某直列四缸柴油機(jī)的正時(shí)鏈系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)

于波（上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海201804）

某直列四缸柴油機(jī)的正時(shí)鏈系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)

于波
（上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海201804）

介紹了一款直列四缸柴油機(jī)升級(jí)過程中正時(shí)鏈系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)方法和過程，并詳細(xì)介紹了概念設(shè)計(jì)中每個(gè)步驟需要完成的工作，展開敘述了正時(shí)鏈系統(tǒng)各零部件設(shè)計(jì)的一般準(zhǔn)則。本文還對(duì)正時(shí)鏈系統(tǒng)的摩擦功及鏈條受力作了研究，并通過計(jì)算展示了設(shè)計(jì)優(yōu)劣對(duì)于系統(tǒng)性能的巨大影響。

共軌柴油機(jī)正時(shí)鏈系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)

1　　前言

正時(shí)傳動(dòng)是發(fā)動(dòng)機(jī)中重要的組成部分，承擔(dān)了為配氣機(jī)構(gòu)傳動(dòng)動(dòng)力的職責(zé)。隨著頂置凸輪軸（OHC）成為新型乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)主流，正時(shí)齒輪傳動(dòng)已逐漸淡出，而正時(shí)鏈傳動(dòng)由于其免維護(hù)、可靠性好的特點(diǎn)，有著廣泛的應(yīng)用［1］，尤其在柴油機(jī)開發(fā)過程中，鏈系統(tǒng)是正時(shí)傳動(dòng)的首選方案。而正時(shí)鏈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，應(yīng)在保證可靠性和耐久性的前提下，盡量做到結(jié)構(gòu)緊湊、布置合理，實(shí)現(xiàn)輕量化和低能耗的設(shè)計(jì)。

2　　發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo)

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車排放產(chǎn)生的有害氣體日益嚴(yán)重地污染著人們的生存環(huán)境，為了節(jié)省能源消耗，保護(hù)人類的生存環(huán)境，世界各國(guó)先后制定了各種嚴(yán)格的排放法規(guī)，因此新型發(fā)動(dòng)機(jī)往往和小排量、高功率、低排放等概念聯(lián)系在一起。本文涉及的正時(shí)鏈系統(tǒng)，將運(yùn)用于一款直列四缸、排量為1.6L、歐Ⅵ乘用車柴油機(jī)。該1.6L柴油機(jī)基于一款已量產(chǎn)的直列四缸、1.9L排量的歐Ⅴ排放發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)的目標(biāo)是降低原發(fā)動(dòng)機(jī)的重量和尺寸，使之能用于更小的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙的新車型。表1給出了發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)及開發(fā)目標(biāo)。

正時(shí)鏈系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)的目標(biāo)包含以下內(nèi)容：（1）系統(tǒng)布置方案確定；（2）系統(tǒng)及零部件與整機(jī)的設(shè)計(jì)邊界確定，框架圖完成；（3）系統(tǒng)零部件的初步設(shè)計(jì)方案，包括材料和生產(chǎn)工藝初選；（4）系統(tǒng)級(jí)的技術(shù)優(yōu)化方案確定。

3　　正時(shí)系統(tǒng)布置方案設(shè)計(jì)

該柴油機(jī)在設(shè)計(jì)中，由于傳動(dòng)的布置策略不同，正時(shí)鏈系統(tǒng)的更改很大，相當(dāng)于全部重新設(shè)計(jì)。在原機(jī)中，燃油泵在發(fā)動(dòng)機(jī)前端進(jìn)氣側(cè)，高度位置居中，因此正時(shí)傳動(dòng)為兩級(jí)傳動(dòng)。先由曲軸傳動(dòng)燃油泵，再?gòu)娜加捅脗鲃?dòng)兩根凸輪軸，見圖1。在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，考慮到燃油泵位置對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體寬度及重量的不利影響，將燃油泵移至凸輪軸后端驅(qū)動(dòng)，因此正時(shí)傳動(dòng)變?yōu)榱烁o湊的一級(jí)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，由曲軸直接驅(qū)動(dòng)凸輪軸。并由于凸輪軸間距的限制，將原先正時(shí)鏈直接驅(qū)動(dòng)兩根凸輪軸改為僅驅(qū)動(dòng)其中一根，另一根由凸輪軸間的齒輪實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。

設(shè)計(jì)正時(shí)系統(tǒng)的第一步是確定凸輪軸的驅(qū)動(dòng)順序。正時(shí)鏈直接驅(qū)動(dòng)進(jìn)氣凸輪軸還是排氣凸輪軸沒有強(qiáng)制的要求，但是總的來說，在滿足布置要求的前提下，還需要考慮傳動(dòng)效率、準(zhǔn)確性和齒輪本身的設(shè)計(jì)及成本，見表2。

表1　　原機(jī)和升級(jí)機(jī)型的關(guān)鍵參數(shù)和開發(fā)目標(biāo)

圖1　　原發(fā)動(dòng)機(jī)的正時(shí)鏈系統(tǒng)示意圖

表2　　選擇凸輪軸驅(qū)動(dòng)順序需考慮的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

原機(jī)和新設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)都采用左側(cè)進(jìn)氣、右側(cè)排氣的布置形式，正時(shí)鏈分別驅(qū)動(dòng)進(jìn)、排氣凸輪軸的布置方案如圖2所示。由圖中可以看出，正時(shí)鏈直接驅(qū)動(dòng)排氣凸輪軸的方案更為緊湊，也能使機(jī)體前端重量減輕。

確定了凸輪軸驅(qū)動(dòng)順序后，確定由凸輪軸后端驅(qū)動(dòng)高壓燃油泵及真空泵的位置。根據(jù)表2中的傳動(dòng)效率原則，將傳動(dòng)扭矩較大的燃油泵布置在排氣凸輪軸后端，進(jìn)氣凸輪軸后端放置傳動(dòng)扭矩較小的真空泵。至此，系統(tǒng)布置方案的設(shè)計(jì)已完成，完整傳動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖2　　正時(shí)鏈驅(qū)動(dòng)不同凸輪軸的方案簡(jiǎn)圖

4　　正時(shí)鏈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)邊界及框架圖

完成系統(tǒng)的布置設(shè)計(jì)后，下一步是確認(rèn)系統(tǒng)下級(jí)各零部件與發(fā)動(dòng)機(jī)其他零件的關(guān)系，并以此確認(rèn)系統(tǒng)及零部件的設(shè)計(jì)邊界，通過框架圖（圖4）表示。

圖中，B代表螺栓連接，C代表設(shè)計(jì)間隙，F(xiàn)代表接觸配合，T代表扭矩傳遞，V代表振動(dòng)；點(diǎn)劃線框表示系統(tǒng)零部件，虛線框表示關(guān)鍵輸入條件。通過框架圖，正時(shí)鏈系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)其他零件的關(guān)系能夠直觀顯示，在后續(xù)設(shè)計(jì)開發(fā)中，即可按照框架圖中體現(xiàn)的零件關(guān)系對(duì)實(shí)際的設(shè)計(jì)交付進(jìn)行系統(tǒng)性地校核。

圖3　　升級(jí)機(jī)型的正時(shí)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)布置簡(jiǎn)圖

圖4　　升級(jí)機(jī)型正時(shí)鏈系統(tǒng)及零部件設(shè)計(jì)框架圖

5　　系統(tǒng)零部件初步設(shè)計(jì)

5.1正時(shí)鏈條

展開正時(shí)系統(tǒng)零部件設(shè)計(jì)的第一步是正時(shí)鏈條的選型。一般柴油機(jī)中，曲軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)大，且由于燃油直噴到氣缸內(nèi)，一旦燃油燃燒不充分，燃油會(huì)從活塞和缸孔的間隙進(jìn)入到油底殼內(nèi)而導(dǎo)致機(jī)油稀釋。大部分缸體采用鑄鐵材料，清潔度控制相對(duì)較差，往往較多的雜質(zhì)會(huì)進(jìn)入機(jī)油，鏈條還需驅(qū)動(dòng)燃油泵，較汽油機(jī)的鏈條受力普遍偏大，這些影響因素對(duì)柴油機(jī)鏈條的抗疲勞強(qiáng)度和抗磨損性有較高的要求，因此在升級(jí)機(jī)型中選擇9.525 mm節(jié)距鏈條［2］［3］。鏈型選擇上，齒型鏈由于其抗磨損性能較差，幾乎沒有柴油機(jī)中的應(yīng)用，不作考慮；套筒鏈相比滾子鏈，抗磨損性更好、摩擦損耗也較低，因此在升級(jí)機(jī)型中最終選定9.525 mm節(jié)距套筒鏈作為正時(shí)鏈條，并先以單排鏈作為首選方案，最終需通過CAE計(jì)算和系統(tǒng)測(cè)試確定是否有必要改為強(qiáng)度更高的雙排鏈。

5.2鏈輪

鏈條選型之后是鏈輪齒數(shù)的確定。配合套筒鏈的曲軸鏈輪，考慮到鏈條與鏈輪嚙合磨損的均勻性，應(yīng)取奇數(shù)齒；而曲軸鏈輪齒數(shù)應(yīng)盡量取大，改善正時(shí)鏈的多邊形效應(yīng)和受力情況［2］。但是曲軸鏈輪的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到凸輪軸鏈輪的設(shè)計(jì)邊界：一級(jí)傳動(dòng)中凸輪軸鏈輪直徑是曲軸鏈輪的2倍，而且凸輪軸鏈輪在發(fā)動(dòng)機(jī)及整車環(huán)境中常常是發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)最高點(diǎn)的位置，其邊界受到苛刻的行人碰撞保護(hù)要求的限制，不能設(shè)計(jì)得過大。在升級(jí)機(jī)型中，基于在限制條件下最大化鏈輪齒數(shù)的考慮，最終曲軸鏈輪和凸輪軸鏈輪齒數(shù)定義為21齒和42齒。

5.3張緊器與鏈條動(dòng)軌

在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，考慮沿用原機(jī)的2個(gè)液壓張緊器中的一個(gè)，張緊器的具體液壓特性及參數(shù)需在后續(xù)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段再做確定。該液壓張緊器在柱塞前端有一出油孔，張緊器高壓腔中的部分機(jī)油會(huì)從油孔中泄出，接著通過鏈條動(dòng)軌上的泄油通道噴射在正時(shí)鏈上，起到潤(rùn)滑的作用，見圖5。

圖5　　張緊器柱塞前端油孔泄油潤(rùn)滑示意圖

張緊器的安裝位置，考慮到由于正時(shí)鏈驅(qū)動(dòng)右側(cè)的排氣凸輪軸，缸蓋上進(jìn)氣側(cè)有較大空間可以安裝張緊器，相比將張緊器安裝在機(jī)體上來說，可以進(jìn)一步減少機(jī)體前端的寬度，達(dá)到整機(jī)減重的目的。但是液壓張緊器安裝在缸蓋上，發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)時(shí)機(jī)油到達(dá)張緊器的時(shí)間較長(zhǎng)，機(jī)油充滿張緊器前，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)使松邊的正時(shí)鏈條在慣性力作用下，反向作用在鏈條動(dòng)軌并最終作用在張緊器柱塞上，此時(shí)由于張緊器油壓還未來得及建立，柱塞尾部可能會(huì)被反推到張緊器殼體內(nèi)壁的底面，產(chǎn)生巨大的金屬敲擊聲［4］。由于原機(jī)的正時(shí)鏈系統(tǒng)為兩級(jí)傳動(dòng)，2個(gè)液壓張緊器分別安裝在機(jī)體和缸蓋上，對(duì)比在原機(jī)上張緊器安裝位置對(duì)冷啟動(dòng)的影響，這有助于張緊器選型，以及了解其對(duì)冷啟動(dòng)的影響程度。在原機(jī)上進(jìn)行了張緊器不同安裝位置的冷啟動(dòng)試驗(yàn)，其結(jié)果如圖6所示。

圖6　　原機(jī)冷啟動(dòng)過程中張緊器工作情況

從圖中可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，張緊器2種安裝位置下機(jī)油充滿張緊器的時(shí)間接近，分別為6.3 s和6 s。安裝在缸蓋上時(shí)，機(jī)油達(dá)到張緊器的時(shí)間較安裝在機(jī)體上時(shí)要慢了0.5 s，而張緊器安裝在缸蓋上其響應(yīng)速度較快（主要原因是張緊器內(nèi)部容積腔較?。Ｒ虼嗽诒敬卧O(shè)計(jì)中，最終選定原機(jī)中安裝在缸蓋上的張緊器。但是發(fā)現(xiàn)原機(jī)張緊器安裝在缸蓋上，在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后的0.5～2.5 s之間，存在張緊器柱塞反敲殼體的現(xiàn)象，見圖6（b）中矩形區(qū)域。在這次重新設(shè)計(jì)時(shí)，將該張緊器內(nèi)部彈簧預(yù)緊力加大，并在后續(xù)開發(fā)過程中對(duì)冷啟動(dòng)情況進(jìn)行跟蹤。

5.4鏈條定軌

原機(jī)的鏈條定軌采用一體式的尼龍導(dǎo)軌，材料為PA46，定軌的重量、成本均較低。且PA46作為工作面能夠有效降低鏈條與導(dǎo)軌的摩擦，是非常合理的設(shè)計(jì)。在升級(jí)機(jī)型中，由于整機(jī)的重量和尺寸是優(yōu)先級(jí)最高的設(shè)計(jì)關(guān)注點(diǎn)，因此在定軌的設(shè)計(jì)上采用沖壓鋼板為導(dǎo)軌支架、PA46為導(dǎo)軌工作面的方案，縮小機(jī)體前端的寬度18～20 mm，實(shí)現(xiàn)減重目的，如圖7所示。

圖7　不同方案定軌包絡(luò)示意

根據(jù)國(guó)外先進(jìn)供應(yīng)商的經(jīng)驗(yàn)，鏈條定軌的弧度對(duì)系統(tǒng)整體性能有非常大的影響。平坦的定軌設(shè)計(jì)，能夠有效降低系統(tǒng)的摩擦功，并且能夠減小緊邊的長(zhǎng)度，同時(shí)也能減少由于鏈條磨損導(dǎo)致的傳動(dòng)相位滯后。在這次正時(shí)系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)過程中，對(duì)平坦定軌和弧度定軌的方案與原機(jī)相同的方案進(jìn)行了計(jì)算比較。比較過程中還加入了導(dǎo)軌工作面采用PA66材料和PA46材料的比較，結(jié)果如圖8所示。

明顯可以看出，PA46相比PA66作為導(dǎo)軌工作面對(duì)降低系統(tǒng)摩擦功有一定幫助，而平坦導(dǎo)軌相比原型機(jī)導(dǎo)軌弧度可以大幅降低系統(tǒng)摩擦功，達(dá)20%以上。

6　　后續(xù)的系統(tǒng)優(yōu)化

完成系統(tǒng)零部件的概念設(shè)計(jì)后，檢查系統(tǒng)是否有進(jìn)一步優(yōu)化的可能性。由于升級(jí)機(jī)型中，燃油泵由排氣凸輪軸傳動(dòng)，其負(fù)載是正時(shí)鏈系統(tǒng)負(fù)載的重要組成部分，應(yīng)研究其對(duì)系統(tǒng)的不利影響并加以優(yōu)化。

共軌柴油機(jī)中，做功一次燃油系統(tǒng)即供油一次，燃油泵向共軌供油，共軌做為一個(gè)高壓儲(chǔ)存腔向噴油器供油［5］。而燃油泵一般都是柱塞泵結(jié)合轉(zhuǎn)子泵的結(jié)構(gòu)，而柱塞泵多數(shù)采用三柱塞形式，針對(duì)直列四沖程四缸柴油機(jī)而言，就是曲軸每轉(zhuǎn)動(dòng)2圈，凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)1圈，燃油泵轉(zhuǎn)動(dòng)4/3圈（燃油泵與發(fā)動(dòng)機(jī)速比=2/3），凸輪軸扭矩出現(xiàn)4個(gè)峰值，燃油泵內(nèi)部凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)接觸柱塞4次，也會(huì)出現(xiàn)4個(gè)峰值。當(dāng)凸輪軸和燃油泵的驅(qū)動(dòng)扭矩負(fù)載都由正時(shí)鏈系統(tǒng)承擔(dān)時(shí)，如果不對(duì)這2種負(fù)載的相位加以控制，就有可能出現(xiàn)峰值疊加的情況，此時(shí)鏈條受力會(huì)變大，不利于系統(tǒng)的可靠性、摩擦功以及噪聲水平，因此需要通過研究，錯(cuò)開峰值。通過對(duì)升級(jí)機(jī)型上正時(shí)鏈條計(jì)算，發(fā)現(xiàn)燃油泵與凸輪軸之間最佳相位角（可以認(rèn)為是扭矩峰值與另一扭矩谷值疊加）下鏈條緊邊的受力比最差相位角（峰值疊加）下的小25%左右（見圖9）。

確定了凸輪軸與燃油泵之間的最佳相位角之后，便可以從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上保證該角度，簡(jiǎn)單的鍵槽配合即可實(shí)現(xiàn)相位角的定位。

圖8　不同方案的正時(shí)鏈系統(tǒng)摩擦功水平比較

7　　結(jié)束語

完成以上步驟之后，正時(shí)鏈系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)基本完成，后續(xù)的零部件設(shè)計(jì)應(yīng)基于概念設(shè)計(jì)中所確定的設(shè)計(jì)策略進(jìn)行。另外值得一提的是，正時(shí)鏈系統(tǒng)是復(fù)雜的總成，承擔(dān)著控制配氣相位的關(guān)鍵功能，但是由于其設(shè)計(jì)邊界受到機(jī)體、缸蓋、潤(rùn)滑系統(tǒng)，甚至整機(jī)策略和邊界等的影響，在整機(jī)開發(fā)過程中常發(fā)生更改；每次設(shè)計(jì)更改，工程師都應(yīng)該仔細(xì)檢查系統(tǒng)的設(shè)計(jì)邊界和系統(tǒng)策略是否發(fā)生了變化，一旦有變化，必須重新進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，并嚴(yán)格按照概念設(shè)計(jì)的步驟重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖9　　燃油泵與凸輪軸間最佳及最差相位角對(duì)鏈條受力的影響

［1］周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［2］Mollenhauer K，Tsch？ke H，Handbuch Dieselmotoren［M］，Springer，1997.

［3］孟繁忠，李寶林，呂翔等.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，419 （5）：122-124.

［4］張京正，王勇，薛云娜.發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈波動(dòng)與沖擊特性［J］，山東大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，37（2）：30-33.

［5］柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)編輯委員會(huì).柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)（中冊(cè)）［M］.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1984.

An Inline Four-cylinder Diesel Engine Timing Chain System Concept Design

Yu Bo
（SAIC Motor Technical Center Engine Department，Shanghai 201804，China）

A concept design method and process of timing chain system of a four cylinder updating diesel engine is introduced，detailed introduction concept design each process require completed work，the general rule of the design of the component parts of the timing chain system is described.In this paper，research timing chain system friction power and chain load，by calculate demonstrate design quality for the great influence on the performance of the system.

common rail diesel engine，timing chain system，concept design

10.3969/j.issn.1671-0614.2016.01.003

來稿日期：2015-10-13

于波（1981-），男，工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)。