一種V型發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

付振明 金玉謨 孟繁忠

1.青島征和工業(yè)有限公司，青島，266705 2.吉林大學(xué)，長(zhǎng)春，130022

0 引言

近年來(lái)，隨著汽車(chē)工業(yè)的飛速發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)系統(tǒng)已越來(lái)越多地采用鏈傳動(dòng)來(lái)取代正時(shí)齒帶傳動(dòng)或齒輪傳動(dòng)。較大排量較大功率的V型發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其是較大排量（4000mL以上）的V型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的正時(shí)系統(tǒng)，目前大都采用齒輪傳動(dòng)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)系統(tǒng)體積龐大、笨重、噪聲大、振動(dòng)大、使用壽命短，制約了發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能的提高。正時(shí)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的尺寸緊湊、可靠性高、耐磨性高的顯著優(yōu)點(diǎn)是齒輪傳動(dòng)和齒帶傳動(dòng)所不具備的，顯示了其廣闊的應(yīng)用前景。

通常，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)鏈條（下稱“汽車(chē)鏈”）節(jié)距p為6.35～12.7mm[1]。目前，國(guó)際上各大汽車(chē)公司的許多轎車(chē)、貨車(chē)等產(chǎn)品的發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)油泵傳動(dòng)系統(tǒng)均采用了鏈傳動(dòng)，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)也越來(lái)越多地應(yīng)用了汽車(chē)鏈產(chǎn)品，但主要還是依賴國(guó)外設(shè)計(jì)或進(jìn)口正時(shí)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)[1]。

1 總體布局設(shè)計(jì)

通常，V型汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈系統(tǒng)由正時(shí)鏈條、主軸鏈輪、凸輪軸鏈輪、V型過(guò)渡鏈輪、導(dǎo)板組件、張緊臂組件和張緊器組成。本文提出的新型V型汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈系統(tǒng)如圖1所示，主要包括正時(shí)鏈條、主軸鏈輪、凸輪軸鏈輪、V型導(dǎo)軌、惰軸鏈輪、導(dǎo)板組件、張緊臂組件和張緊器。V型導(dǎo)軌由三個(gè)導(dǎo)板組件組成。采用一個(gè)惰軸鏈輪將鏈條的松邊分為兩段，并分別采用兩個(gè)張緊臂組件和兩個(gè)張緊器對(duì)鏈條的松邊進(jìn)行張緊。該結(jié)構(gòu)布局使發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、耐磨性高，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能。

圖1 一種新型V型發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局

該V型發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈系統(tǒng)的特征如下：實(shí)現(xiàn)V型傳動(dòng)的V型導(dǎo)軌工作曲面由五個(gè)曲率半徑圓弧組成；采用了大曲率半徑圓弧的緊邊導(dǎo)軌和次緊邊導(dǎo)軌，并使正時(shí)鏈條在緊邊和次緊邊形成內(nèi)凹的小垂度張緊，以提高鏈傳動(dòng)的平順性，減小振動(dòng)和噪聲；采用一個(gè)傳動(dòng)惰軸鏈輪將正時(shí)鏈條的松邊分為兩部分，設(shè)置了兩個(gè)液壓張緊器分別對(duì)正時(shí)鏈條進(jìn)行張緊，減小了張緊器的工作行程，保證了正時(shí)鏈條在松邊形成內(nèi)凹的適度垂度張緊，提高了正時(shí)鏈條傳動(dòng)的平順性，改善了正時(shí)鏈條松邊受力，減小了振動(dòng)和噪聲。

2 設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 正時(shí)鏈條的選擇計(jì)算及其靜強(qiáng)度驗(yàn)算

汽車(chē)鏈通常采用壓力噴油潤(rùn)滑。汽車(chē)鏈傳動(dòng)選擇計(jì)算時(shí)，通常已知：傳動(dòng)功率P、主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速n1、從動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速n2，則傳動(dòng)比i＝n1／n2。對(duì)于汽車(chē)鏈這樣的高速鏈傳動(dòng)，在空間尺寸允許的條件下，建議主動(dòng)鏈輪齒數(shù)z1≥21，并取奇數(shù)齒，則從動(dòng)鏈輪齒數(shù)z2＝iz1。汽車(chē)鏈傳動(dòng)的計(jì)算功率為

式中，f1為工作情況系數(shù)（表1）；f2為齒數(shù)系數(shù)（表2）；f5為排數(shù)系數(shù)（表3）。

表1 工作情況系數(shù)f1

表2 齒數(shù)系數(shù)f2

表3 排數(shù)系數(shù)f5

由計(jì)算得到的PC值和已知的n1值，在汽車(chē)鏈額定功率曲線圖上選擇相應(yīng)的鏈號(hào)，此時(shí)汽車(chē)鏈的工作點(diǎn)（n1，PC）應(yīng)位于所選擇鏈號(hào)的額定功率曲線下方。可供汽車(chē)鏈參照選用的05BT、06BT汽車(chē)鏈的額定功率曲線參見(jiàn)文獻(xiàn)[1]，其他鏈號(hào)的汽車(chē)鏈額定功率曲線可咨詢相關(guān)汽車(chē)鏈條公司。

應(yīng)該指出，對(duì)于沒(méi)有額定功率曲線或沒(méi)有額定功率表可供參照選用的汽車(chē)鏈傳動(dòng)的選擇計(jì)算，可通過(guò)靜強(qiáng)度的安全系數(shù)方法來(lái)進(jìn)行驗(yàn)算，這在工程設(shè)計(jì)中是可行的。汽車(chē)鏈靜強(qiáng)度的安全系數(shù)為

式中，Q為汽車(chē)鏈的抗拉強(qiáng)度；F為汽車(chē)鏈緊邊工作張力；d1為主動(dòng)鏈輪分度圓直徑。

統(tǒng)計(jì)表明，取n為14～18較為適宜[1]。

2.2 V型導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)計(jì)算

V型導(dǎo)軌由三個(gè)導(dǎo)板組件組成，如圖2所示，這三個(gè)導(dǎo)板組件分別是：一個(gè)V型底部的中間導(dǎo)板組件，兩個(gè)V型兩側(cè)對(duì)稱的側(cè)導(dǎo)板組件。

通常取：C1為0.35C～0.45C，C2為0.35C1～0.45C1，C3為 0.60（C1－C2）／2，C4∈ [25mm，45mm]，β3∈ [35°，45°]，β2＝β3／5。其中，C1為兩凸輪軸的中心距；C2為中間導(dǎo)板組件導(dǎo)向的頂圓弧弦長(zhǎng)；C3為中間導(dǎo)板組件導(dǎo)向的二級(jí)圓弧水平弦長(zhǎng)；C4為側(cè)導(dǎo)板組件外側(cè)距導(dǎo)向切點(diǎn)的距離；β2為中間導(dǎo)板組件導(dǎo)向的二級(jí)圓弧中心角；β3為中間導(dǎo)板組件導(dǎo)向的頂圓弧中心角。

圖2 V型導(dǎo)軌布局示意圖

V型導(dǎo)軌由五個(gè)曲率半徑圓弧組成（圖2）。由于左右對(duì)稱，故R1＝R5，R2＝R4。

由圖2可導(dǎo)出：

其中，R1為V型導(dǎo)軌左側(cè)一級(jí)圓弧曲率半徑，其圓弧中心坐標(biāo)為

R2為V型導(dǎo)軌左側(cè)二級(jí)圓弧曲率半徑，其圓弧中心坐標(biāo)為

R3為V型導(dǎo)軌頂圓弧曲率半徑，其圓弧中心坐標(biāo)為

R4為V型導(dǎo)軌右側(cè)二級(jí)圓弧曲率半徑，其圓弧中心坐標(biāo)為

R5為V型導(dǎo)軌右側(cè)一級(jí)圓弧曲率半徑，其圓弧中心坐標(biāo)為

V型導(dǎo)軌由上述五個(gè)曲率半徑圓弧所組成，由此就確定了V型導(dǎo)軌的安裝位置。

2.3 正時(shí)鏈條垂度值的設(shè)計(jì)計(jì)算

正時(shí)鏈條緊邊、次緊邊和松邊的內(nèi)凹垂度值的計(jì)算由圖3導(dǎo)出：

式中，h1為緊邊垂度值；h2為次緊邊垂度值；h3為松邊Ⅰ垂度值；h4為松邊 Ⅱ 垂度值；α1、α2、α3、α4分別為圓弧r1、r2、r3、r4所對(duì)應(yīng)的中心角。

圖3 正時(shí)鏈條垂度值計(jì)算示意圖

3 正時(shí)鏈系統(tǒng)試驗(yàn)

對(duì)于汽車(chē)鏈而言，衡量和評(píng)價(jià)其耐磨性能的指標(biāo)不是摩擦學(xué)領(lǐng)域通常說(shuō)的磨損量，而是對(duì)汽車(chē)鏈傳動(dòng)可靠性產(chǎn)生直接影響的磨損伸長(zhǎng)量ΔL。通常用汽車(chē)鏈的相對(duì)磨損伸長(zhǎng)率ε（ε＝ΔL／L）（L 為汽車(chē)鏈長(zhǎng)度）來(lái)表示[2]。

3.1 試驗(yàn)規(guī)范

試驗(yàn)是在自主研制的正時(shí)鏈系統(tǒng)高速試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的[3－4]，該試驗(yàn)臺(tái)主要包括正時(shí)鏈條、主軸鏈輪、凸輪軸鏈輪、惰軸鏈輪、V型導(dǎo)軌、導(dǎo)板組件、張緊臂組件和張緊器、轉(zhuǎn)速傳感器、電動(dòng)機(jī)（變頻器）和自動(dòng)加載器，如圖4所示。

圖4 正時(shí)鏈系統(tǒng)高速試驗(yàn)臺(tái)

試驗(yàn)規(guī)范：應(yīng)用本文設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的某公司6V發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈系統(tǒng)采用了內(nèi)－外復(fù)合嚙合齒形鏈，節(jié)距p＝8.0mm，鏈條節(jié)數(shù)Lp＝240。試驗(yàn)鏈條經(jīng)預(yù)跑合3min（主軸轉(zhuǎn)速1200r／min，鏈條緊邊張力8000N），主動(dòng)鏈輪齒數(shù)z1＝25，從動(dòng)鏈輪齒數(shù)z2＝25，壓力噴油潤(rùn)滑油溫度40～65℃。主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速n1＝5000r／min，試驗(yàn)扭矩T＝25.0N·m，試驗(yàn)時(shí)間均為500h，每隔25h在LZC－500型鏈條中心距測(cè)量?jī)x上測(cè)量一次鏈長(zhǎng)，測(cè)量載荷F＝440N。鏈條中心距a測(cè)量方法如圖5所示。

圖5 鏈條中心距測(cè)量方法示意圖

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

在試驗(yàn)過(guò)程中的不同階段所測(cè)的齒形鏈的磨損伸長(zhǎng)率的變化[5]如圖6所示。

圖6 正時(shí)鏈條磨損曲線

該內(nèi)－外復(fù)合嚙合齒形鏈經(jīng)500h試驗(yàn)后的最大磨損伸長(zhǎng)率ε＝0.529%，由正時(shí)齒形鏈系統(tǒng)500h試驗(yàn)過(guò)程中良好的平順性和優(yōu)異的耐磨性能可以表明，本文V型發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是切實(shí)可行的。該6V發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈系統(tǒng)已通過(guò)了主機(jī)廠的裝機(jī)性能試驗(yàn)。

[1]孟繁忠，李寶林，呂翔，等.汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，41（5）：122-124.

[2]孟繁忠，馮增銘，李純濤，等.新型齒形鏈磨損機(jī)制及其溫度和速度特性的試驗(yàn)研究[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24（6）：560-563.

[3]付振明，金玉謨.一種變異嚙合機(jī)制的新型齒形鏈的設(shè)計(jì)方法和試驗(yàn)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2010，27（1）：22-25.

[4]付振明，金玉謨.發(fā)動(dòng)機(jī)用內(nèi)嚙合機(jī)制齒形鏈的設(shè)計(jì)方法和試驗(yàn)研究[J].機(jī)械傳動(dòng)，2009，33（6）：86-88.

[5]孟繁忠.齒形鏈嚙合原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.