淺談發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)傳動(dòng)的應(yīng)用布置與優(yōu)化

李鵬飛

（舍弗勒貿(mào)易（上海）有限公司，上海 201800）

前言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展與汽車工業(yè)的振興，汽車行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步也是日新月異。近年來國(guó)內(nèi)汽車零部件規(guī)模日益壯大，在最新汽車零部件百強(qiáng)名單中，中國(guó)企業(yè)再次刷新記錄共有七家進(jìn)入榜單。作為汽車的心臟發(fā)動(dòng)機(jī)提供高效的動(dòng)力輸出，而配氣結(jié)構(gòu)的技術(shù)選擇對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)總體特別是燃油經(jīng)濟(jì)性能有著重要影響。配氣機(jī)構(gòu)按照各壓縮氣缸的四沖程點(diǎn)火順序，定時(shí)開啟和關(guān)閉氣缸的進(jìn)、排氣門，使新鮮空氣及時(shí)進(jìn)入，廢氣及時(shí)排出[1]。氣門正時(shí)傳動(dòng)組用于定時(shí)驅(qū)動(dòng)氣門開閉，連接曲軸扭矩和凸輪軸系統(tǒng)。

配氣正時(shí)傳動(dòng)主要分為正時(shí)齒輪傳動(dòng)、正時(shí)鏈傳動(dòng)和正時(shí)帶傳動(dòng)三種類型。在特定的應(yīng)用環(huán)境應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)層面和零件性能以及成本經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)，選擇最合適的配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)[2]。隨著國(guó)內(nèi)企業(yè)自主創(chuàng)新的不斷積累，技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中也趨向成熟[3-5]。然而配氣機(jī)構(gòu)和正時(shí)傳動(dòng)很多零部件還是來自國(guó)外汽車零部件公司，國(guó)內(nèi)企業(yè)起步較晚，仍處于快速追趕的發(fā)展中。

1 配氣機(jī)構(gòu)的布置型式

正時(shí)傳動(dòng)組件的結(jié)構(gòu)形式主要根據(jù)配氣機(jī)構(gòu)布置形式進(jìn)行匹配。配氣機(jī)構(gòu)的布置主要分為氣門布置型式和凸輪軸布置型式。氣門布置有氣門頂置式和氣門側(cè)置式，由于燃燒室緊湊及進(jìn)氣順暢和熱封性好等優(yōu)點(diǎn)，頂置式氣門受到廣泛應(yīng)用，并趨向于淘汰側(cè)置式型式。而凸輪軸布置型式主要有三種，分別為凸輪軸下置，凸輪軸中置和凸輪軸頂置[1]。凸輪軸下置式(OHV)，凸輪軸與曲軸中心距離近，凸輪軸可以裝在曲軸箱內(nèi)，采用齒輪傳動(dòng)簡(jiǎn)單可靠傳動(dòng)易于布置。中置型凸輪軸位于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體的上部，與下置式配氣機(jī)構(gòu)相比，推桿較短或省略了推桿，減輕了配氣機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量。頂置式凸輪軸(OHC)位于發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸蓋上，凸輪軸與氣門距離最近傳動(dòng)鏈短，大大降低了往復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性。凸輪軸頂置式配氣機(jī)構(gòu)有單頂置凸輪軸(SOHC)和雙頂置凸輪軸(DOHC)形式，廣泛應(yīng)用于各種高速發(fā)動(dòng)機(jī)上。雙凸輪軸的布置有利于增加氣門數(shù)量和提高進(jìn)排氣效率，已經(jīng)成為現(xiàn)代高轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)的主流配置方式。

2 正時(shí)齒輪傳動(dòng)

配氣機(jī)構(gòu)布置為凸輪軸下置時(shí)，不適合高速傳動(dòng)，此時(shí)可應(yīng)用正時(shí)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)。齒輪傳動(dòng)簡(jiǎn)單可靠傳動(dòng)噪音小，可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)成本低。凸輪軸齒輪可直接和曲軸齒輪嚙合，也可以根據(jù)軸間中心距采用中間惰輪連接，實(shí)現(xiàn)同向旋轉(zhuǎn)保證傳動(dòng)比和傳動(dòng)精度。正時(shí)齒輪傳動(dòng)一般包括曲軸齒輪、凸輪軸齒輪和惰齒輪。圖1 為正時(shí)齒輪傳動(dòng)示意，圖1(a)中即為曲軸齒輪和凸輪軸齒輪直接嚙合。

柴油機(jī)排量越大，額定轉(zhuǎn)速一般會(huì)設(shè)計(jì)的越低。在大部分低轉(zhuǎn)扭矩的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上，缸體上可布置曲軸和凸輪軸在齒輪箱內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)的重心較低。齒輪類型一般選擇斜齒輪多于直齒輪，使傳動(dòng)更加平穩(wěn)噪聲小。正時(shí)齒輪需要密封和潤(rùn)滑，一般配有齒輪箱蓋和密封墊。由于齒輪傳動(dòng)對(duì)中心距的精度要求較為嚴(yán)格，在缸體加工中，往往需采用多軸式組合鏜床一次定位加工。為保證曲軸與凸輪軸之間有正確的相位關(guān)系，方便檢查和調(diào)整配氣正時(shí)，正時(shí)齒輪上還會(huì)打上正時(shí)標(biāo)記點(diǎn)。此外，凸輪軸下置時(shí)一般氣門數(shù)也較少，發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸蓋體積小，方便整機(jī)空間布置，有利于整機(jī)的推重比。

凸輪軸中置式一般仍根據(jù)軸間的中心距采用惰輪連接曲軸齒輪傳動(dòng)扭矩。如圖1(b)為正時(shí)傳動(dòng)齒輪和中間惰輪的配合布置，通過惰輪傳遞扭矩到凸和機(jī)油泵軸等。隨著齒輪系數(shù)目增多和中心距的加大，齒輪箱的尺寸和重量也變得更大，齒輪箱變得復(fù)雜。此時(shí)也可以選用鏈/帶傳動(dòng)連接凸輪軸和曲軸的相位運(yùn)動(dòng)。

圖1 正時(shí)齒輪傳動(dòng)示意

3 正時(shí)皮帶傳動(dòng)

頂置式凸輪軸時(shí)，凸輪軸位于缸蓋上，凸輪軸與曲軸的中心距大大增加，此時(shí)使用增加中間輪的齒輪傳動(dòng)方式已經(jīng)難以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)凸輪軸氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量明顯減小，非常適合現(xiàn)代的高轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其是轎車汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。帶和鏈形式的柔性傳動(dòng)方式更適用于大中心距的傳動(dòng)。圖2(a)為典型的正時(shí)皮帶傳動(dòng)形式。

正時(shí)皮帶又稱為正時(shí)齒形帶、正時(shí)同步帶，由玻璃纖維、合成橡膠和尼龍織物制成，傳動(dòng)平穩(wěn)靜音效果好，傳動(dòng)阻力和慣性小，使發(fā)動(dòng)機(jī)的NVH 性能、動(dòng)力加速性能更好，且容易更換。正時(shí)帶內(nèi)側(cè)有橡膠齒，齒形帶和皮帶輪之間通過齒形嚙合傳遞扭矩，帶動(dòng)凸輪軸及水泵等。皮帶傳動(dòng)一般包括皮帶、曲軸帶輪、凸輪軸帶輪、皮帶張緊輪和導(dǎo)向惰輪等。

正時(shí)皮帶配置張緊輪提供張緊力，使帶輪有一定的包角，保證皮帶的張緊狀態(tài)，并通過導(dǎo)向惰輪改變皮帶運(yùn)行方向，保證傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和傳動(dòng)的精度。張緊輪和惰輪的合理安排，可以縮短同步帶中心距，減小橫向振幅改善NVH 性能，并延長(zhǎng)使用壽命[3,4]。正時(shí)皮帶有干式皮帶傳動(dòng)和濕式皮帶傳動(dòng)類型。干式皮帶不需要潤(rùn)滑，一般壽命4～8 萬公里。實(shí)際用車中往往需要預(yù)防性更換，即未到廠家規(guī)定期限就需要更換，使用壽命短，更換頻率高。對(duì)于濕式浸油皮帶傳動(dòng)方式，皮帶需要和潤(rùn)滑油氣接觸，其橡膠配方必須經(jīng)過特殊配置，齒面還有涂層，耐油耐熱性以及耐腐蝕性均得到加強(qiáng)，設(shè)計(jì)壽命能夠達(dá)到20 萬公里以上，甚至與發(fā)動(dòng)機(jī)等壽命，終身免維護(hù)。濕式皮帶可以充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油的潤(rùn)滑，大大改善系統(tǒng)摩擦性能，減少摩擦阻力和噪音，當(dāng)然成本也更高。已有歐洲車型量產(chǎn)應(yīng)用案例，國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)該技術(shù)的研究和應(yīng)用仍然較少。

圖2 正時(shí)帶傳動(dòng)和正時(shí)鏈傳動(dòng)

4 正時(shí)鏈條傳動(dòng)

頂置式凸輪軸布置還可以使用鏈條傳動(dòng)方式。鏈條系統(tǒng)一般包括鏈條、曲軸鏈輪、凸輪軸鏈輪、張緊器和導(dǎo)軌。典型的正時(shí)鏈條系統(tǒng)如圖2(b)所示。發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)傳動(dòng)使用皮帶還是鏈條取決于設(shè)計(jì)條件。一般而言，排量較大的發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)傳送帶的應(yīng)力要求也更高。此時(shí)可以選用鏈條傳動(dòng)方式更為可靠。與傳統(tǒng)的皮帶傳動(dòng)相比，鏈條傳動(dòng)耐久可靠，可以達(dá)到與發(fā)動(dòng)機(jī)等壽命設(shè)計(jì)，免維護(hù)性好。但是鏈條的質(zhì)量較皮帶大，傳動(dòng)慣性大，系統(tǒng)NVH 性能一般較皮帶差。

正時(shí)鏈條有滾子鏈、套筒鏈和齒形鏈（靜音鏈）三種類型。由于編織組成和嚙合方式的不同，一般滾子鏈和套筒鏈的承載較大，傳動(dòng)可靠不易發(fā)生跳齒，但是多邊形效應(yīng)也更明顯，噪音較大。齒形鏈的承載能力相對(duì)較小，易發(fā)生跳齒，但嚙合平順噪音小，基本能達(dá)到跟齒形帶傳動(dòng)同一個(gè)靜音水平，因此也稱為靜音鏈。設(shè)計(jì)上可調(diào)整系統(tǒng)布局及零件構(gòu)造，以彌補(bǔ)鏈條傳動(dòng)的劣勢(shì)。如布置正時(shí)密封箱，在發(fā)動(dòng)機(jī)前端設(shè)置正時(shí)罩蓋形成獨(dú)立的空間，可以滿足傳動(dòng)部件的潤(rùn)滑要求，實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑油的冷熱循環(huán)，和起到隔音和防塵的作用。在負(fù)載一定的條件下，系統(tǒng)可以使用靜音鏈條，進(jìn)一步降低噪音。鏈輪還可以設(shè)計(jì)成帶包膠式，嚙合中鏈條鏈板和鏈輪橡膠先接觸，大大降低了嚙合沖擊。

5 結(jié)語

本文介紹了正時(shí)傳動(dòng)的應(yīng)用布置形式，對(duì)不同布置進(jìn)行了闡述和優(yōu)化說明。隨著汽車新一輪的技術(shù)發(fā)展，混動(dòng)技術(shù)、新能源電動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步，汽車向著清潔能源的方向發(fā)展。由于齒輪、鏈條傳動(dòng)和皮帶傳動(dòng)自身應(yīng)用上的優(yōu)勢(shì)，尚有各自較長(zhǎng)的生命周期。如齒輪傳動(dòng)在汽車中型柴油機(jī)，工程機(jī)械重型柴油機(jī)以及船用柴油機(jī)上仍是相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)難以替代的技術(shù)方案。帶傳動(dòng)在低排量輕型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上也具有較大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，皮帶在滿足應(yīng)力和扭矩傳動(dòng)的條件下，能夠提供較好的NVH 性能和成本優(yōu)勢(shì)。鏈條傳動(dòng)則逐漸在直列發(fā)動(dòng)機(jī)和V 型大功率發(fā)動(dòng)機(jī)上成為首選，也有在很多應(yīng)用中和皮帶正面競(jìng)爭(zhēng)并呈現(xiàn)取代之勢(shì)。