件和導向元件使用的半徑）都保持不變。鏈軌幾何結構的偏差會直接影響傳動鏈和導向件之間的法向力，顯然，又會影響到摩擦力，假定摩擦系數保持不變。

根據最佳摩擦鏈型式的定義，試圖通過改變銷軸上的涂覆層達到進一步減摩的目的。經過Iwis發動機系統公司不失時機地研發，目前，已在批量生產中可運用一種創新的IC＋技術。與標準工藝（IC技術）相比，新技術可使摩擦扭矩降低10%～20%。這2種技術是建立在馬氏體銷軸上涂覆10～20μm 碳化鉻涂層的基礎上的。IC＋技術代表了鍍鉻工藝的優化提高，優化了與摩擦和磨損有關的參數（圖3）。

如果將IC＋技術與傳動鏈鏈板精密沖裁工藝相結合，由此取代市場上慣用的切削-修整工藝，那么，V 型發動機在2 000 r/min時可使摩擦功率損失減少約55 W，在5 000 r/min時可使摩擦功率損失減少約145 W。顯然，Iwis發動機系統公司將對鏈銷軸進行深人研究，以增大其在這一領域的優勢，同時大幅提高傳動鏈的耐磨損能力，特別是在發動機苛刻的潤滑環境下的耐磨損能力。

3 正時鏈與鏈軌之間的靡擦

鏈傳動機構的第2個主要摩擦部位是在正時鏈與導向件（張緊鏈軌和鏈導軌）之間的接觸點。針對導向件的接觸面結構設計，選用一種低成本的聚酰胺（PA66或PA46）作為導向件的接觸面材料，并采用注塑成型工藝能獲得優異的表面品質。各供應商都計劃使用各種不同的、具有提高減摩潛能的化合物。Iwis發動機系統公司的任務是要測定各種材料組合的性能，并得出這些被測材料組合之間的摩擦差異。為此專門擬定了試驗程序，并對運用注塑成型技術制出的組件進行檢測。這里，特別關注潤滑條件、機油溫度和引人傳動鏈的作用力。研究表明，選擇適當的材料可使傳動鏈與鏈軌之間接觸點的摩擦減少10%（圖4）。

當前的研究項目旨在通過創建理想的表面構造（凹槽、環槽、扇形體等）進一步挖掘其減摩潛力，而進一步優化鏈軌表面構造是這一研究項目的1個組成部分。該公司與1家研究所合作開發了一種塑料化合物，這種化合物專門考慮到了鏈傳動用途及內燃機的內在條件。這2項研究的結果將在規定時間內以獨立報告形式發布。然而，初步研究結果表明，由此能獲得進一步顯著改善。

4 為減靡所采取的構造措施

設計師通過優化鏈線形狀能使鏈傳動減摩獲得良好的效果。避免彎曲張緊和鏈導軌過緊，可減小傳動鏈作用在鏈軌上的法向力，基于設計構造的原因，隨之產生的摩擦力也減小。鏈傳動機構采用高度彎曲、安裝空間限制的、已投人量產的鏈導軌（圖5），由此形成了最佳的結構設計，并對其進行了模擬評價。研究表明：如果同時也對傳動鏈張緊輪和張緊系統機油供給進行調整，那么，這一措施能使摩擦損失減少70%。圖6顯示，這效應主要歸功于對鏈導軌幾何結構的優化，由此，進一步挖掘出了傳動鏈張緊輪優化的潛力。

2008年10月公布了關于齒形皮帶傳動與鏈傳動的系統性對比結果，齒形皮帶傳動具有降低二氧化碳（CO2）排放的優勢，但并未做出具體結論，而僅將最佳齒形皮帶傳動布置方式與折衷的鏈傳動布置方式進行了對比。然而，將優化的鏈傳動與最佳的齒形皮帶傳動進行比較，并未得出先前做出的肯定結論，反而驗證了鏈傳動的摩擦優勢。德國IAV 有限公司針對理論上的減摩潛力進行了試驗驗證，闡述了優化鏈導軌結構對減小摩擦的作用。當機油溫度為90℃時，矯直鏈導軌可使整個發動機轉速范圍內的摩擦扭矩降低0.25 N·m。

因此，在發動機結構設計和確定主要尺寸時，就其對鏈傳動摩擦的影響進行了檢驗，以盡早發現問題，優化其結構。

5 結語

近年來，Iwis發動機系統公司對鏈傳動機構的所有組件，以及基本的設計理念進行了持續不斷的改進。通過為傳動鏈和導向件選擇適當的材料和制造方法，以及對鏈傳動機構進行改進，摩擦損失功率可減少500～1 000 W，從而使CO2的減排量達到約2 g/km。在這一背景下，發動機設計師們進行了廣泛交流，Iwis發動機系統公司被視作鏈傳動的開發伙伴，這兩者至關重要。

對塑料進行材料分析及優化導向件的結構，可挖掘出更多的減摩潛力。此外，在鏈銷軸上施加涂層，使其具有耐摩擦和抗磨損的能力。