某發(fā)動機(jī)正時張緊器選型試驗研究

王艷芳，趙彥文，王少輝

（1.鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程系，河南 鄭州 450121；2.海馬汽車有限公司，河南 鄭州 450016）

前言

發(fā)動機(jī)正時驅(qū)動系統(tǒng)是保證發(fā)動機(jī)能按照需求準(zhǔn)確開啟、關(guān)閉氣門的重要系統(tǒng)，由正時鏈條、導(dǎo)軌、張緊器和若干輪等組成的傳動系統(tǒng)。該系統(tǒng)在發(fā)動機(jī)運行一定時間后，正時鏈條會發(fā)生塑性變形（即拉長），可能導(dǎo)致發(fā)動機(jī)出現(xiàn)異響，嚴(yán)重時會出現(xiàn)跳齒、點火正時不準(zhǔn)確等故障，致使發(fā)動機(jī)不能正常工作。為了保證正時系統(tǒng)的正常運行，通常在該系統(tǒng)中增加自動張緊器來維持鏈條張緊，降低正時鏈條受到的沖擊力。

某發(fā)動機(jī)設(shè)計的正時張緊器總成是液壓式張緊器（以下簡稱張緊器）如圖1所示，由殼體、柱塞、柱塞彈簧、填充物、插銷和單向閥組件組成，如圖2所示。張緊器腔體分為高壓腔和低壓腔。泄露間隙是指柱塞與殼體之間的安裝間隙，液壓油流過泄漏間隙所產(chǎn)生的黏滯阻尼力能夠吸收鏈條的橫向波動沖擊[1-5]，所以泄露間隙對于液壓張緊器的動力學(xué)特性具有重要作用。

圖1 張緊器

圖2 張緊器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

某發(fā)動機(jī)設(shè)計了三種不同泄漏間隙的張緊器方案，將這三種方案搭載到同一臺發(fā)動機(jī)上試驗，并變更張緊器的負(fù)載條件，得出一些試驗數(shù)據(jù)。本文對發(fā)動機(jī)在最常見工況下正常運行的試驗結(jié)果進(jìn)行分析，最終選出最優(yōu)張緊器方案。

1 試驗裝置及方法

1.1 試驗裝置

該發(fā)動機(jī)的正時系統(tǒng)主要由套筒式正時鏈條、進(jìn)排氣VVT、正時鏈定軌、動軌、液壓式正時張緊器、套筒式機(jī)油泵鏈條、機(jī)械式機(jī)油泵張緊器等零部件組成。該試驗裝置通過在正時鏈盒上開個孔（位于正時張緊器附近），將張緊器柱塞的位移量引出，并在此處安裝壓力傳感器來測量高壓腔的油壓。

張緊器的選型試驗是將三種方案的張緊器依次裝在同一臺改裝的3 缸增壓直噴汽油機(jī)上，通過AVL綜合試驗臺架對該發(fā)動機(jī)的正時系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)試驗測試。該動態(tài)試驗在不同的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷及機(jī)油溫度條件下，并采用新正時鏈條來進(jìn)行，最終得出張緊器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖3 正時系統(tǒng)測試裝置示意圖

1.2 試驗方法

根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，該張緊器的泄漏間隙選擇56μm、76μm和96μm三種方案。正時系統(tǒng)的動態(tài)試驗以整臺發(fā)動機(jī)為基礎(chǔ)，在發(fā)動機(jī)正常運行時測量張緊器某部位的位移或壓力值。

張緊器對正時系統(tǒng)的影響主要是通過高壓腔油壓、張緊器對導(dǎo)軌接觸壓力和張緊器柱塞位移這些參數(shù)來體現(xiàn)[6-7]。本次試驗，在測試正時系統(tǒng)的動態(tài)性能的同時，主要測試張緊器高壓腔油壓、張緊器對導(dǎo)軌接觸壓力和張緊器柱塞的運動軌跡。其中，張緊器高壓腔油壓大小受機(jī)油溫度和發(fā)動機(jī)負(fù)荷影響較大，因此，該試驗測試了極限機(jī)油溫度即高溫120 ℃、低溫40 ℃和正常機(jī)油溫度90 ℃時，發(fā)動機(jī)在滿負(fù)荷下高壓腔油壓隨曲軸轉(zhuǎn)速升高而變化的趨勢，以及正常機(jī)油溫度90 ℃時，發(fā)動機(jī)在部分負(fù)荷下高壓腔油壓隨曲軸轉(zhuǎn)速升高而變化的趨勢。

2 試驗結(jié)果分析

本試驗按照上節(jié)所述的試驗方法進(jìn)行試驗驗證，展示了常態(tài)情況下的試驗結(jié)果，并對試驗結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1 高壓腔油壓

高壓腔內(nèi)的油壓值能直接反映正時系統(tǒng)作用到發(fā)動機(jī)缸體上的力，發(fā)動機(jī)受到的力越小，運行時的噪音就越小。考慮到發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)油溫度會影響張緊器高壓腔油壓值，設(shè)定了3種機(jī)油溫度下，油壓隨曲軸轉(zhuǎn)速增加而變化的曲線圖。

圖4至圖9顯示出在不同條件下張緊器高壓腔油壓的試驗結(jié)果。且列舉了發(fā)動機(jī)在滿負(fù)荷和部分負(fù)荷條件下，三種方案張緊器高壓腔油壓分別在機(jī)油溫度為低溫（40 ℃）、中溫（90 ℃）和高溫（120 ℃）時的變化曲線。

圖4 機(jī)油溫度為：90 ℃，負(fù)荷50%時，張緊器高壓腔油壓

圖9 張緊器柱塞位移

圖6 機(jī)油溫度為：40℃，負(fù)荷100%時，張緊器高壓腔油壓

圖4至圖7展示了在不同曲軸轉(zhuǎn)速下，三種方案張緊器高壓腔油壓值的變化趨勢。總體來講，三種泄漏間隙的張緊器的高壓腔油壓最小值均為零，最大值隨著曲軸轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)增大的趨勢，在曲軸轉(zhuǎn)速為5 000 rpm以下時，增幅較低；在曲軸轉(zhuǎn)速為5 000 rpm以上時，增幅較大，高壓腔油壓值均在50 bar以下，滿足張緊器高壓腔的設(shè)計要求。

圖7 機(jī)油溫度為：120℃，負(fù)荷100%時，張緊器高壓腔油壓

對比圖4和圖5，在相同的機(jī)油溫度下，張緊器高壓腔內(nèi)最大油壓值隨著發(fā)動機(jī)負(fù)荷的增加而增大。從圖5、6、7中可以看出，相同的發(fā)動機(jī)負(fù)荷下，不同的機(jī)油溫度對張緊器高壓腔內(nèi)最大油壓值影響較小。從圖4、5、7中可以判斷出，泄漏間隙值為96μm的張緊器比其他兩種張緊器的高壓腔的最大油壓值略低，設(shè)計方案最優(yōu)。

圖5 機(jī)油溫度為：90 ℃，負(fù)荷100%時，張緊器高壓腔油壓

2.2 正時鏈條受力情況分析

正時鏈條在發(fā)動機(jī)正常運轉(zhuǎn)過程中受到多邊效應(yīng)力的反作用，這些反作用力對每個鏈節(jié)作用力的大小和方向不同。該試驗通過測量張緊器與導(dǎo)軌的接觸壓力來反映正時鏈條的受力情況。

圖8給出了機(jī)油溫度為90 ℃，發(fā)動機(jī)負(fù)荷為50%，采用新鏈條時的張緊器對導(dǎo)軌接觸壓力的最大值與最小值隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化的曲線。結(jié)果表明，正時張緊器對導(dǎo)軌接觸壓力的最小值為0 N左右，且不隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化，在張緊器泄漏量為最大時，接觸壓力的最小值最小；正時張緊器與導(dǎo)軌接觸壓力的最大值隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速升高而變大，特別在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速超過5 000 rpm時，增幅明顯增強(qiáng)，泄漏量為中等的張緊器的接觸壓力的最大值最小，三種張緊器的測試結(jié)果相差不大。

圖8 張緊器對導(dǎo)軌接觸壓力

2.3 張緊器柱塞位移

正時鏈條傳動運動時產(chǎn)生的振幅是發(fā)動機(jī)評估振動和噪聲的主要來源之一，同時關(guān)系到正時系統(tǒng)的可靠性和NVH性能[8]。張緊器柱塞的運動行程可以反映出正時系統(tǒng)中張緊側(cè)鏈條的振幅。

從圖9中可以看出，隨曲軸轉(zhuǎn)速的提高，泄漏間隙最大的張緊器的柱塞位移的最大值下降的幅度最小；三種張緊器柱塞位移的最小值隨曲軸轉(zhuǎn)速的提高變化不大；在曲軸的各種轉(zhuǎn)速下，三種張緊器柱塞位移值均在0 mm～5 mm之間，這些值是在合理范圍之內(nèi)的。

綜合上述三種試驗結(jié)果分析，圖8中三種不同泄漏間隙對導(dǎo)軌的接觸壓力的最大值相差不大，且隨著曲軸轉(zhuǎn)速的增大而逐漸增加。從圖中可以看出，泄漏間隙為76μm的張緊器的試驗結(jié)果最好。圖9中三種不同泄漏間隙對張緊器柱塞位移的最大值和最小值隨著曲軸轉(zhuǎn)速變化而產(chǎn)生的影響相差不大，且泄漏間隙為96μm的張緊器所展示的張緊器柱塞位移的幅度最小，結(jié)果最好。從圖4至圖7的曲線圖中可以看出，泄漏間隙為96μm的張緊器在不同機(jī)油溫度、不同負(fù)荷、不同曲軸轉(zhuǎn)速時，高壓腔油壓最大值均為最小，效果最好。評價液壓式正時張緊器優(yōu)劣的最主要指標(biāo)是高壓腔的相關(guān)參數(shù)，三種方案張緊器所呈現(xiàn)的對導(dǎo)軌的接觸壓力值相差較小，并且試驗結(jié)果都滿足液壓張緊器參數(shù)設(shè)計的要求，因此根據(jù)張緊器高壓腔油壓和張緊器柱塞位移試驗的結(jié)果分析，建議選擇泄漏間隙為96μm的張緊器。

3 結(jié)論

本試驗測試了三種液壓式正時張緊器的正時系統(tǒng)的動態(tài)性能，將改裝的發(fā)動機(jī)裝在AVL臺架上，使發(fā)動機(jī)在不同轉(zhuǎn)速、不同負(fù)荷、不同機(jī)油溫度下運轉(zhuǎn)，分別測試各種狀態(tài)下的正時系統(tǒng)的一些運動狀態(tài)參數(shù)。

本文僅列出了在發(fā)動機(jī)最常見和極端工況下對張緊器最有影響的三種參數(shù)：張緊器高壓腔的油壓值、張緊器對導(dǎo)軌接觸壓力和張緊器柱塞位移的試驗結(jié)果，即機(jī)油溫度為90 ℃、負(fù)荷為部分負(fù)荷（50%）、使用未變形的正時鏈條的三種不同泄漏間隙的張緊器的試驗結(jié)果。結(jié)果表明：

（1）泄漏間隙的大小對張緊器高壓腔油壓值、張緊器對導(dǎo)軌接觸壓力、張緊器柱塞位移都有一定的影響，因此設(shè)計合理的泄漏間隙值對液壓張緊器的設(shè)計有至關(guān)重要的作用。

（2）張緊器高壓腔油壓隨著發(fā)動機(jī)負(fù)荷的增加而增加，隨曲軸轉(zhuǎn)速的增加而增加，不同的機(jī)油溫度對油壓值的影響不大。

（3）該測試方法可以實際測量整個正時系統(tǒng)的動態(tài)特性，為正時系統(tǒng)的設(shè)計提供支持。為液壓張緊器試驗提供了理論依據(jù)。

通過對上述試驗結(jié)果的分析，綜合來看，張緊器的泄露間隙值為最大值即96μm時，正時系統(tǒng)動態(tài)試驗的效果最好。