某發動機配氣正時系統問題解決

余偉，余彪，曹江懷

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某發動機配氣正時系統問題解決

余偉，余彪，曹江懷

（奇瑞汽車股份有限公司動力總成技術中心性能分析部，安徽 蕪湖 241009）

通過AVL EXCITE Timing Drive對某三缸機進行配氣正時系統動力學分析，得到該發動機在各不同轉速下配氣系統動力學結果等，柴油機后端通過一凸輪軸齒輪驅動一驅動扭矩高達80牛的高壓油，通過對配氣和正時系統的仿真，油泵的扭矩對正時系統造成極大影響，并試驗中曾出現正時鏈條斷裂等事故。本次分析將對正時鏈條斷裂給出合理解釋并提供解決方案。

配氣機構；正時系統；油泵

前言

配氣正時系統在發動機動力傳遞中起著非常重要的作用，普通柴油機或者汽油機凸輪軸后端通過齒輪驅動高壓油泵，最大扭矩值20N.m-30N.m左右，發動機后端驅動高壓油泵扭矩高達*(此處省去)N.m，傳遞到前端直接導致正時鏈條斷裂，通過仿真分析，重新匹配油泵的安裝相位，降低高壓油泵扭矩對配氣以及凸輪軸扭矩的影響，優化正時鏈解決此問題。

1 解決問題思路

本文解決思路如下：

（1）配氣系統及正時系統結構介紹；

（2）根據數模搭建Exicite-td模型；

（3）配氣系統新老方案計算結果對比；

（4）正時鏈系統新老方案計算結果對比。

1.1 配氣系統及鏈驅動正時系統結構介紹

本發動機是由曲軸驅動正時鏈輪，正時鏈輪驅動排氣凸輪軸，排氣凸輪軸通過壓裝在凸輪軸前端的一對正時齒輪驅動進氣凸輪軸，進氣凸輪軸后端驅動高壓油泵。

正時系統由曲軸正時鏈輪和凸輪軸正時鏈輪、正時鏈、定軌、動軌、張緊器構成；配氣系統由進、排氣凸輪軸、進、排氣凸輪軸正時齒輪、和驅動油泵齒輪、油泵齒輪構成。

1.2 配氣正時系統ETD模型的建立

配氣系統凸輪軸、凸輪軸齒輪、氣門，彈簧，搖臂、挺住等零部件均采用AVL EXCITE Timing Drive仿真軟件里面的專用單元模擬，正時系統凸輪軸正時鏈輪、曲軸正時鏈輪、液壓張緊器等采用通用單元模擬，正時鏈條采用鏈宏單元模擬。分別將配氣系統和正時系統模型搭建好后，將兩個系統裝配在一起即可，此處務必要注意各旋轉單元的旋轉方向，和坐標，否則運行出錯。

此模型搭建在進氣凸輪軸后端有一個反向扭矩，扭矩值高達*(此處省去)N，因此必須輸入油泵扭矩值。如此高的油泵扭矩（此扭矩是一般發動機油泵扭矩3倍），對配氣和正時系統均有巨大的影響，若正好油泵扭矩與配氣正時系統扭矩波峰或者波谷疊加，引起共振，勢必導致最終輸出扭矩達到峰值，因此，如何降低油泵扭矩對發動機的影響，是解決試驗過程中出現鏈條斷裂問題的關鍵。

計算中必須通過平移扭矩相位，得到符合動力學計算要求的最佳角度，并轉化為燃油泵最終安裝角度（簡稱油泵相位角）。

1.3 配氣系統主要零部件分析結果

1.3.1 凸輪表面接觸應力

圖1 進氣凸輪表面接觸應力對比

圖2 排氣凸輪表面接觸應力對比

圖1、圖2分別為凸輪與從動件表面接觸應力值大小對比（取第一缸），可以看到，4000rpm時，進氣凸輪與搖臂滾子接觸應力低于700MPa，排氣凸輪與搖臂滾子接觸應力約800MPa，均低于凸輪材料的許用設計值。但由于進氣凸輪軸直接驅動油泵，高達80N的油泵扭矩力作用在進氣凸輪軸上，使得凸輪軸的工作受到較大影響，因此原始油泵相位角在凸輪軸非基圓處出現短暫接觸零點（紅色線框部分所示），這是配氣系統設計時不允許出現的，而改進后的方案表現正常。

1.3.2 凸輪軸前端扭矩

圖3 兩方案進氣凸輪軸前端扭矩

油泵扭矩對凸輪軸前端扭矩值造成很大的影響，老的方案中，進氣凸輪軸前端扭矩峰值高達158N，排氣高達180N（除去毛刺），優化方案中，進氣凸輪軸前端扭矩最大值133N，排氣凸輪軸前端扭矩最大值141N，且扭矩平均值也有所降低。

圖4 兩方案排氣凸輪軸前端扭矩

1.4 正時鏈系統主要零部件分析結果

1.4.1 正時鏈條內力

圖5 兩方案正時鏈條內力

在配氣正時系統設計時，正時鏈條的內力取決于很多因素，其中重要的影響因素有：正時系統布置、凸輪軸輸出扭矩、潤滑、正時系統各零部件之間沖擊等等。此項目初期發動機在試驗過程中出現多次鏈條斷裂，為將改動最小，此處僅對油泵安裝相位進行更改，計算得到最小凸輪軸扭矩值，因而得到最小的鏈內力。原始方案與優化油泵安裝角度后的新方案：正時鏈條內力由原來的4388.07N降低到2887.73N.正時鏈條內力降低較多，按照計算結果確定的最佳相位裝機，正時鏈條未出現斷裂，可見本次計算結果對項目的推進起到非常重大的作用。

2 結論

本文通過運用AVL軟件多相位角對比計算，反復調整燃油泵安裝相位，得到最小凸輪軸輸出扭矩，并最終得到最小鏈內力，將燃油泵對配氣和正時系統造成的影響降低到最小。同時再結合對配氣系統、正時系統各重要參數綜合評價，最終選取最優相位角。

正時鏈條斷裂、張緊器失效等正時、配氣系統試驗問題很復雜，由于目前如此高扭矩燃油泵用于發動機尚且少，本文主要是介紹一種思路，分析軟件一定程度上可以對項目起到預警并規避風險的作用，但并不能完全表達實際發動機運行工況，若要將系統各項參數優化到最佳，還需根據試驗，將正時系統、配氣系統的布置、零部件各項參數等都優化到最佳狀態，這樣才能有效、長期規避后期出現的各種風險。

[1] AVL INC.Exicite timing drive user guide.

Problem solving of timing system for a certain engine

Yu Wei, Yu Biao, Cao Jianghuai

( Performance Analysis Department of Powertrain Technology Center, Qirui Automobile Co., Ltd., Anhui Wuhu 241009 )

The dynamic analysis of the gas timing system of a three-cylinder engine was carried out by AVL EXCITE Timing Drive, and the dynamic results of the gas distribution system at different speeds were obtained. The rear end of the diesel engine drives a high-pressure oil with a driving torque of up to 80 cattle through a camshaft gear. Through the simulation of the gas distribution and timing system, the torque of the oil pump has a great impact on the timing system. In the test, there have been accidents such as the break of the timing chain. This analysis will provide a reasonable explanation and a solution to the fault of the timing chain.

Gas distribution mechanism; Timing system; oil pump

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1671-7988(2018)22-152-02

U463.5

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余偉，就職于奇瑞汽車股份有限公司動力總成技術中心性能分析部。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.054