正時鏈系統(tǒng)磨損對配氣相位的影響及設(shè)計預(yù)防

王寧 岳超超 齊歡寧

摘要：本文先分析了影響正時鏈系統(tǒng)磨損的因素和磨損發(fā)生的機(jī)理，隨后分析了正時鏈系統(tǒng)磨損對配氣相位的潛在影響，并量化了由磨損導(dǎo)致的正時傳動相位滯后γ，進(jìn)一步詳述了γ對發(fā)動機(jī)可靠性、性能的影響。最后，本文提出了降低正時鏈系統(tǒng)磨損對配氣相位影響的設(shè)計預(yù)防措施，并提出了設(shè)計預(yù)提前配氣相位抵償部分傳動相位滯后γ的方法。

關(guān)鍵詞：正時鏈系統(tǒng)；磨損機(jī)理；配氣相位；傳動相位滯后；設(shè)計預(yù)防

1. 前言

鏈條傳動、齒形皮帶傳動和齒輪傳動是發(fā)動機(jī)正時傳動的三種方式[1]。近年來，隨著頂置凸輪軸（OHC）成為新型發(fā)動機(jī)的設(shè)計主流，正時齒輪傳動已逐漸淡出，尤其是在乘用車發(fā)動機(jī)領(lǐng)域，幾乎所有的新發(fā)動機(jī)設(shè)計中都選擇了正時鏈或齒形皮帶傳動。

一般來說，正時鏈傳動的優(yōu)點主要是使用壽命長、布置空間小和可靠性好。然而，正時鏈系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)同壽命，就要求正時鏈系統(tǒng)必須具備極佳的抗磨損性能，同時在發(fā)動機(jī)設(shè)計過程中，也應(yīng)該綜合考慮到正時鏈系統(tǒng)磨損對發(fā)動機(jī)整機(jī)的可靠性、耐久性以及性能的影響，并在性能需求和開發(fā)成本間做好平衡。

2. 正時鏈系統(tǒng)的磨損機(jī)理

研究正時鏈系統(tǒng)磨損的機(jī)理，應(yīng)先了解系統(tǒng)的構(gòu)成、運動特性和工作邊界。

正時鏈系統(tǒng)一般包含了正時鏈條、曲軸鏈輪、凸輪軸鏈輪、鏈條定軌、鏈條動軌和張緊器六個組件。其傳動的本質(zhì)是多邊形傳動。鏈條嚙合在鏈輪上，形成一個邊數(shù)與鏈輪齒數(shù)相等的正多邊形，即使當(dāng)主動輪勻速轉(zhuǎn)動時，鏈條的線速度和從動輪的角速度也是周期變化的，而速度的周期變化就會導(dǎo)致系統(tǒng)零件受力周期變化。在實際發(fā)動機(jī)中，主動輪也就是曲軸鏈輪固定在曲軸上，其轉(zhuǎn)速與發(fā)動機(jī)工況直接相關(guān)；但由于發(fā)動機(jī)燃燒周期和曲軸本身的扭振效應(yīng)影響，曲軸鏈輪處的轉(zhuǎn)速輸入是波動的。

而從動輪也就是凸輪軸鏈輪，其速度特性由主動輪的速度特性決定，但其負(fù)載特性由凸輪軸的負(fù)載，即配氣機(jī)構(gòu)運動特性決定。凸輪軸的負(fù)載，最主要的是控制氣門打開和關(guān)閉過程中克服的氣門彈簧力和系統(tǒng)慣性力；在四沖程發(fā)動機(jī)中，曲軸每旋轉(zhuǎn)兩圈，單缸氣門打開一次，也就是凸輪軸旋轉(zhuǎn)一圈，而（直列）發(fā)動機(jī)有幾個汽缸，凸輪軸上便有幾組凸輪控制每一缸的氣門。因此凸輪軸的負(fù)載也就體現(xiàn)為，曲軸的720°轉(zhuǎn)角（兩圈）、凸輪軸360°轉(zhuǎn)角內(nèi)，存在與汽缸數(shù)相同數(shù)量的扭矩峰值，如圖1便是典型直列四缸發(fā)動機(jī)的凸輪軸扭矩曲線圖。

綜上所述，鏈系統(tǒng)本身的多邊形效應(yīng)、曲軸鏈輪處的轉(zhuǎn)速波動以及凸輪軸的扭矩周期負(fù)載，構(gòu)成正時鏈系統(tǒng)的力學(xué)和運動學(xué)特性，在這些特性的作用下，隨著發(fā)動機(jī)持續(xù)工作，正時鏈系統(tǒng)的各個部件均會因受力而發(fā)生不同程度的磨損。國外一些權(quán)威系統(tǒng)供應(yīng)商習(xí)慣上將正時鏈系統(tǒng)的磨損全部折算為鏈條的磨損伸長，且從統(tǒng)計數(shù)據(jù)上來看，一般僅正時鏈條本身的磨損占系統(tǒng)磨損總量的75%左右[2]。

鏈條的磨損是由于其本身的結(jié)構(gòu)決定的。鏈條實際上是由很多組鉸鏈構(gòu)成，這些鉸鏈組在正時鏈系統(tǒng)的力學(xué)和運動學(xué)特性影響下，在運行過程中不斷發(fā)生磨損，疊加起來形成的鏈條整體的磨損。圖2是套筒鏈和齒型鏈的鉸鏈組圖示，另一種常用的鏈條滾子鏈其結(jié)構(gòu)與套筒鏈相似，僅是在套筒外還有一圈滾子。圖中可以看出，套筒鏈（以及滾子鏈）的鉸鏈組是由固定在內(nèi)鏈板上的套筒與固定在外鏈板上的銷軸構(gòu)成的，其磨損部位是套筒內(nèi)壁與銷軸外圓（左圖中紅色）；而齒型鏈的鉸鏈組是由固定在部分鏈板上的銷軸與其余鏈板的通孔構(gòu)成的，其磨損部位是銷軸外圓與部分鏈板的內(nèi)孔壁（右圖中紅色）。

鏈條的磨損伸長率與運行時間的關(guān)系見圖4。從圖中可以明顯看出，不同型號的鏈條其在運行后的磨損量有差異，但是磨損量的變化趨勢一致。鏈條的磨損的初期，即磨合階段中，曲線斜率較大，這是由于鏈條加工裝配的各摩擦副表面具有宏觀和微觀的幾何缺陷，磨合中實際表面鋒點接觸應(yīng)力高，劇烈磨損。磨合期之后進(jìn)入正常磨損階段，磨損曲線斜率變小，此時各摩擦副在幾何上貼合，同時伴隨著表面層結(jié)構(gòu)和物理性能的變化，獲得了適合工況條件的穩(wěn)定表面性質(zhì)；正常磨損階段磨損伸長率和運行時間呈近似線性關(guān)系。了解正時鏈磨損的規(guī)律，可以幫助我們確定其對發(fā)動機(jī)配氣相位的影響和發(fā)生的規(guī)律，并能進(jìn)一步指導(dǎo)如何在設(shè)計初期對這些潛在的影響做出正確的規(guī)避措施。

磨損伸長率（%）持續(xù)運行時間（小時）

[參考文獻(xiàn)]

[1]周龍保，內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M]，機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2]Dr.Thomas Fink，Innovative Solutions for Timing Drives of Modern Combustion Engines[M]，2011.

[3]BorgWarner Morse TEC，Diesel Chain Technology[M]，2010.

[4]Holger Bodenstein，Comparison of Different Chain Types[M]，2009.

[5]吉村芳高，ローラチエーン傳動の最近の技術(shù)動向（2），機(jī)械の研究，1992，44（3）