發動機正時鏈傳動系統設計及故障分析

張增光

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發動機正時鏈傳動系統設計及故障分析

張增光

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章以某款1.3L四缸汽油機的正時鏈傳動系統設計為例，簡要講解了整個正時鏈傳動系統相關零件的設計開發流程，詳細分析了正時鏈條的設計要點，列出了正時滾子鏈存在的主要失效模式，并針對其失效模式提出具體預防措施及整改建議。文章對鏈輪、自動張緊器、動定軌等其它正時傳動零部件的設計也作了簡要敘述。

正時系統；滾子鏈；失效模式

前言

正時傳動系統是發動機配氣系統的重要組成部分，它將曲軸的扭矩傳遞給凸輪軸，進而驅動氣門機構按時開啟和關閉，保證發動機正常連續地工作。

鏈傳動以其結構緊湊、使用壽命長、保養維護相對方便等優點廣泛地應用在中小型汽油機、柴油機之上。其中滾子鏈以其介于齒形鏈和套筒鏈之間的耐磨性和噪音性等特性以及成本低等優點被更為廣泛地使用。

如果整個正時鏈系統布置得當，鏈條正確得到張緊和潤滑，基本上可以做到同發動機同壽命，發動機20萬公里里程之后的磨損延長率可以做到e≤1%。不然很有可能會出現異常磨損、滾子破裂、脫落甚至鏈條斷裂等嚴重問題。文章主要簡要介紹使用滾子鏈中正時鏈系統的布置設計過程以及在該過程中各個相關零件設計過程中需要注意的要點，以避免滾子鏈出現上述異常磨損的問題。

1 正時鏈傳動結構及其特性

1.1 發動機正時鏈的特性

汽車發動機上使用的正時鏈條傳遞的功率和工作轉速遠大于普通工業鏈條，通常發動機正時傳動鏈主動鏈輪的工作轉速區間為1000~6000r／min，有的甚至已超過8000r／min。這不僅在高速工況下服役，而且承受著怠速、加速、減速等交變速度的沖擊，服役條件較為嚴酷。

發動機正時鏈條的耐磨損性能也不同于普通工業鏈條：普通工業鏈條的允許磨損伸長率e≤3％，而發動機正時鏈條的允許的最大伸長率≤1%，對于一些較昂貴的汽車所使用的正時鏈條要求其最大伸長率e≤0.5%，以確保汽車正時鏈系統的工作可靠性。

1.2 發動機正時鏈傳動主要結構

如圖1所示DOHC（雙頂置凸輪軸）結構的正時鏈傳動系統主要由正時鏈條、凸輪軸正時鏈輪、動軌、定軌、曲軸正時鏈輪、張緊器等零部件組成。

圖1 正時鏈傳動系統

圖1中：1排氣凸輪軸鏈輪；2進氣凸輪軸VVT鏈輪；3定軌；4曲軸正時鏈輪；5自動張緊器；6動軌組件；7滾子鏈條

2 正時鏈傳動系統設計

2.1 正時鏈傳動系統設計布置流程

正時鏈傳動系統一般布置于發動機的前端，縱跨缸體以及缸蓋兩大組要結構。

開始正時鏈傳動系統的設計布置工作時，凸輪軸中心以及曲軸中心位置一般都已經確定。即曲軸到各個凸輪軸的中心距已基本確定。在DOHC布置形式的機型中，即以既定的3個點的位置為基礎來進行整個正時鏈傳動系統的布置工作。

在布置設計之前要注意保持正時鏈傳動系統中各個鏈輪齒部軸向中心的鉛垂共面性，對于排量2.0L以下的發動機來講，一般各鏈輪鉛錘尺寸鏈公差需控制在±0.4mm以內。

正時鏈系統的一般設計流程如下：

（1）確定鏈條的類型：即選用齒形鏈、套筒鏈還是滾子鏈；

（2）確定鏈條的節距；

（3）計算確定曲軸鏈輪的齒數，繼而確定凸輪軸鏈輪的齒數。確定與鏈條嚙合的齒形參數，進而確定鏈輪直徑；

（4）設計布置鏈條與各鏈輪的包角，設計緊邊、松邊的張緊弧度，確定張緊器張緊位置，計算鏈條的長度；

（5）計算各鏈輪上的正時標記位置，確定鏈條上的正時標記位置；

（6）設計定軌形狀，確定其在缸體或缸蓋上的安裝位置；

（7）設計動軌形狀，確定其旋轉點的位置；

（8）設計張緊器，調整校核張緊力大小。

2.2 關于正時系統系統的潤滑設計

不同于齒形帶正時傳動，正時鏈傳動的發動機的鏈輪室需設計成密閉的形式，輪系的潤滑由曲軸旋轉飛濺出的機油以及凸輪軸系統泄下的機油潤滑，因滾子鏈與鏈輪是滾動接觸，這兩種潤滑方式對滾子鏈已經足夠，對于套筒鏈以及齒形鏈這兩種滑動接觸的鏈條則需要將潤滑油直接噴向齒輪鏈條嚙合區域，減少磨損。

2.3 正時鏈條的設計

2.3.1 選擇正時鏈條的類型

滾子鏈在套筒鏈的結構基礎上增加滾子這一零件，滾子與套筒間則為間隙配合，滾子與鏈輪的齒部嚙合。耐磨損性能與噪音水平、性能等居于套筒鏈與滾子鏈之間。廣泛應用于中小型發動機上。

2.3.2 正時鏈條參數選擇

節距為鏈條最為重要的參數，節距一旦確定，鏈條其它一些參數，比如鏈板厚度，鏈條寬度、滾子直徑等尺寸基本均可以根據標準確定。較大的節距意味著較大的承載力，但由于鏈條的多邊形效應同時也會導致不平穩性加劇。滿足承載力的前提下，盡量選較小p值。正時鏈可供選擇的節距尺寸為12.7mm、9.525mm和8mm。可根據國標《GB/T 18150- 2006 滾子鏈傳動選擇指導》進行選擇。正時鏈條選目前應用較為普遍的8mm節距。

2.3.3 確定各鏈輪參數

曲軸與凸輪軸的傳動比為=2:1，在設計過程中先確定曲軸鏈輪的齒數，再根據傳動比確定凸輪軸鏈輪齒數。一般曲軸鏈輪推薦的最小齒數為21，在合理考慮傳動扭矩，鏈條包角，導軌及張緊的情況下可以減小到19。根據既定的兩凸輪軸的位置，并根據兩鏈輪齒頂圓最小間距≥3mm的經驗數據，調節齒數滿足要求，以某1.3L汽油機正時鏈系統的鏈輪設計為例。

圖2 鏈輪齒形

齒頂圓直徑=+1.25d

d為滾子最大直徑，為5.65mm

根據目前兩凸輪軸間水平間距值L=97.9mm按照最小間隙3mm

最終通過計算，選擇凸輪軸齒數為Z=36，曲軸正時鏈輪的齒數Z= Z/i=36/2=18

此時曲軸鏈輪分度圓直徑d= 46.07mm凸輪軸鏈輪分度圓直徑為d=91.76mm。

較大的鏈輪直徑可以一定程度上降低鏈條的多邊形效應，降低鏈條滾子的磨損。

與其嚙合的鏈輪的齒數可選擇奇數，避免鏈條鏈節與固定的幾個齒嚙合，使磨損均勻。

2.2.4 鏈條長度計算

根據選定鏈條型號所能承受的最大載荷力，計算鏈條緊邊及松邊的長度，并確定動軌及定軌的導向曲線半徑，確定張緊器的張緊位置。

圖2 正時鏈的自由段

基本上每個鏈條在每個鏈輪之間的跨距上都需要布置有定軌或是定軌進行導向，但如果兩個凸輪軸鏈輪之間的間距較短，可不放置。

一般地，沿著鏈輪的轉動方向，鏈條與鏈輪嚙合前的鏈條段為緊邊，鏈條與鏈輪嚙合后的鏈條段為松邊。在鏈條緊邊需布置定軌，用兩個點固定住。在鏈條松邊需布置定軌，用一個點作為旋轉樞軸，用張緊器作用在動軌一點處對鏈條緊邊進行張緊。

除去與各鏈輪嚙合以及與定軌、動軌接觸的部分，鏈條余下的部分在工作過程中不與任何其他零件相接觸，如圖2中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ段為自由段。

自由段的長度不宜太長，太長會增大鏈條的擺動幅度，造成不正常接觸降低振動頻率至發動機常用轉速。自由段的長度會隨著鏈輪相位的改變而發生變化，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、變化量較小，一般可不考慮。自由段Ⅳ、Ⅴ因為在鏈條的松邊，隨著動軌的擺動發生較大變化。

自由段共振轉速隨著自由段長度即自由段鏈節數的增加而下降。對于目前廣泛應用于發動機的短節距精密滾子鏈或套筒鏈而言，自由段的鏈節一般不宜超過4節。即定軌、動軌要盡可能多地包裹住鏈條鏈節數，露出的自由段要盡可能地少。這些都要在鏈條長度時考慮到。

正時鏈的鏈節數一般為偶數，因為奇數鏈節的鏈條需要專門的連接結構，這種結構會嚴重地降低鏈條強度。且需保證鏈條鏈節數不是鏈輪齒數的整數倍，這樣可以避免鏈條上固定幾個鏈節與鏈輪固定幾個齒嚙合，造成磨損不均勻。

2.4 其他零件的設計

2.4.1 動、定軌的設計

動軌和定軌一般由耐磨玻璃纖維高分子材料制成，一般選用的材料為PA66或是PA46。動軌、定軌的導向弧線可根據鏈條緊邊、松邊的鏈節數確定。根據已確定的弧度設計動、定軌的具體形狀并確定安裝孔位置以及緊固螺栓型號等。

2.4.2 鏈條張緊器的設計

鏈條的張緊器主要分為機械張緊器與液壓張緊器兩種形式。機械式張緊器結構簡單便于布置安裝，適合較鏈輪間跨距較小、鏈條長度較短的布置。液壓挺柱，由發動機潤滑系統提供機油，可應對多種發動機工況及動態力。為應對發動機剛剛啟動時油壓尚未完全建立起來的情況，可選擇帶有棘爪結構的張緊器，可以在油壓不足的情況下提供適當的張緊力。

張緊器的張緊行程除了要補償掉鏈條長時間工作后磨損伸長之外，還應考慮到鏈條便于安裝到鏈輪上所留的裕度。一般為鏈條總長的2%。

3 滾子鏈的主要失效模式及預防措施

3.1 滾子鏈的主要失效模式

滾子鏈在運行過程中最容易出現的失效模式為磨損以及滾子破裂

（1）試驗研究表明，滾子鏈磨損機制為疲勞磨損，有時伴有磨粒磨損、粘著磨損。

鉸鏈磨損后使外鏈節節距變大，內鏈節節距不變。節距變大后滾子爬高，產生跳齒或脫鏈。如圖3所示：

圖3 磨損后的滾子鏈

（2）滾子破裂失效

汽車鏈在高速區工作時，滾子或套筒的沖擊疲勞破裂是其主要的失效形式。滾子作為鏈條與鏈輪的嚙合元件，它直接承受若較大的沖擊載荷，在循環應力作用下，在滾子的應力集中區即滾子端部會萌生疲勞裂紋，并逐漸向滾子中部擴展，當滾子的制造工藝與加工質量達不到要求時，裂紋不斷擴展并導致端部掉塊或整體破裂。當產生破裂的滾子達到一定數量時，由于與鏈輪處于非正常嚙合狀態，工作張力急劇增加，最終導致鏈條斷裂。

目前，常用的滾子成形方法有卷制和冷沖兩種，只要成形原理和模具精度符合要求，兩種工藝成形的滾子均可以滿足汽車鏈的使用工況。應該注意，卷制滾子接縫周邊的劃痕與展延、冷沖滾子內表面的縱向劃痕與端部的橫向臺階在制造過程中應盡量消除或控制。上述質量缺陷正是滾子破裂的疲勞裂紋源之一，需得到鏈條制造商足夠的重視。

3.2 1.3L汽油發動機正時鏈滾子破損問題分析整改

某1.3L四缸汽油發動機的正時鏈傳動系統在實驗過程中多次出現滾子磨損嚴重、破裂、脫落等問題。

圖4 破裂的滾子

將某1.3L汽油機正時鏈條各組成零部件的硬度同競品機上的正時鏈條進行檢測對比，得出以下數據：

表1 故障鏈條與競品機鏈條硬度對比

由上表可知故障鏈條滾子硬度相比競品機鏈條要低，經與鏈條生產商對接該問題，將滾子的硬度由HV390min 更改為HV580(-30~+50)，鏈條滾子破損的問題得到有效改善。

將滾子剖開，查看滾子內部磨損情況：

圖5 剖開的滾子及套筒表面

圖6 滾子加工工藝改善前

圖7 滾子加工工藝改善后

由以上圖片中可看出套筒表面為與滾子對應的局部磨損。證明與滾子接觸不均勻。滾子內壁磨損面較小，不均勻。基本呈兩端磨損，尤其為滾子內壁拉斷處附近。證明為局部與套筒接觸受力。滾子相對容易受損破裂。

鏈條供應商針對滾子與套筒磨損不均勻的情況更改了滾子的加工工藝，采用了冷鍛加工時將切斷帶保留在滾子中部然后沖掉的工藝，將拉斷帶由原來的滾子兩端移動到滾子中部，使得滾子與套筒的摩擦接觸更加均勻，避免了局部磨損的情況，可以對鏈條滾子的破損起到一定的改善作用。

經對比分析目前造成鏈條滾子破裂及磨損的主要原因如下：

（1）鏈條滾子的圓柱度超差。其導致滾子與套筒接觸承壓面積小，出現滾子受力異常或不均，造成滾子表面產生麻點和磨損，使滾子容易受損，甚至出現破裂嚴重現象。

（2）鏈條滾子壁厚不均勻。其導致成品鏈條滾子間隙不穩定，也可能直接影響鏈條與鏈輪嚙合匹配性能，出現滾子轉動不靈活和滑動接觸現象而造成滾子容易破裂。

（3）鏈條滾子表面硬度偏低，致使其表面在外力作用下容易造成麻點現象

主要改善措施：

（1）要求供應商加強質量控制。滾子直線度(0.02mm 以下)、圓柱度度(0.02mm 以下)、表面粗糙度(Ra0.4)和壁厚差(0.05mm 以下)等。

（2）改善滾子的加工工藝，使其與套筒之間的間隙更均勻，相對運動更加順暢。

（3）在不影響和保持鏈條滾子壓破力及抗沖擊性能前提下，調整提高鏈條滾子熱處理后表面為表面 HV580（－30～+50）。

4 結論

正時鏈傳動系統的主要設計流程如下：

（1）確定鏈條的類型：即選用齒形鏈、套筒鏈還是滾子鏈；

（2）確定鏈條的節距；

（3）計算確定曲軸鏈輪的齒數，繼而確定凸輪軸鏈輪的齒數。確定與鏈條嚙合的齒形參數，進而確定鏈輪直徑；

（4）設計布置鏈條與各鏈輪的包角，設計緊邊、松邊的張緊弧度，確定張緊器張緊位置，計算鏈條的長度；

（5）計算各鏈輪上的正時標記位置，確定鏈條上的正時標記位置；

（6）設計定軌形狀，確定其在缸體或缸蓋上的安裝位置；

（7）設計動軌形狀，確定其旋轉點的位置；

（8）設計張緊器，調整校核張緊力大小。

定軌、動軌要盡可能多地包裹住鏈條鏈節數，露出的自由段要盡可能地少，自由段的鏈節一般不宜超過4節。

保證鏈條鏈節數不是鏈輪齒數的整數倍，這樣可以避免鏈條上固定幾個鏈節與鏈輪固定幾個齒嚙合，造成磨損不均勻。

在滾子鏈設計過程中，滾子硬度需滿足使用要求，一般節距為8mm的滾子鏈其滾子硬度應保證≥550（HV）；在保證滾子精度的同時，注意滾子的加工工藝。滾子與套筒間隙值應適當并均勻，保證轉動靈活，以免因為堵塞造成異常磨損。

[1] 徐灝機械設計手冊[M].北京:機械工業出版社.1992（5）.

[2] 袁兆成.內燃機設計[M].北京:機械工業出版社.2008（7）.

[3] 呂翔,吳聯穎,王懷宇,孟繁忠.汽車發動機正時鏈系統設計方法[J]. 哈爾濱工業大學學報,2009(5).

[4] GB/T 1243-2006 傳動用短節距精密滾子鏈,套筒鏈,附件和鏈輪[S].

[5] John Manning internal combustion engine design Ricardo UK Limi ted 2012.

[6] 周飛,李志威,田俊鵬,袁爽,沈源.瑞平發動機正時鏈傳動系統設計[J]農業裝備與車輛工程,2015.(10).

Timing Chain Drive System Applied In Gasoline Engines

Zhang Zengguang

( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Taking a 1.3L 4-cylinder gasoline engine model for example, this paper briefly explains the whole development process of timing chain driving system, analyses the design elements of timing chain and lists the main failure modes and measures to avoid and how to improve. In this paper, advices are also given to those other parts of timing system-sprockets, tensioners, guide and tensioner blade.

timing system; roller chain; failure modes

TP23

B

1671-7988(2018)22-187-05

張增光，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。

TP23

B

1671-7988(2018)22-187-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.067