某汽油發動機正時鏈條系統仿真分析及與試驗對標

曾發發

摘 要：文章采用AVL EXCITE Timing Drive軟件對某汽油發動機正時鏈條系統進行動力學分析，模擬液壓張緊器張緊特性，分析其動態鏈條張力，液壓張緊器柱塞位移等性能，并與試驗結果進行對標，驗證鏈條系統動力學分析結果的準確性，指導后續鏈條系統設計。

關鍵詞：正時鏈條;液壓張緊器;動力學;鏈條試驗

中圖分類號：TH16? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）22-113-03

Abstract： Analyze timing chain system of a gas engine by using AVL EXCITE Timing Drive software. Hydraulic tensioner tension characteristics were simulated， dynamic chain tension and hydraulic tensioner plunger displacement etc attribute was analyzed. Analysis results was benchmarked with test outcomes that showed the chain system dynamic analysis outcomes was accurate. It can be used to mentor chain system design.

Keywords： Timing chain; Hydraulic tensioner; Dynamic; Chain test

CLC NO.： TH16? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）22-113-03

1 引言

正時鏈條系統為汽油機采用較多正時系統，正時鏈條系統的優點是傳動效率高，工作可靠，但缺點為結構復雜，沖擊大，NVH性能較差[1，2]。正時鏈條系統一般由驅動機構、液壓張緊機構、鏈條、鏈輪、導軌等組成。鏈條系統在工作中周期性波動，鏈條運動過程顯現多邊形效應，使鏈條的張力產生波動、液壓張緊機構振動等。因此，對鏈條系統進行動力學計算，評估其動力學特性，如液壓張緊器柱塞的位移、鏈條動態受力、正時鏈條系統對配氣正時的影響等，對掌握正時鏈條系統的工作特性，評估鏈條系統的設計就很有必要。

本文以某汽油機正時鏈條系統為研究對象，該鏈條系統包括驅動鏈輪，進、排氣凸輪鏈輪，液壓張緊器及導軌組成，采用AVL EXCITE TIMING DRIVE軟件搭建動力學模型，并將計算結果與試驗測試結果對比，驗證鏈條系統動力學分析結果的準確性。

2 模型搭建

2.1 液壓張緊器標定

液壓張緊器為鏈條系統中關鍵部件，且結構復雜，工作特性表現為很強的非線性，其建模準確性直接影響到后續的分析結果，因此需對液壓張緊器的模型進行詳細建模，并標定其張緊特性。液壓張緊器結構主要由供油孔、工作腔、泄油孔，以及單向閥、柱塞、彈簧等部件。

液壓張緊器工作原理：潤滑油由供油區通過進油孔進如工作區，在工作區油壓的作用下，柱塞通過張緊導軌張緊鏈條。當鏈條的張力過大時，鏈條通過張緊導軌壓縮工作區的潤滑油，泄油孔泄油，調節鏈條張力。

液壓張緊器特性曲線是在不同的張緊器柱塞激勵頻率下，張緊器張力與柱塞位移關系的特性曲線。

液壓張緊器標定過程：（1）實驗測得液壓張緊器的特性曲線;（2）建立液壓張緊器仿真模型;（3） 在柱塞施加與實驗相同頻率的激勵，計算液壓張緊器的特性曲線;（4）對比液壓張緊器的實驗特性曲線與仿真計算特性曲線;（5）調整液壓張緊器出油孔孔徑、柱塞與殼體間隙，模擬液壓張緊器的張緊特性曲線并與試驗標定。

2.2 正時鏈條系統模型建立

該鏈條系統由曲軸前端鏈輪驅動，因此需計算曲軸前端的轉速波動作為邊界參數，可使用EXCITE Designer計算得到。被驅動附件為進排氣凸輪軸，需建立配氣機構模型，可采用EXCITE Timing Drive建模[3，4]，建模流程參考EXCITE Timing Drive指導文件，如圖1所示，為正時鏈條系統EXCITE Timing Drive模型。

3 計算結果分析

如圖2所示，為正時鏈條系統試驗。鏈條系統測試，通過在發動機上安裝位移傳感器及應變傳感器，主要測試結果為液壓張緊器柱塞位移及鏈條動態張力。

3.1 柱塞位移結果對比

如圖3所示，為2500rpm張緊器柱塞位移結果對比圖。由圖3可知，分析結果與實測結果接近。張緊器柱塞位移幅值，張緊器柱塞張緊過程都與實測接近。

（a）仿真結果

（b）測試結果

張緊器柱塞位移是反映鏈條系統是否穩定的關鍵參數，如圖 4 所示，為張緊器柱塞位移結果對比。由圖4可知，在發動機轉速域內，分析結果與實測結果都很接近。

x3.2 鏈條動態張力結果對比

如圖 5所示，為鏈條最大動態張力。由圖5可知，鏈條最大張力計算與實測值趨勢一致，數值接近。鏈條的動態最大張力體現了鏈條的可靠，通過動態張力與鏈條實際能承載的最大張力對比，可以評估鏈條的耐久性。

3.3 正時相位計算結果

正時相位的影響會影響發動機的動力、排放等性能，因此要求正時系統對配氣相位的影響越小越好。如圖6所示，為凸輪軸位移。由圖6可知，該正時鏈條系統的對配氣相位的影響在±2°曲軸轉角范圍內，對相位影響較小，在能接受的范圍內。

4 結論

正時鏈條系統分析的關鍵是液壓張緊器，需準確標定液壓張緊器張緊器特性。轉速波動及配氣機構建模需準確，以提供準確的計算載荷邊界。通過與測試數據對比，EXCITE Timing Drive很好的運用于正時鏈條系統分析。鏈條導軌模型為剛性體，后續如果能將導軌柔性體模型引入，則分析與

實際更接近。

參考文獻

[1] 李一民.曲軸及正時系動力學特性對發動機NVH性能影響研究[D].浙江大學， 2012.

[2] 董成國.汽車正時齒形鏈系統設計方法與仿真分析及試驗研究[D].吉林大學， 2010.

[3] 盧小銳，高文志，張良良，等.基于Excite-Timing Drive的正時同步帶系統動力學分析[J].振動與沖擊，2013，32（11）：66-69.

[4] 陳安柱，許志鵬.基于AVL-Excite Timing Drive對發動機配氣機構運動學和動力學分析與改進[J].科技通報，2017，33（3）：237-241.