某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)系統(tǒng)優(yōu)化分析

豆剛，陸榮榮，潘月成，劉吉林

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

前言

現(xiàn)有某款車型需要根據(jù)市場需求進(jìn)行更新?lián)Q代，為應(yīng)對國家排放法規(guī)要求，需要同步對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行性能提升和改進(jìn)。本文主要對其中的正時(shí)系統(tǒng)變化進(jìn)行有限元分析，并對設(shè)計(jì)方案提出優(yōu)化改進(jìn)措施。

1 計(jì)算過程

該柴油發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)系統(tǒng)共分為二級結(jié)構(gòu)，第一級為曲軸動(dòng)轉(zhuǎn)泵高壓油泵系統(tǒng)，由曲軸鏈輪作為主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵和高壓油泵；第二級為高壓油泵凸輪軸系統(tǒng)，由高壓油泵鏈輪承擔(dān)主動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)凸輪軸鏈輪。依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的布置結(jié)構(gòu)搭建相應(yīng)的分析模型，進(jìn)行預(yù)緊力和傳動(dòng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算。

1.1 分析模型

圖1 分析模型

1.2 正時(shí)系統(tǒng)布置和參數(shù)輸入

系統(tǒng)中各鏈輪坐標(biāo)以曲軸鏈輪為原點(diǎn)、水平向右為x軸進(jìn)行確定，數(shù)值如圖2所示。

鏈輪齒形參數(shù)如圖3所示。

鏈條設(shè)計(jì)參數(shù)如圖4。

圖3 鏈輪型線參數(shù)

圖4 鏈條參數(shù)圖

1.3 計(jì)算邊界和載荷

正時(shí)鏈條系統(tǒng)的頻率采用響應(yīng)分析，在凸輪軸上施加如下圖所示的扭矩激勵(lì)，然后通過高壓油泵鏈輪上的轉(zhuǎn)速響應(yīng)分析系統(tǒng)固有頻率，分析所采用的扭矩激勵(lì)如圖5。

圖5 曲軸扭振角

圖6 高壓油泵驅(qū)動(dòng)扭矩

圖7 凸輪軸驅(qū)動(dòng)扭矩

圖8 動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵驅(qū)動(dòng)扭矩

圖9 每工作循環(huán)內(nèi)的曲軸扭振曲線

圖10 每工作循環(huán)內(nèi)的凸輪軸扭矩曲線

圖11 每工作循環(huán)內(nèi)的高壓油泵扭矩曲線

2 傳動(dòng)動(dòng)力學(xué)分析

2.1 鏈條動(dòng)態(tài)張緊力

一級鏈條在計(jì)算張緊力時(shí)分為三段，分別為slack_span_pd、tight_span_1_pd和tight_span_2_pd，tight段張緊力均高于slack段，在1000rpm-5000rpm計(jì)算轉(zhuǎn)速內(nèi)，最大張緊力出現(xiàn)在tight_span_2_pd段，在FIP為wc工況，4000rpm以上，鏈條張力超出了限值2500N。

圖12 一級鏈條動(dòng)態(tài)張緊力

二級鏈條在1000rpm-5000rpm計(jì)算轉(zhuǎn)速內(nèi)，tight_span_sd和slack_span_sd段張力水平均低于限值2500N的要求。

圖13 二級鏈條動(dòng)態(tài)張緊力

2.2 液壓張緊器動(dòng)態(tài)特性

一級鏈張緊器動(dòng)態(tài)結(jié)果受高壓油泵（FIP）工況影響較大，油腔最高壓力為61bar，柱塞最大載荷為1400N，柱塞最大動(dòng)態(tài)位移為0.47mm。

圖14 一級鏈張緊器動(dòng)態(tài)特性

二級鏈張緊器動(dòng)態(tài)結(jié)果同樣也與高壓油泵（FIP）的工作工況關(guān)系較大，在wc工況，油腔最高壓力為50bar，柱塞最大載荷為890N，柱塞最大動(dòng)態(tài)位移為0.4mm。

圖15 二級鏈張緊器動(dòng)態(tài)特性

2.3 傳動(dòng)誤差

曲軸與凸輪軸之間的傳動(dòng)誤差最大達(dá)到 1.25 cam degree，閥系運(yùn)動(dòng)學(xué)中計(jì)算得到的最大誤差限值為 2.5cam degree，凸輪軸的正時(shí)誤差滿足要求。

曲軸與高壓油泵之間的傳動(dòng)誤差最大為1cam degree。

圖16 正時(shí)系統(tǒng)傳動(dòng)誤差

圖17 凸輪軸最大允許正時(shí)誤差

3 結(jié)論

（1）在一二級鏈系統(tǒng)中，一級鏈條張緊力水平高于二級鏈條，從計(jì)算結(jié)果來看，當(dāng)高壓油泵（FIP）為wc工況時(shí)，曲軸與動(dòng)轉(zhuǎn)泵間的鏈條在轉(zhuǎn)速4000rpm以上張力超出了限值2500N，最大張緊力為2750N；

（2）鏈條張緊器的油腔最高壓力為61bar，柱塞最大載荷為1400N，柱塞最大動(dòng)態(tài)位移為0.47mm；

（3）曲軸與凸輪軸之間的傳動(dòng)誤差最大達(dá)到 1.25 cam degree，小于閥系運(yùn)動(dòng)學(xué)中計(jì)算得到的最大誤差限值 2.5cam degree。

4 建議

（1）凸輪軸扭矩為初期方案的數(shù)據(jù)結(jié)果，新狀態(tài)的扭矩計(jì)算結(jié)果已經(jīng)完成，建議對數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，對鏈條系統(tǒng)動(dòng)態(tài)進(jìn)行分析的更新；

（2）動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵的扭矩在計(jì)算中設(shè)定為常數(shù)形式，與實(shí)際工況存在差異，該部分可能影響到鏈條的動(dòng)態(tài)張緊力和張緊器的動(dòng)態(tài)結(jié)果，尤其是鏈條張緊力，在部分工況張力已經(jīng)超出了限值，若考慮動(dòng)轉(zhuǎn)泵驅(qū)動(dòng)載荷的波動(dòng)，張緊力結(jié)果可能更加惡化，所以建議在后期試驗(yàn)中對鏈條壽命進(jìn)行關(guān)注。