試論汽車發動機正時鏈傳動系統設計步驟

李直敏

摘要：發動機正時鏈傳動系統是發動機的重要組成部分，它連接著曲軸端和凸輪軸端，影響著凸輪軸所關聯的氣門機構、高壓油泵系統能否穩定的工作。本論文主要從正時鏈傳動系統的設計角度出發，分別從正時鏈系統的選型、layout布局、3D數模設計、2D圖紙以及模擬仿真等方面進行闡述，初步描述整個系統的設計步驟。

Abstract： The engine timing chain transmission system is an important part of the engine. It connects the crankshaft end and the camshaft end， and affects the stable operation of the valve mechanism and high-pressure oil pump system associated with the camshaft. This thesis mainly starts from the design perspective of the timing chain transmission system， and elaborates on the timing chain system selection， layout， 3D digital model design， 2D drawings and simulation simulation， etc.， and preliminarily describes the design steps of the entire system.

關鍵詞：汽車發動機;正時鏈傳動系統;設計步驟;運行仿真;設計布局

Key words： automobile engine;timing chain transmission system;design steps;operation simulation;design layout

中圖分類號：U464.12? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）18-0032-02

0? 引言

隨著技術的不斷進步，正時鏈傳動系統在汽車發動機中的應用越來越廣泛。與此同時，汽車發動機開發周期越來越短，正時鏈系統的設計時間也相應地不斷被壓縮，所以合理的規劃正時鏈系統的設計步驟尤為重要。依據舍弗勒正時鏈系統多年的設計經驗以及客戶的相關要求，初步給出按照選型、設計和仿真三個方面的設計。

1? 客戶要求和正時鏈系統的選型

1.1 客戶要求

設計之初，客戶都會對正時鏈系統有基礎的要求，系統方面比如鏈條的類型和疲勞極限、鏈系統噪音的要求、發動機的熱效率和正時鏈系統的摩擦功要求等;具體的設計細節比如曲軸鏈輪的齒數、液壓張緊器的布置、滑軌的材料等。所有這些輸入要求都是來自發動機的自身定位和相關的缸體缸蓋等邊界要求，這些要求都會在正時鏈系統的選型和具體設計中體現。

1.2 正時鏈系統選型

正時鏈系統選型主要包括鏈條的選型、滑軌材料的選型、液壓張緊器的選型、上導軌壓入形式的選型等，主要分析如下：

關于正時鏈條主要有三種類型，齒形鏈、套筒鏈和滾子鏈，齒形鏈靜音效果較好，套筒鏈抗磨損，而滾子鏈性能較綜合，隨著各個主機廠對NVH要求越來越高，當下齒形鏈應用的越來越普遍。根據不同的應用需求，鏈條還可以按照節距分為6.35mm、8mm、9.525mm等，考慮到多邊形效應目前6.35mm節距應用的較為廣泛。

關于滑軌材料，當下較為普遍使用的是PA66、PA46、PA66-PTFE等，主要依據主機廠對鏈系統摩擦功損失的要求，PA46抗摩擦功損失和抗磨損性能較好，當然成本也高些，目前PA66使用最為廣泛。

關于液壓張緊器的選擇，依據正時鏈條是否防跳齒分為有棘齒功能和非棘齒功能張緊器，一般來說，選擇齒形鏈正時鏈條的會搭配棘齒功能張緊器，主要是因為對于齒形鏈鏈輪而言，齒根圓和齒頂圓距離較近容易造成跳齒失效。當然，選擇時也會綜合考慮layout布局時計算的柱塞伸長量，若伸長量較小時可以選擇非棘齒功能張緊器。

關于上導軌壓入形式的選擇，壓入式有利于正時鏈系統動態性能的穩定，非壓入式的上導軌則有利于正時鏈系統摩擦功的損失。當下，提高發動機熱效率減小摩擦功損失是重要趨勢，很多主機廠更愿意選擇非壓入式的上導軌。

2? 正時鏈系統的設計

汽車發動機正時鏈系統的設計是嚴格按照一定的原則和流程進行的，其具體的設計主要包括三個部分：layout布局、3D設計、2D設計。

2.1 layout布局

在發動機正時端邊界的基礎上，結合正時鏈系統的選型而定義的參數進行layout布局，依據運算結果對當前的layout布局進行優化，主要包括鏈條力和張緊器柱塞力的比值系數，自由鏈節數、動/定導軌的半徑大小等。layout布局是整個正時鏈系統的基礎設計，對正時鏈系統的動態性能以及耐久磨損具有重要意義。

2.2 3D設計

Layout布局輸出正時鏈系統的型線參數，依據此型線進行3D設計，一般在CreO中完成。3D設計時滿足型線是基礎要求，同時依據相關經驗和計算要保證零部件的力學性能和熱脹冷縮對于尺寸的影響，對于塑料件尤為重要。不僅如此，還要依據正時端邊界參數來保證正時鏈系統零部件的安全距離參數。此外，便于生產也是一個重要要求。圖1是一個典型的正時傳動系統數模。

2.3 2D設計

所有的零部件最終還是得依據2D圖紙進行生產和檢驗，在基于3D數模的基礎上，準確的將所有形狀用2D展示出來，同時對重要的形狀和裝配位置進行尺寸和公差的定義。標準公差時不僅要考慮零部件本身還要充分考慮供應商的生產能力，在確保供應商能生產的基礎上保證零部件尺寸，否則，無論是過設計抑或設計不足，都會影響到零部件的質量和成本。

3? 正時鏈系統的仿真

正時鏈系統仿真包括動力學仿真和靜力學仿真，是確定正時系統設計方案有效性的重要步驟，通過動力學仿真可以初步判定正時系統的動態性能，如鏈條力、凸輪軸角振動和液壓張緊器柱塞振動位移等;通過靜力學仿真可以直觀的判斷零部件的設計強度和變形量等。

3.1 正時鏈系統動力學仿真

正時鏈系統動力學仿真能初步地展示整個系統的動態性能，主要包括系統輸入、系統仿真和系統輸出三個部分。系統輸入包括客戶端的激勵和鏈系統供應商端的系統參數，有曲軸的轉速不均勻性、凸輪軸驅動扭矩（包含高壓油泵、真空泵等）、液壓張緊器低壓腔的機油壓力波動、凸輪軸系統質量和轉動慣量;鏈條參數、液壓張緊器參數、動/定導軌質量和轉動慣量以及系統的layout布局等。圖2是一個典型的動力學仿真輸入模型。

系統仿真先是確定高壓油泵的相位角，通過疊加效應使得凸輪軸整體的驅動負載最小化和均勻化，然后進行“3X3”組合運算，即三組油溫40℃/90℃/120℃和三組液壓張緊器卸油間隙參數的組合，盡可能地考慮到不同油溫、不同負載工況和液壓張緊器組裝的變化，充分的模擬實際可能出現的組合和極限情況。

系統輸出即正時鏈系統動態性能參數，包括鏈條力、凸輪軸角振動和液壓張緊器柱塞振動位移等。鏈條力是最重要的參數，它表征著系統的摩擦功損失和鏈條伸長率的大小，包括平均鏈條力和最大鏈條力，原則上越小越好，最大不超過鏈條的旋轉疲勞極限值;凸輪軸角振動表征著正時傳動系統的精度，是保證凸輪軸轉角位置的重要參數，一般要求誤差±2°曲軸轉角;液壓張緊器柱塞振動位移表征著系統是否平順穩定，一般要求在3mm范圍內。

3.2 正時鏈系統靜力學仿真

正時鏈系統的靜力學仿真主要判斷各個零部件是否滿足強度要求，如系統中的動導軌、定導軌、上導軌、曲軸鏈輪、機油泵鏈輪、液壓張緊器鋁殼體等。針對塑料件主要判定在最大鏈條力作用下的最大應變和最大位移，一般情況下，最大應變不超過0.5%，最大位移不超過2mm，最小安全系統不小于1.5。針對鈑金件主要在最大鏈條力作用下的最大應力不高于屈服應力，且最小安全系數不小于1.5。針對鏈輪主要判定在最大鏈條力作用下的齒部的疲勞安全系數，根據鏈輪的材料選擇適應性的系數，一般不小于1.5。

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