發動機正時鏈條張力測試系統設計

楊旭東+王昆

摘 要：發動機正時鏈條系統保證了發動機的進氣及時、排氣徹底，鏈條動態張力對正時鏈系統有著至關重要的決定作用。本文通過在鏈輪上粘貼電阻應變片這一簡單有效的方法來進行鏈條張力的測試。

關鍵詞：發動機正時系統；鏈條張力；測試

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.13.151

1 發動機正時系統

發動機配氣機構通過正時鏈條嚴格的控制發動機進排氣門的定時開啟和關閉，從而實現發動機的‘進飽排凈。正時鏈條張力主要由驅動凸輪軸扭矩產生；同時，曲軸扭震、鏈輪的多邊形效應和嚙合沖擊也都是鏈條張力產生的原因[1]。

2 正時系統凸輪軸鏈輪設計

2.1 鏈輪受力分析

鏈輪受力分析是在對地坐標系和鏈輪坐標系中進行。鏈輪的受力分析如圖1所示，鏈輪在旋轉過程中，把鏈輪的受力分解到對地坐標系中進行計算分析。鏈輪的二維靜態受力分析，對于全局坐標系有如下方程：

式中：

θ=全局坐標和鏈輪坐標的夾角

α= T1端鏈條嚙出角

β= T2端鏈條嚙入角

Fx = 鏈輪坐標中，鏈輪所受沿X軸方向的反作用力，測量值

Fy = 鏈輪坐標中，鏈輪所受沿Y軸方向的反作用力，測量值

Ms= 凸輪軸對鏈輪的反作用扭矩

Rp= 鏈輪中心到鏈條節線的距離

T1、T2是鏈輪張力、全局坐標是以地面為參考系、鏈輪坐標跟隨鏈輪旋轉。

由上述平衡方程可以看出，要測量鏈條張力就要對鏈輪的受力以及兩坐標軸之間的夾角進行測量。

2.2 鏈輪受力仿真分析

在進行鏈輪的受力仿真分析之前，首先要對鏈輪進行模態分析。確認鏈輪的自身頻率是否滿足實際測試的需求。若不滿足要求，則要對鏈輪的外輪廓形狀做進一步優化更改。

在鏈輪的受力分析過程中，分別對鏈輪單邊受力和雙邊受力進行仿真分析。同時假設在鏈輪與鏈條接觸過程中，載荷的分配情況為：第一個齒40%；第二個齒30%；第三個齒20%；第四個齒10%。對鏈輪上的齒逐個進行仿真分析。通過對鏈輪在不同受力角度情況下的仿真分析，獲得鏈輪安裝傳感器的最佳位置，便于計算傳感器的電壓輸出值。

3 鏈輪測試系統電路設計

通過在鏈輪設定的位置粘貼應變片傳感器，通過測量鏈輪輪廓形狀的微應變量來測量鏈條的張力。

對鏈輪上要貼應變片的部位取出與應變片同樣大小的立方體，然后對立方體進行有限元分析，得出應變片對應位置的應變量以及對應位置的剪切應變量。通過計算公式（4），可以得出應變片對應位置的總應變邊量[2]。

再根據應變量計算出應變片的電阻變化值，從而可以得出鏈輪上個傳感器的電壓出數值。計算公式如下：

測量橋路采用惠斯通電橋。惠斯通電橋，不僅測量準確而且對電路具有補償作用。在惠斯通電橋的基礎上，把鏈輪上不同位置的應變片連接到不同的橋臂上，組成鏈輪測試傳感器的測量電路。根據上述鏈輪的受力分析，測量電路對鏈條的張力測量分為兩個測量電路，分別測量X方向和Y方向的受力。本課題選用的應變片型號為：HBM公司生產的1-RY31-10/120應變花。

在發動機運行過程中，凸輪軸鏈輪始終處于旋轉狀態。本文利用滑電環實現了信號動靜態轉換；同時，為了避免信號在傳輸過程中受到干擾，在連接滑電環之前利用AD620微型放大器對信號進行放大，保證了信號傳輸的準確性。

4 鏈輪靜態標定實驗

改變鏈輪的受力角度來模擬鏈輪的旋轉受力，在固定受力角度下改變鏈輪受力大小兩種方法來進行標定。通過在鏈輪兩側的鏈條上安裝拉力傳感器，同時測量鏈輪上各傳感器的實際電壓輸出值。通過實際計算出的力以及傳感器電壓輸出值，計算鏈輪上各傳感器的平均靈敏度。計算平均值，得到X 軸傳感器的平均靈敏度為：-544.1966N/V；Y軸的平均傳感器靈敏度為539.5544N/V。

獲得鏈輪靈敏度后，利用這一數值對傳感器靈敏度進行驗證。可以看出，鏈輪傳感器的輸出值與實際的載荷施加值曲線基本吻合，兩者誤差在5%之內。這一結果證明了傳感器靈敏度的準確性，同時證明了這一測試方法的最終可行性。

5 結論

通過改變凸輪軸鏈輪的外輪廓形狀，可以實現在鏈輪上粘貼電阻應變片從而準確的測量鏈條張力。這為高速旋轉的發動機正時系統鏈條張力的測試，提供了一種切實可行的測量方法。

參考文獻：

[1]劉高洋，馮增銘.現代汽油發動機用正時齒形鏈系統動態特性分析及實驗研究[J].2014：1-2.

[2]Measurement Group. Strain Gage Based Transducers，1988 ISBN 0-9619057-0-0.

[3]黃興偉.具有無線傳輸功能的數顯扭矩測量系統的研究與開發[J].2011.