汽車發動機鏈傳動系統NVH 改善措施的研究

張 瑩 趙乃博 吳豐凱 費 侃 袁 爽

（1-寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司 浙江 寧波315336 2-浙江吉利動力總成有限公司）

引言

汽車發動機的正時傳動系統主要有皮帶傳動和鏈條傳動2 種類型。皮帶傳動的結構簡單、傳動平穩，但皮帶的使用壽命較短，且傳動中時有打滑現象，傳動比不穩定[1]。鏈條傳動具有可靠性高、耐磨性好、與發動機同壽命的優勢，缺點是鏈傳動系統的嘯叫噪聲較大。隨著現代轎車發動機強化程度的不斷提高，排放法規不斷加嚴，維護周期的不斷延長，正時傳動系統的負荷越來越大，對配氣正時的精度要求也越來越高，因此在中高級轎車發動機上采用正時鏈條傳動越來越多[2]。目前乘用車市場競爭日趨激烈，消費者對乘用車的品質及NVH 要求也越來越高，在嚴峻的市場競爭壓力下，各個主機廠對如何優化改善車輛NVH 性能的問題也日益重視。因此鏈傳動系統的嘯叫問題也越來越受到關注。

本文針對一款四缸發動機的鏈系統嘯叫問題進行相關的測試分析，同時提出解決方案，并通過NVH 測試及可靠性耐久試驗驗證，有效地解決了該發動機的鏈系統嘯叫問題，為鏈系統嘯叫問題的解決提供了重要的參考建議。

1 鏈傳動系統嘯叫產生的機理及現狀

1.1 嘯叫產生的機理

嚙合沖擊引起的鏈節振動或鏈輪振動所產生的噪聲是鏈傳動噪聲最主要的部分，這種噪聲是嚙合過程中鏈條與鏈輪輪齒間相互作用而產生的，如圖1所示。傳統的滾子鏈與鏈輪嚙合時,后一個滾子B 沿著前一個已嚙入的滾子A 的中心O 為圓心、以節距p 為半徑的圓弧嚙入鏈輪；滾子是首先直接與鏈輪底部接觸,這必然會有接觸的突變,產生沖擊，隨著鏈條與鏈輪的嚙合,這種沖擊呈現出一定的周期性，嚙合噪聲隨嚙合頻率的增大而增大[3]。

圖1 鏈傳動的嚙入沖擊

1.2 鏈傳動系統的NVH 現狀

隨著鏈傳動系統嘯叫的持續改善，目前市場鏈傳動系統的聲壓級也逐漸降低，為掌握目前市場主流車型的鏈傳動系統噪聲情況，我們對4 款車型分別對駕駛室內駕駛員右耳及機艙近場進行NVH 測試對比。4 款車型信息見表1 所示。

表1 對標車資料

1.2.1 P 擋加速工況對比測試

P 擋加速工況下，駕駛員右耳及機艙近場聲壓級對比曲線圖分別如圖2 和圖3 所示。

圖2 P 擋加速工況駕駛員右耳聲壓級

圖3 P 擋加速工況機艙近場聲壓級

P 擋加速工況下，駕駛室內A、B 車噪聲水平相當，C 車相對嘯叫比較明顯，D 車相對較好，但是仍然存在嘯叫，識別度相對較低。4 輛車的機艙近場噪聲水平相當。

1.2.2 3 擋POT 工況對比測試

3 擋POT 工況下駕駛員右耳及機艙近場聲壓級對比曲線圖分別如圖4 和圖5 所示。

圖4 3 擋POT 工況駕駛員右耳聲壓級

圖5 3 擋POT 工況機艙近場聲壓級

3 擋POT 工況下，駕駛室內A、D 車水平相當，嘯叫也相對較小，C 車相對嘯叫比較明顯，B 車水平居中，并且相對較平穩。

從測試結果看，4 款車均存在不同程度的嘯叫，D 車整體噪聲水平相對較好，C 車略差。

2 降低嘯叫噪聲的方法

要解決噪聲就要從激勵源出發，降低嚙合噪聲。通常采用的方式是更改為齒形鏈，改變鏈條與鏈輪的嚙合方式，但是這種變更，將會帶來整個正時鏈系統的成本增加約40%～50%，這部分成本的上漲，對于發動機的成本壓力較大，也是各主機廠難以實施的問題點之一。尋找一種改善效果明顯，無成本增長，或成本增長較少的方案是改善嘯叫問題的重中之重。

借鑒橡膠的減震降噪的效果，在聲源曲軸正時鏈輪上增加一層橡膠，制作成包膠鏈輪，使滾子在嚙入前，鏈板先與橡膠接觸，從而減緩滾子與鏈輪的接觸沖擊噪聲。

包膠鏈輪只需在現有的普通鏈輪外層增加橡膠，替換現有的鏈輪，正時系統結構及其他零部件均無需改動。樣件制作簡單，易于實施，且成本變化較小，能夠滿足成本和降噪的雙重需求。

3 包膠鏈輪設計要點

包膠鏈輪的設計原理是鏈條的鏈板與橡膠提前接觸從而緩沖滾子嚙入時的沖擊噪聲，因此鏈板與橡膠的干涉量以及橡膠材料是設計方案的關鍵點。

3.1 包膠鏈輪橡膠與鏈條鏈板的干涉量的設計

鏈條在鏈輪上實際的運行軌跡是一個多邊形，鏈板最下邊緣與包膠鏈輪的外徑之間的差值即為干涉量，如圖6 所示，干涉量是緩沖降噪的主要部分。

圖6 橡膠與鏈板干涉示意圖

因此干涉量為D/2-r

式中：D 是橡膠直徑，r 是鏈板的內切圓半徑，r 可由下式計算得出：

式中：d 為分度圓直徑；P 為鏈條節距；b 為鏈板寬度。

3.2 橡膠的選擇

考慮包膠鏈輪的使用工況，需要選擇一種具有良好的耐油、耐高溫、耐低寒、耐磨性能好，同時具有較高的抗壓縮永久變形性能的橡膠材料。在各種橡膠材料中,HNBR 以其優異的綜合性能和高性價比而滿足各項指標，且已廣泛應用于汽車傳動系統油封、同步帶等部件[4]。因此，HNBR 是包膠鏈輪橡膠材料的首選。

HNBR 的硬度常用的是70 HA～90HA。根據包膠鏈輪的使用工況，既要滿足耐磨性，又要達到良好的NVH 性能，因此需要結合NVH 及臺架耐久綜合驗證結果確定。

4 包膠鏈輪的設計方案

為了起到較好的減震降噪效果，橡膠與鏈板的干涉量為0.7 mm，橡膠選用較為成熟的70 HA 的氫化丁腈橡膠。

設計方案首先要完成整車的NVH 測試，確認嘯叫問題的改善情況，然后再進行單體可靠性試驗，以保證滿足使用壽命要求。

4.1 整車NVH 測試

NVH 測試在同一臺車上，保證邊界條件相同情況下，進行非包膠鏈輪鏈系統、包膠鏈輪狀態鏈系統及齒形鏈系統3 種狀態的對比測試，測試結果如圖7和圖8 所示。

圖7 P 擋加速工況時駕駛員右耳聲壓級

圖8 3 擋POT 工況時駕駛員右耳聲壓級

測試結果顯示，3 種狀態的鏈系統，包膠鏈輪鏈系的NVH 水平與齒形鏈系的總體水平相當，1 000 rpm以下低于20dB（A），3000rpm 以下基本低于30dB（A），均優于非包膠鏈輪鏈系，嘯叫問題改善明顯，可進一步驗證該方案的可靠性。

4.2 單體疲勞耐久試驗

為快速有效驗證包膠鏈輪的可靠性能及耐磨性能，我們設計了包膠鏈輪的單體試驗臺和試驗方法。如圖9 所示，上端的小鏈輪即為包膠鏈輪，對包膠鏈輪安裝的主軸施加一定的載荷和轉速，并定時檢查鏈輪的磨損情況，如無異常，完成500h 測試后即為通過試驗。

圖9 包膠鏈輪單體試驗

首次試驗，每隔4 h 檢查試驗情況，第一次的4 h檢查發現橡膠已經有輕微磨損，繼續試驗觀察，至16 h時，磨損非常嚴重，橡膠已失效。通過這16 h 的驗證，說明本次試驗的橡膠雖然能夠滿足NVH 要求，但是耐久性能較差，不能滿足使用要求，需進一步提升橡膠的耐磨性，重新進行方案的調整和優化。

4.3 包膠鏈輪的改進方案

為了解決橡膠磨損問題，從2 方面分別進行調整和驗證：

1）提高橡膠的硬度；

2）減小干涉量。

為了滿足NVH 和可靠性的雙重需求，我們經過了數十個方案的調整和驗證，最終才匹配出最佳的方案。本文只列舉其中4 個典型方案數據，以供參考。4 個方案見表2。

表2 優化方案匯總表

4.3.1 NVH 測試對比

保持測試邊界條件相同，對同一輛車更換不同的包膠鏈輪，進行對比測試，測試結果如圖10 和圖11 所示。

圖10 P 擋加速工況時駕駛員右耳聲壓級

圖11 P 擋加速工況機艙近場聲壓級

4 個方案的NVH 測試結果評價匯總見表3。

表3 各方案NVH 評價匯總表

4.3.2 橡膠耐磨性對比

繼續在單體試驗臺上采用相同的試驗工況進行耐久試驗，并每隔10 h 觀察橡膠的磨損情況，并按表4 形式記錄進行對比分析。

經過耐久試驗時間和磨損量的對比分析，方案三和方案四的磨損量相當，磨損情況最好，滿足使用要求，方案一最差。詳見表5。

表4 各方案耐久試驗記錄表

表5 各方案耐久試驗評價匯總表

4.3.3 最終方案的選擇

綜合整車NVH 測試和臺架耐久試驗結果，見表6。

表6 各方案綜合評價匯總表

從綜合結果看，方案三為最優方案，為確認改善效果，我們將包膠鏈輪鏈系統與前面2.2 介紹的測評NVH 相對較好的D 車進行數據對比，整理數據如圖12 所示。

圖12 P 擋加速工況時駕駛員右耳聲壓級

從數據中可以看出，包膠鏈輪鏈系統的NVH 改善明顯，且已優于市場車型的鏈系統NVH 水平約3～10 dB（A）。

5 包膠鏈輪對鏈系統的影響

上一章主要介紹的是包膠鏈輪的設計方案及NVH 測試和單體疲勞耐久試驗驗證情況。在設計方案通過NVH 和單體耐久試驗驗證后，還需要進行發動機的可靠性耐久試驗驗證，并且只有通過發動機的可靠性耐久驗證后，該設計方案才可實施。然而在進行發動機可靠性試驗中，發現新的問題產生——爬齒。

在常規的鏈傳動系統設計中，爬齒是指鏈條與鏈輪嚙合過程中，由于鏈條節距的變化，導致鏈條與鏈輪嚙合的時候，并非直接落入齒根，如圖13 所示，滾子A 在落入齒根的情況下，由于鏈條節距變化，滾子B 在未完全嚙合而滾子C 和滾子D 已經與鏈輪齒接觸，進而再滑入齒根。長期以此方式進行嚙合，導致齒部的異常磨損。

圖13 鏈條爬齒情況示意圖

經過多種方案的調整和試驗，包膠鏈輪的爬齒問題的原因最終鎖定在鏈系統的張緊力上。包膠鏈輪雖然經過單體試驗驗證，且在試驗中未發現磨損以外的其他問題，但是由于該單體疲勞試驗的驗證方法只是穩態的疲勞試驗，而包膠鏈輪實際在發動機的運行工況是動態的，未結合到鏈系統的動態性能，鏈系統的受力是時刻變化的。對于包膠鏈輪而言，由于鏈板與橡膠的干涉量的存在，當系統張力不足以壓縮橡膠發生形變使鏈條正常嚙合時，同樣會發生上圖的爬齒現象。這種爬齒問題主要會發生在系統反力較小的情況下。因此要避免爬齒問題的發生，必須要通過鏈系統的動態測試試驗，確定各個工況下的系統張力，匹配合理的緊鏈器，從而保證系統的可靠性。

因此我們重新進行鏈系統的動態試驗，重新進行張緊器的選型，再次進行發動機的可靠性試驗，進行了多輪的發動機試驗，爬齒的問題徹底解決。

6 結論

通過以上設計及試驗，經驗總結如下：

1）橡膠與鏈條鏈板的干涉量直接影響到NVH的改善效果，在滿足磨損性能要求的情況下選擇更佳的干涉量，以達到更好的NVH 效果。

2）橡膠的硬度低，耐磨性能偏低，對于耐久壽命影響較為嚴重，因此推薦使用高硬度的橡膠作為首選材料。

3）設計包膠鏈輪的鏈系統需要進行系統的動態測試，以確定系統受力的情況，選擇合適的張緊器，以達到發動機的耐久性能要求。

綜上所述，包膠鏈輪的設計對于解決鏈系統的嘯叫問題起到非常關鍵的作用，本文通過對不同干涉量及不同膠品的NVH 測試和耐久試驗驗證，推薦了最佳的設計方案，同時總結了開發過程中出現的失效問題及其解決措施，對于國內各主機廠應用包膠鏈輪改善發動機鏈系統的嘯叫問題提供了重要的設計依據和指導。