齒形鏈在高速重載發(fā)動(dòng)機(jī)上的正時(shí)傳動(dòng)應(yīng)用研究

朱美琳，付振明，陳 偉

（1 中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，山西大同037036；2 青島征和工業(yè)有限公司，山東青島266705）

發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)傳動(dòng)有3種傳動(dòng)形式，齒帶傳動(dòng)、齒鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)。傳統(tǒng)的齒輪傳動(dòng)擁有結(jié)構(gòu)可靠、設(shè)計(jì)技術(shù)成熟的優(yōu)點(diǎn)，但相對(duì)來(lái)說(shuō)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件數(shù)多、質(zhì)量大、沖擊大；齒帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、經(jīng)濟(jì)性好，而且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、沖擊小，但傳遞功率較低；齒鏈傳動(dòng)同齒帶傳動(dòng)一樣擁有運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、沖擊小、質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)，而且傳遞功率大大提高，完全可以滿足高速重載發(fā)動(dòng)機(jī)的使用需求。隨著齒形鏈設(shè)計(jì)、加工水平的不斷提高，齒形鏈機(jī)構(gòu)在克服了齒帶機(jī)構(gòu)傳遞功率低的不足后，以其與齒輪傳動(dòng)相比結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、沖擊小、質(zhì)量輕的優(yōu)勢(shì)，在發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中占有了越來(lái)越大的優(yōu)勢(shì)。

1 某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)傳動(dòng)工程設(shè)計(jì)

正時(shí)齒形鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的總體要求，按整機(jī)要求的傳動(dòng)比和箱體所給空間確定布局位置，正時(shí)齒形鏈傳動(dòng)的主動(dòng)鏈輪沒(méi)有設(shè)置在曲軸上，而是直接布置在降速大惰輪上，同大惰輪形成了塔輪組合，進(jìn)行同軸同步傳動(dòng)。正時(shí)齒形鏈傳動(dòng)的主軸與曲軸之間靠齒輪傳動(dòng)（其傳動(dòng)比為1∶2），正時(shí)齒形鏈傳動(dòng)的主軸與凸輪軸間的傳動(dòng)比為1∶1。正時(shí)齒形鏈鏈條圍繞在主動(dòng)鏈輪、惰鏈輪和凸輪軸鏈輪上，由3個(gè)導(dǎo)軌組成一個(gè)V型導(dǎo)軌組合，實(shí)現(xiàn)了V型傳動(dòng)，靠導(dǎo)軌對(duì)正時(shí)齒形鏈鏈條進(jìn)行導(dǎo)向。設(shè)置一個(gè)傳動(dòng)惰鏈輪，把正時(shí)齒形鏈鏈條的松邊分為兩端，由兩個(gè)液壓張緊器和活動(dòng)的張緊軌分別對(duì)正時(shí)齒形鏈鏈條的松邊進(jìn)行張緊。

齒形鏈正時(shí)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)布局示意圖，見(jiàn)圖1所示。齒形鏈正時(shí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3D模型見(jiàn)圖2所示。

2 鏈條靜強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)提供的結(jié)構(gòu)尺寸和位置尺寸，經(jīng)過(guò)計(jì)算選擇該靜音齒形鏈的節(jié)距為8mm，拉力為22kN。

汽車(chē)鏈靜強(qiáng)度的安全系數(shù)n＝Q／F。

式中Q為汽車(chē)鏈的拉力（靜強(qiáng)度）；F為汽車(chē)鏈緊邊工作張力。

式中P為凸輪軸功率；d1為主動(dòng)鏈輪分度圓直徑；n1為主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速；T為凸輪軸扭矩。

圖1 正時(shí)齒形鏈傳動(dòng)結(jié)構(gòu)布局示意圖

圖2 齒形鏈正時(shí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3D模型

已知P＝7.8kW ，T動(dòng)＝22N·m，n1＝2 100r／min。

計(jì)算得出d1＝48.61mm，T＝1.6×T動(dòng)＝35.2N·m

選擇鏈條的抗拉強(qiáng)度Q≥22 000N

安全系數(shù)n＝15.08

按F＝T／d1／2計(jì)算，得F＝1 448N

安全系數(shù)n＝Q／F＝15.19

由此可見(jiàn)，選擇CL05－11齒形鏈條能充分滿足該發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪軸正時(shí)可靠性要求。

3 齒形鏈正時(shí)傳動(dòng)可靠性部件試驗(yàn)研究

本設(shè)計(jì)采用了目前先進(jìn)的正時(shí)齒形鏈傳動(dòng)系統(tǒng)，并配以導(dǎo)板組件、張緊臂組件、張緊器等輔助裝置，整個(gè)系統(tǒng)總體布局合理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。理論靜強(qiáng)度計(jì)算初步確定了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可靠性。下面將通過(guò)部件臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)一步分析系統(tǒng)工作的可靠性。

3.1 平順性試驗(yàn)研究

平順性試驗(yàn)見(jiàn)圖3所示。

圖3 齒形鏈正時(shí)傳動(dòng)平順性試驗(yàn)系統(tǒng)

該鏈條在試驗(yàn)條件：Z1＝25，Z2＝25，n1＝2 100r／min時(shí)，鏈條運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)正常，各系統(tǒng)零件正常，系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速0～2 100r／min各階段，無(wú)共振現(xiàn)象。

3.2 鏈條耐磨試驗(yàn)研究

鏈條耐磨試驗(yàn)控制系統(tǒng)見(jiàn)圖4所示。

圖4 鏈條耐磨試驗(yàn)控制系統(tǒng)

該鏈條在試驗(yàn)條件：Z1＝25，Z2＝25，n1＝2 100r／min，P＝9.68kW 時(shí)，在運(yùn)轉(zhuǎn)700h后鏈條的磨損伸長(zhǎng)率為0.705%，見(jiàn)圖5所示。

圖5 鏈條的磨損伸長(zhǎng)率

試驗(yàn)研究結(jié)果直觀的說(shuō)明了齒形鏈的磨損伸長(zhǎng)率滿足ε≤1%的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 鏈條疲勞試驗(yàn)研究

鏈條疲勞試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)見(jiàn)圖6所示。

該鏈條在試驗(yàn)條件：Fm＝2.13kN，F(xiàn)a＝1.74kN時(shí)，疲勞循環(huán)次數(shù)達(dá)到107次，未破壞。滿足了齒鏈永久疲勞壽命使用需求。

3.4 部件試驗(yàn)研究結(jié)論

本設(shè)計(jì)采用了內(nèi)外復(fù)合嚙合的新型齒形鏈，其實(shí)現(xiàn)的是共軛嚙合傳動(dòng)，鏈板、銷軸和輪齒表面的磨損較輕，鏈板采用了優(yōu)質(zhì)彈簧鋼，并進(jìn)行等溫淬火，銷軸采用了優(yōu)質(zhì)合金鋼，并進(jìn)行表面C－N共滲處理，鏈輪采用優(yōu)質(zhì)合金鋼、滾齒加工，并對(duì)工作齒面進(jìn)行了表面強(qiáng)化處理，大大提高了鏈條的耐磨性，減小了磨損伸長(zhǎng)率，也提高了鏈條與鏈輪嚙合過(guò)程中的耐磨性。

由于與鏈條直接接觸的阻尼器、張緊臂上裝有高強(qiáng)度、高耐磨的工程塑料，在油滑潤(rùn)條件下，其磨損率較低，保持和控制了鏈條在運(yùn)動(dòng)中的軌跡，從而確保了兩凸輪原位與曲軸相位的準(zhǔn)確性。

試驗(yàn)也驗(yàn)證了該正時(shí)齒形鏈傳動(dòng)的鏈條相對(duì)磨損伸長(zhǎng)率ε≤1%，將保證發(fā)動(dòng)機(jī)配氣正時(shí)機(jī)構(gòu)正常工作，能達(dá)到該正時(shí)齒形鏈傳動(dòng)的使用壽命1 000h。

圖6 鏈條疲勞試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)

4 整機(jī)試驗(yàn)研究

該正時(shí)齒形鏈機(jī)構(gòu)在發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上隨整機(jī)通過(guò)了50h性能考核試驗(yàn)，50h考核后，齒鏈幾乎沒(méi)有出現(xiàn)磨損，只有輕微的壓痕。由此說(shuō)明，該齒形鏈的強(qiáng)度較好，可靠性較高。

正時(shí)齒形鏈50小時(shí)考核后的磨損情況見(jiàn)圖7。

圖7 正時(shí)齒形鏈50h考核后的磨損情況

5 結(jié)束語(yǔ)

齒形鏈在高速重載發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用較少，本次設(shè)計(jì)在缺乏設(shè)計(jì)參照的前提下，通過(guò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化布置，高性能材料的選取，齒鏈設(shè)計(jì)新技術(shù)的引入，完成了齒形鏈系統(tǒng)在某高速重載發(fā)動(dòng)機(jī)上的工程應(yīng)用設(shè)計(jì)。并通過(guò)了強(qiáng)度理論計(jì)算，平順性、疲勞特性、耐磨特性部件試驗(yàn)研究、整機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)研究對(duì)齒鏈系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了全面的分析研究，確保了齒鏈系統(tǒng)的使用可靠性要求。

［1］顏景平.變節(jié)距鏈的勻速機(jī)理分析［J］.應(yīng)用科學(xué)學(xué)報(bào)，1988，6（2）：123－131.

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［3］機(jī)械工程手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械工程手冊(cè)（第2版）［M］..北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

［4］齒輪手冊(cè)編委會(huì).齒輪手冊(cè)（第2版）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［5］全國(guó)鏈傳動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB／T10855－1989，傳動(dòng)用齒形鏈及鏈輪［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1989.

［6］吳序堂.齒輪嚙合原理［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982：17－19.