非圓凸輪軸帶輪對正時皮帶傳動系統的影響

劉雪梅，王時光，普楠，李強，王瑞平，2

(1.浙江吉利羅佑發動機有限公司，浙江寧波 315800；2.寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，浙江寧波 315336)

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非圓凸輪軸帶輪對正時皮帶傳動系統的影響

劉雪梅1，王時光1，普楠1，李強1，王瑞平1，2

(1.浙江吉利羅佑發動機有限公司，浙江寧波 315800；2.寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，浙江寧波 315336)

采用仿真模擬分析了非圓凸輪軸帶輪對正時皮帶傳動系統的影響。以某3缸增壓缸內直噴汽油機為例，首先確定了正時系統的負載，并考慮了VVT和曲軸轉速波動的影響，仿真分析非圓凸輪軸帶輪對正時皮帶受力、皮帶顫振及曲軸與凸輪軸相對角度偏差的影響。結果表明：采用非圓凸輪軸帶輪不能優化皮帶受力，能使各工況下的皮帶顫振、曲軸與凸輪軸相對角度偏差滿足設計要求。研究結果對改善正時皮帶傳統系統的動態性、提高正時皮帶壽命及發動機的可靠性具有重要意義。

非圓帶輪；正時皮帶傳動系統；曲軸轉速波動；皮帶受力；皮帶顫振；曲軸與凸輪軸相對角度偏差

0 引言

汽車發動機正時傳動系統一般分為齒輪傳動、鏈傳動和皮帶傳動。鏈傳動是目前汽油機正時系統最常見的傳動方式，具有免維修、高可靠性以及與車輛同壽命等優點[1]，但相對皮帶傳動噪聲較大[2]。傳統皮帶傳動成本低、質量輕、噪聲小，但皮帶壽命短，維護成本高。隨著對整車NVH性能要求的日趨嚴苛，長效正時皮帶技術的日趨成熟，目前已有較多汽油機采用正時皮帶傳動系統，比如：福特1.0T EcoBoost、PSA 1.2THP、大眾1.4TSI等。

如何改善正時皮帶傳動系統的動態性，提高正時皮帶的壽命，使正時皮帶與整車同壽命，是決定正時皮帶傳動系統能否成為汽油機正時系統主流選擇的關鍵。

由萊頓發明的非圓帶輪或鏈輪(Smart Sprocket)能有效降低和控制正時系統動態性，降低正時皮帶或鏈條的受力[3-4]，提高發動機可靠性。

因此研究非圓凸輪軸帶輪對正時皮帶傳動系統的影響，對提高正時皮帶壽命及發動機的可靠性具有重要意義。

目前，已有許多學者運用試驗與仿真分析方法研究非圓帶輪或鏈輪對正時系統的影響。李加旺[5]通過理論分析、仿真模擬以及在臺架上對比測試，研究了非圓曲軸帶輪對某2.0 L汽油機的凸輪軸扭振、張緊器擺幅、皮帶張力的影響。而目前關于非圓凸輪軸帶輪對正時皮帶傳動系統的影響還沒有相關的研究報道。

1 正時系統負載確定

某3缸增壓缸內直噴汽油機正時系統模型見圖1。

圖1 正時系統模型示意圖

由進、排氣VVT帶輪、曲軸帶輪、張緊輪、惰輪及正時皮帶組成。

文中研究了3種發動機工況[滿載(FL)、部分載荷100 N·m(PL 100 N·m)、倒拖(MOT)]下非圓凸輪軸帶輪對正時皮帶傳動系統的影響。正時系統的負載包括進、排氣凸輪軸負載和制動負載，同時考慮了VVT和曲軸轉速波動對其的影響。

1.1 VVT影響

該增壓直噴發動機采用了可變氣門正時系統(VVT)，該系統會對發動機的進、排氣相位進行調節，從而影響到進、排氣凸輪軸負載。VVT調節角度見圖2。

圖2 VVT調節角度

1.2 曲軸轉動波動影響

在計算正時系統負載時，考慮了曲軸轉速波動的影響。不同發動機工況的曲軸轉動波動見圖3。

圖3 曲軸轉速波動

1.3 進、排氣凸輪軸負載

該增壓直噴發動機進、排氣凸輪軸負載示意圖，如圖4所示。

圖4 進、排氣凸輪軸負載示意圖

1.3.1 進氣凸輪軸負載

進氣凸輪軸驅動進氣門和水泵。水泵負載見圖5。進氣凸輪軸凸輪最大接觸應力結果見圖6(圖中虛線為凸輪材料能承受的最大接觸應力1 500 MPa)。

圖5 水泵負載

圖6 進氣凸輪軸凸輪最大接觸應力

1.3.2 排氣凸輪軸負載

排氣凸輪軸驅動排氣門、高壓油泵和真空泵。排氣凸輪軸凸輪最大接觸應力見圖7，高壓油泵負載見圖8，真空泵負載見圖9。

圖7 排氣凸輪軸凸輪最大接觸應力

圖8 高壓油泵負載(倒拖工況不考慮高壓油泵負載)

圖9 真空泵負載

1.4 制動扭矩及功率

該增壓直噴發動機制動扭矩及功率見圖10。

圖10 制動扭矩及功率

2 仿真分析非圓凸輪軸帶輪對正時皮帶傳動系統的影響

根據已經確定的正時系統負載，在仿真軟件中建立了正時皮帶傳動系統模型，設定了正時皮帶的相關齒形參數。

首先確立了非圓凸輪軸帶輪的最優相位和幅值，然后分析了這一最優化的非圓凸輪軸帶輪對正時皮帶傳動系統的影響。

2.1 非圓凸輪軸帶輪最優相位和幅值的確定

2.1.1 確定關鍵發動機工況

(1)緊邊，滿載，轉速1 800 r/min；

(2)緊邊，倒拖，轉速3 400 r/min；

(3)頂部，倒拖，轉速3 800 r/min。

圖11 采用圓凸輪軸帶輪時的正時皮帶受力

2.1.2 確定非圓凸輪軸帶輪的最優相位和幅值

以一定的相位為步長，仿真分析了采用不同相位時，關鍵發動機工況下的正時皮帶受力。選取能有效降低這些關鍵工況下的正時皮帶受力的相位為非圓凸輪軸帶輪的最優相位。

以一定的幅值為步長，仿真分析了采用不同幅值時，關鍵發動機工況的正時皮帶受力。選取能有效降低這些關鍵工況下的正時皮帶受力的幅值為非圓凸輪軸帶輪的最優幅值。

最后確定排氣VVT帶輪采用相位+5齒，非圓量1.6 mm的三角帶輪，示意圖見圖12。

圖12 最優相位和幅值的非圓凸輪軸帶輪示意圖

2.2 非圓凸輪軸帶輪對正時皮帶受力的影響

圖13為采用非圓凸輪軸帶輪時，正時皮帶緊邊和頂部受力情況。

圖13 采用非圓凸輪軸帶輪時的正時皮帶受力

通過對比發現：

已有研究表明世界上一些國家和地區成為自然災害風險分析的熱點地區，不僅與本地區災害頻發有關，也與該地區高度的國際化水平有關[1-2，9].世界銀行的研究報告中指出因全球金融、貿易等的高速發展，使得自然災害影響的空間波及效應明顯增強[34，38].史培軍等同樣強調在全球化的背景下，互聯網、無線通信等高新信息技術的發展，為巨災風險的時空轉移提供了基礎[7].

(1)滿載(FL)時正時皮帶緊邊最大受力有少許增加；

(2)部分載荷(PL 100 N·m)和倒拖(MOT)時，正時皮帶緊邊最大受力有所下降。但只有部分載荷(PL 100 N·m)下，這一值在皮帶最大受力限值以下。在倒拖(MOT)下，這一值仍大于皮帶最大受力限值；

(3)滿載(FL)和部分載荷(PL 100 N·m)時正時皮帶頂部最大受力有所增加；

(4)倒拖時正時皮帶頂部受力有大幅下降；

(5)皮帶的最小受力仍不能滿足設計要求。

2.3 非圓凸輪軸帶輪對正時皮帶顫振的影響

采用圓凸輪軸帶輪時的皮帶顫振結果見表1，采用非圓凸輪軸帶輪時的皮帶顫振結果見表2。表中第1段為曲軸帶輪-惰輪段，第2段為惰輪-進氣VVT帶輪段，第3段為進氣VVT帶輪-排氣VVT帶輪段，第4段為排氣VVT帶輪-張緊輪段，第5段為張緊輪段到曲軸帶輪段。通過對比可發現：采用非圓凸輪軸帶輪，能降低皮帶顫振的最大值，使所有的皮帶顫振值滿足設計要求。

表2 采用非圓凸輪軸帶輪時的皮帶顫振結果

2.4 非圓凸輪軸帶輪對曲軸和凸輪軸相對角度偏差的影響

采用圓凸輪軸帶輪時的曲軸和凸輪軸相對角度偏差結果見表3，采用非圓凸輪軸帶輪時的曲軸和凸輪軸相對角度偏差結果見表4。表中序號1代表曲軸與排氣凸輪軸前端相對比，序號2代表曲軸與排氣凸輪軸后端相對比，序號3代表曲軸與進氣凸輪軸前端相對比，序號4代表曲軸與進氣凸輪軸后端相對比。對比發現：

(1)采用非圓凸輪軸帶輪后，滿載工況下，曲軸和凸輪軸相對角度偏差有所增加，但仍在8° CA范圍內；

(2)采用非圓凸輪軸帶輪后，部分載荷(PL 100 N·m)和倒拖(MOT)工況下，曲軸和凸輪軸相對角度偏差下降明顯；

(3)采用非圓凸輪軸帶輪后，各工況下的曲軸和凸輪軸相對角度偏差能滿足設計要求。

表3 采用圓凸輪軸帶輪時的曲軸和凸輪軸相對角度偏差結果

表4 采用非圓凸輪軸帶輪時的曲軸和凸輪軸相對角度偏差結果

3 結論

確定了某發動機的正時系統負載，并利用仿真模擬分析了非圓凸輪軸帶輪對正時傳動系統的影響，得到如下結論：

(1)采用非圓凸輪軸帶輪不能優化皮帶受力。

(2)采用非圓凸輪軸帶輪，能使各工況下的皮帶顫振滿足設計要求。

(3)采用非圓凸輪軸帶輪，能使各工況下的曲軸與凸輪軸相對角度偏差滿足設計要求。

【1】馮增銘,王飛,湯樂超,等.汽車用鏈傳動系統設計及動力學分析[M].北京：科學出版社,2014:1-6.

【2】展進,潘利群.正時皮帶傳動及其在發動機的經濟性和NVH特性方面的優勢[J].中國橡膠,2010,26(22):21-24.

ZHAN J,PAN L Q.Advantages of Timing Belt Drive System in the Engine Fuel Economy and NVH Characters[J].China Rubber,2010,26(22):21-24.

【3】SMARTSPROCKETT?Camshaft Torque Cancellation[DB/OL].http://www.litens.com/belttension2.cfm,2015-08-27.

【4】康迪泰克公司.與發動機同壽命的同步帶——康迪泰克革新性泵噴嘴技術同步帶與橢圓形帶輪技術介紹[J].汽車與配件,2008(3):42-43.

Contitech Corporation. A Synchronal Belt Which Lifecycle Is Same as Engine——The Technological about an Innovative Pump-injector and Ellipse Belt Pulley Developed by Contitech[J].Automobile & Parts,2008(3):42-43.

【5】李加旺.帶有偏心輪的發動機正時傳動[D].北京:清華大學,2014.

RS Components加強與菲尼克斯電氣在中國的戰略合作伙伴關系

服務于全球工程師的分銷商Electrocomponents plc (LSE:ECM)集團旗下的貿易品牌RS Components (RS) 公司宣布將加強與菲尼克斯電氣(Phoenix Contact)的戰略合作伙伴關系，后者是工業自動化產品和系統解決方案的領先制造商，產品主要覆蓋電氣連接、電子接口以及工業自動化等領域。

兩家公司于2008年建立的全球戰略合作伙伴關系取得了成功，在此基礎上，雙方將合作范圍擴展到在中國的高層次合作，RS 將支持菲尼克斯電氣未來的市場擴張和開發，充分把握增長中的業務機會。

菲尼克斯(中國)投資有限公司總裁顧建黨表示，“我們很高興與RS達成新的共識。我們相信，RS無可比擬的電子商務能力以及在中國龐大的客戶群體，將為我們兩家公司創造出色的協同效應和機會。通過RS 世界一流的在線平臺，我們將能夠提供適合我們終端客戶的定制解決方案和服務。”

作為菲尼克斯電氣在中國重要的電子商務分銷商合作伙伴，RS將通過該公司的電子商務平臺，結合最高水平的客戶服務，向其全國范圍內的客戶群體提供廣泛的菲尼克斯電氣產品系列。根據雙方商定，RS將加強菲尼克斯電氣在中國市場的推廣，并將所提供的產品從24 000款左右擴充到30 000款左右。該合作為中國電子和工業行業的客戶帶來更多價值和選擇，將從RS先進的上海倉庫向這些客戶提供服務。

RS是全球分銷商，提供涵蓋了超過500 000個部件和組件的一站式服務。除了全面的電子產品以外，公司還提供廣泛的工業產品——從研發、生產到維護和維修作業(MRO)，并具備獨特能力可滿足客戶的少量產品需要。

RS (歐時電子) 亞太區副總裁 Jürgen LAMPERT 表示，“我們與菲尼克斯電氣的伙伴關系是雙贏關系。菲尼克斯電氣是電氣工程和工業自動化領域的全球領先廠商，長期享有出色聲譽。我們與菲尼克斯電氣的高層次合作，將支持我們共同推動在中國的市場發展，并提供如今市場上可獲得的較高水平的客戶服務。”

RS將通過定制的營銷活動推動這一合作伙伴關系，重點在爭取新客戶、推出新產品和進行戰略客戶拓展，借著獲獎的電子商務平臺，為中國市場帶來各種技術創新，并致力為行業提供更好的客戶體驗。

(來源：RS Components，菲尼克斯電氣)

Influences of Non-circular Camshaft Sprocket on Timing Belt Drive System

LIU Xuemei1, WANG Shiguang1,PU Nan1,LI Qiang1,WANG Ruiping1，2

(1.Zhejiang Geely Royal Engine Co.,Ltd., Ningbo Zhejiang 315800,China;2.Ningbo Geely Royal Engine Components Co.,Ltd., Ningbo Zhejiang 315336,China)

The main purpose was to investigate the influence of non-circular camshaft sprocket on timing belt drive system by simulation analysis. Taking one three-cylinder TGDI engine as an example, the load of the timing system of the engine was calculated firstly, and the influences of non-camshaft sprocket on the timing belt force, belt flutter and relative angular deviation between crankshaft and camshaft were simulated, with account of VVT and crankshaft irregularity. The results show that belt force can’t be optimized, but belt flutter and relative angular deviation between crankshaft and camshaft can reach the design requirements by using non-circular camshaft sprockets. This research has great significance to improve the dynamic characters of timing belt drive system, increase the life of timing belt and the reliability of engine.

Non-circular sprocket; Timing belt drive system; Crankshaft irregularity; Belt force; Belt flutter; Relative angular deviation between crankshaft and camshaft

2016-07-21

劉雪梅(1986—)，女，碩士，主要從事發動機研發設計工作。E-mail:lxmnj@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.10.002

U463.21

A

1674-1986(2016)10-005-06