汽車發(fā)動機(jī)正時(shí)鏈條套筒開裂仿真分析研究

張國勇，任小鴻，張加洪，高朝祥

（1.四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川瀘州 646099； 2.重慶小康工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，重慶 400033）

0 前言

發(fā)動機(jī)正時(shí)鏈條是發(fā)動機(jī)內(nèi)部從曲軸到凸輪軸的傳動鏈，主要作用是驅(qū)動發(fā)動機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)，使發(fā)動機(jī)進(jìn)、排氣門在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候開啟或關(guān)閉，以保證發(fā)動機(jī)汽缸能夠正常地吸氣和排氣。在閉式油池潤滑條件下工作，發(fā)動機(jī)正時(shí)鏈條轉(zhuǎn)速可達(dá)7000 r/min。發(fā)動機(jī)正時(shí)鏈條在高速多沖、大載荷以及交變速度與交變載荷的共同作用下，容易出現(xiàn)正時(shí)鏈條套筒開裂的現(xiàn)象。通過Excite-TD軟件對正時(shí)鏈條進(jìn)行了動畫仿真分析、鏈條節(jié)點(diǎn)位移分析、節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)的連接力曲線分析、節(jié)點(diǎn)與各部件的接觸力分析以及滑板導(dǎo)軌進(jìn)行了受力分析，找到了正時(shí)鏈條套筒開裂的主要原因，并提出了改進(jìn)措施。

1 原因分析

1.1 建立配氣機(jī)構(gòu)建立仿真模型

配氣機(jī)構(gòu)仿真模型有正時(shí)系統(tǒng)、進(jìn)氣側(cè)閥系和排氣側(cè)閥系等3部分組成（圖1），由于進(jìn)排氣閥系建模比較簡單，本文簡述正時(shí)系統(tǒng)建模過程，建模過程可按10步進(jìn)行：①建立參考坐標(biāo)系和當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系，定義各零件的位置、自由度、質(zhì)量數(shù)據(jù)等；②定義鏈、鏈輪、鏈條滑板導(dǎo)軌和固定導(dǎo)軌等的輪廓向量；③將輪廓向量賦予鏈、鏈輪及其固定導(dǎo)板和鏈條滑板導(dǎo)軌；④引入鏈宏單元；⑤連接與鏈相關(guān)的單元；⑥定義宏單元相關(guān)參數(shù)；⑦施加驅(qū)動和連接外載；⑧運(yùn)行Tangent-Model-Editor，并檢查相關(guān)數(shù)據(jù)是否正確；⑨設(shè)置Simulation和Result Control參數(shù)，進(jìn)行模擬計(jì)算；⑩分析結(jié)果，修正模型，重新計(jì)算。圖2為正時(shí)系統(tǒng)三維模型和仿真模型。參數(shù)設(shè)定以后，須經(jīng)過切向編輯器進(jìn)行張緊，張緊后的狀態(tài)以及鏈條節(jié)點(diǎn)的位置如圖3所示。

1.2 仿真參數(shù)設(shè)置

改進(jìn)前的數(shù)據(jù)為鏈條滑板導(dǎo)軌輪廓尺寸（表1）和鏈條的預(yù)緊力（540 N）。

1.3 改進(jìn)前仿真結(jié)果及分析

通過鏈條傳動動畫仿真分析可知，改進(jìn)前的鏈條與鏈條滑板導(dǎo)軌接合不好（圖4）。改進(jìn)前的鏈條節(jié)點(diǎn)位移分析，分別選取1，31，61，91和121為研究對象。從圖5中可以看出，改進(jìn)前的鏈條傳動比較好，沒有產(chǎn)生抖動現(xiàn)象。

表1 改進(jìn)前鏈條滑板導(dǎo)軌輪廓尺寸

圖1 配氣機(jī)構(gòu)仿真模型

圖2 正時(shí)系統(tǒng)三維模型和仿真模型

圖3 正時(shí)鏈條傳動自動張緊后模型

圖4 改進(jìn)前的鏈條傳動動畫

圖5 改進(jìn)前的鏈條節(jié)點(diǎn)位移

圖6 改進(jìn)前節(jié)點(diǎn)1與節(jié)點(diǎn)2的連接力曲線

圖7 改進(jìn)前節(jié)點(diǎn)1與各部件的接觸力曲線

通過改進(jìn)前的節(jié)點(diǎn)1與節(jié)點(diǎn)2的連接力曲線分析，可以看出改進(jìn)前節(jié)點(diǎn)1與節(jié)點(diǎn)2的連接力在875 N左右波動（圖6）。從改進(jìn)前的節(jié)點(diǎn)1與各部件的接觸力曲線可以看出，節(jié)點(diǎn)1與排氣鏈輪、進(jìn)氣鏈輪、固定導(dǎo)板、曲軸鏈輪、滑動導(dǎo)軌在嚙合點(diǎn)以及分離點(diǎn)附近的接觸力較大，其中與固定導(dǎo)板在嚙合點(diǎn)以及分離點(diǎn)附近的接觸力最大值達(dá)到500N左右（圖 7）。由此可以看出鏈條滑板導(dǎo)軌輪廓尺寸設(shè)計(jì)不合理，造成了鏈節(jié)與各部件的接觸應(yīng)力過大，這也是正時(shí)鏈條套筒開裂的主要原因。

2 改進(jìn)措施

通過改進(jìn)前鏈條傳動動畫分析及節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)與各部件的受力分析得出了正時(shí)鏈條套筒開裂的主要原因是由于鏈條滑板導(dǎo)軌輪廓尺寸設(shè)計(jì)不合理造成的，因此需要重新調(diào)整鏈條滑板導(dǎo)軌輪廓尺寸和鏈條的預(yù)緊力。將表1中鏈條滑板導(dǎo)軌中段半徑由358 mm改為368 mm，鏈條預(yù)緊力改為400 N后重新做動畫分析和受力分析。

改進(jìn)后，再次通過鏈條傳動在7000 r/min的動畫分析可以看出鏈條與鏈條滑板導(dǎo)軌的接合情況有了很大的改善，受力均勻，符合要求（圖8）。改進(jìn)后鏈條傳動在7000 r/min時(shí)鏈條節(jié)點(diǎn)位移分析，也分別選取1，31，61，91和121為研究對象。從圖9中可以看出，與改進(jìn)前變化不明顯，鏈條傳動都比較好，并未產(chǎn)生抖動現(xiàn)象。

改進(jìn)后的節(jié)點(diǎn)1與節(jié)點(diǎn)2的連接力曲線分析，可以看出改進(jìn)前節(jié)點(diǎn)1與節(jié)點(diǎn)2的連接力在500 N左右波動，比改進(jìn)前減少了375 N，減幅達(dá)42.9%（圖10）。從改進(jìn)后的節(jié)點(diǎn)1與各部件的接觸力曲線可以看出，節(jié)點(diǎn)1與排氣鏈輪、進(jìn)氣鏈輪、固定導(dǎo)板、曲軸鏈輪、滑動導(dǎo)軌在嚙合點(diǎn)以及分離點(diǎn)附近的接觸力均小于改進(jìn)前，特別是與固定導(dǎo)板在嚙合點(diǎn)以及分離點(diǎn)附近的接觸力為320N左右，比改進(jìn)前降低了180N，降幅達(dá)36%，如圖11所示。

圖8 7000 r/min的鏈條傳動動畫

圖9 7000 r/min的鏈條節(jié)點(diǎn)位移

對改進(jìn)后的滑板導(dǎo)軌進(jìn)行了受力分析（圖 12），從中可看到，只是在開始調(diào)整的時(shí)候滑板導(dǎo)軌受力較大，隨著傳動的進(jìn)行，力的波動很小；同時(shí)可看出，改進(jìn)后的滑板導(dǎo)軌受力比改進(jìn)前的小，優(yōu)于改進(jìn)前。

對改進(jìn)后的滑板導(dǎo)軌重新進(jìn)行了生產(chǎn)，在交變負(fù)荷下做了鏈條和齒輪的嚙合實(shí)驗(yàn)。在鏈輪齒上涂抹一層顏料，用鏈條與其搭配轉(zhuǎn)動300～500 h，觀察其嚙合斑點(diǎn)和鏈條套筒的破裂情況（圖13）。從圖中可以看出，鏈條與進(jìn)、排氣凸輪軸鏈輪與曲軸鏈輪的磨損均勻，其嚙合情況得到了很大的改善，鏈條套筒并沒有出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，滿足了設(shè)計(jì)要求。

圖10 改進(jìn)后節(jié)點(diǎn)1與節(jié)點(diǎn)2的連接力曲線

圖11 改進(jìn)后節(jié)點(diǎn)1與各部件的接觸力曲線

3 結(jié)束語

本文通過Excite-TD建立正時(shí)系統(tǒng)模型，并進(jìn)行仿真分析，找到了正時(shí)鏈條套筒開裂的真正原因，并對鏈條滑板導(dǎo)軌輪廓進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果表明，改進(jìn)后的鏈條傳動在受力方面得到了很好的改善，解決了正時(shí)鏈條套筒開裂問題。調(diào)整后的配氣機(jī)構(gòu)經(jīng)檢測，各項(xiàng)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。

圖12 改進(jìn)前后的滑板導(dǎo)軌受力曲線

圖13 改進(jìn)后鏈條與各鏈輪的嚙合情況

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