未來配氣機構鏈傳動與皮帶傳動的競爭

【奧地利】 W.Schffmann　M.HowlettC.TruffinetN.Ausserhofer

綜合評述

未來配氣機構鏈傳動與皮帶傳動的競爭

現代轎車汽油機和柴油機的配氣機構大多采用鏈傳動或皮帶傳動。AVL公司對這兩種傳動技術進行了試驗研究，并得到了以下研究成果。

配氣機構噪聲鏈傳動皮帶傳動

1　目標規(guī)范決定系統的選擇

配氣傳動機構的技術選擇決定了發(fā)動機設計的總體特性，并對其結構形成重大影響。轎車發(fā)動機配氣傳動機構大多采用齒形皮帶和鏈傳動技術2種傳動型式（圖1），例如干式和濕式皮帶或齒形和滾子鏈條。近10年來，新發(fā)動機開發(fā)趨向于選用鏈傳動機構。皮帶傳動發(fā)動機的主要市場則集中于歐洲和南美洲，在亞洲的市場份額保持在50%左右。濕式皮帶傳動技術曾在歐洲和亞洲局部地區(qū)量產中應用過，基于目前的開發(fā)狀況，這種相對較新的技術的市場份額可望達到3%～10%。

在特定的應用場合選擇最合適的配氣傳動機構，應在評估發(fā)動機系統層面目標規(guī)范的基礎上進行，并綜合考慮摩擦損失、疲勞強度、維護保養(yǎng)，以及在整個使用壽命期中配氣定時的變化、動態(tài)性能、聲學特性、質量、安裝空間和制造成本等因素。

2　摩擦

配氣傳動機構通過其摩擦損失直接影響發(fā)動機的燃油耗，因此配氣傳動機構的低摩擦設計變得越來越重要。對當前發(fā)動機摩擦進行的試驗研究表明［1-2］，皮帶傳動與鏈傳動之間并無統一的標準。圖2示出了12種轎車汽油機和8種轎車柴油機配氣傳動機構摩擦的測量結果，從圖中可以看出，就汽油機而言，鏈傳動和皮帶傳動的摩擦在分布帶低端處于非常相似的水平。AVL公司的測量結果表明，與套筒鏈和滾子鏈相比，齒形鏈呈現出摩擦較大的缺陷。正如皮帶制造商在新的材料和涂層方面的開發(fā)工作一樣，鏈條制造商在新型齒形鏈、滾子鏈或套筒鏈方面的開發(fā)工作也顯示出了其進一步降低摩擦的潛力。

3　配氣定時的精度

使用壽命期間皮帶或鏈條長度的變化會導致凸輪軸與曲軸之間配氣正時的偏差。圖3示出了長度伸長0.6%對氣門配氣正時和氣門與活塞頂間距的影響。目前，使用壽命期間氣門配氣正時發(fā)生8°CA（曲軸轉角）的偏差是可以接受的，而例如米勒循環(huán)［3］具有較高壓縮比和凸輪軸相位調節(jié)范圍很大的燃燒系統，則必須嚴格控制。

鏈條長度伸長0.2%～0.6%是典型的設計規(guī)范，并與所選擇的鏈條型式和機油狀況有關。皮帶在整個使用壽命期間的長度變化與皮帶的制造工藝有關，制造商規(guī)定其伸長長度在0.10%～0.25%之間，而發(fā)展趨勢趨向于達到下限值。

4　動力學性能

配氣傳動機構將曲軸的扭矩傳遞到凸輪軸上，而在工作循環(huán)期間曲軸轉速是變化的，因而凸輪軸的扭矩也是沿著凸輪廓線變化的，而且因氣門彈簧的反作用扭矩還可能會變換方向，這種負荷的相對相位可能會與凸輪軸相位調節(jié)器一起隨著發(fā)動機負荷和轉速而變化，因此整個配氣傳動機構處于高動態(tài)運行狀況，其幾何參數和張緊裝置應重新設計，設計準則是皮帶和鏈條的最大應力必須低于所選用技術的設計限值，以及凸輪軸扭振所引起的配氣正時的動態(tài)誤差。

通常而言，機械式或液壓式張緊裝置具有相似的工作特性。典型的干式皮帶機械式張緊裝置與發(fā)動機機油狀況和機油壓力無關。配氣傳動機構的位置（在發(fā)動機前端或飛輪端）不會對動態(tài)性能產生重大影響。典型的配氣傳動機構在發(fā)動機轉速范圍內至少有1個共振點（圖4）。皮帶傳動因其剛度較小，在發(fā)動機轉速范圍內往往呈現2個共振區(qū)域，但是并不明顯，只要其振幅保持在設計限度范圍之內即可。

高壓燃油泵的驅動扭矩是配氣傳動機構中的主要負荷。汽油機未來高壓燃油泵的驅動扭矩向柴油機高壓噴油泵的壓力水平方向提升，而柴油機的噴射壓力和高壓噴油泵的驅動扭矩都將進一步提高。由于鏈條的剛性較大，所以大驅動扭矩峰值在鏈條中產生了高的應力。與此相反，如果皮帶的狀況較好，其柔性對驅動扭矩峰值會起到補償作用。

如果氣門凸輪與噴油泵凸輪之間可達到最佳的相位角，那么就可利用凸輪扭矩波動的消除效果。在柴油機上，高壓噴油泵的最佳相位位置是氣門傳動機構中避免出現高傳動力的前提條件。

凸輪軸和曲軸的扭轉振動振幅與爆發(fā)壓力、曲軸剛度和飛輪質量等因素有關，可在1個寬廣的范圍內變化。鏈傳動、皮帶傳動機構與試驗數值相比較為相似，相位角的偏差在整個循環(huán)中并非是保持不變的，其最大的動態(tài)偏差為3～4°CA，符合排放和功率的設計要求。

5　聲學特性

皮帶或鏈條與齒輪嚙合所產生的噪聲是配氣傳動機構的主要噪聲來源。這種過程所產生的蜂鳴聲具有離散的頻率和其倍數的頻率，這取決于齒輪的轉速和齒數。這種噪聲可通過方案的選擇和優(yōu)化（如應力、鏈條結構型式、齒環(huán)的幾何參數）來降低，但是無法消除。其他噪聲現象可以通過設計規(guī)范大大降低，甚至予以消除，特別是配氣傳動機構罩蓋完全可以通過仔細的設計來避免因結構共振而出現的噪聲情況。

如果開發(fā)合適，鏈傳動和皮帶傳動機構可聽見的嚙合噪聲較少出現，但是由于這種噪聲較少與發(fā)動機噪聲疊加，因此這種噪聲出現在低負荷時的影響要大于全負荷時。如果嚙合噪聲可以聽見，那么鏈條噪聲因鏈條與鏈輪之間的金屬接觸所產生的噪聲更尖銳，其干擾性比皮帶噪聲更大。

圖5示出了在汽油機怠速運轉時距配氣傳動機構罩蓋1 m處所測得的發(fā)動機噪聲水平，圖中的粗實線表示噪聲的平均值，矩形框表示最好與最差發(fā)動機之間噪聲的分布范圍，其平均值就相當于皮帶傳動的噪聲水平（綠色平均值為0 dB）。齒形鏈條傳動的平均噪聲級低于套筒鏈條，與皮帶傳動非常相似，甚至還更低些。

配氣傳動機構整個噪聲級的分散度明顯高于鏈傳動與皮帶傳動之間的特性差異。發(fā)動機結構動力學對配氣傳動機構噪聲輻射的強烈影響有助于其產生大的變化，并被汽車集成的動態(tài)性能和汽車車身動力學放大。如果配氣傳動機構、發(fā)動機聲學性能和汽車噪聲-振動-平順性（NVH）特性都開發(fā)得合適的話，那么無論采用鏈傳動還是皮帶傳動都能獲得良好的汽車聲學性能。

一般而言，皮帶傳動具有非常良好的NVH特性。若采用濕式皮帶的話，則皮帶的NVH特性與密封機油的配氣傳動機構罩蓋堅固的結構相結合能獲得較好的噪聲性能。如果優(yōu)化設計規(guī)范，那么鏈傳動方案一般能獲得良好的發(fā)動機NVH性能，相反鏈傳動機構則可能導致可聽見干擾嚴重的蜂鳴聲。齒形鏈條可達到與皮帶傳動相似的NVH特性。

6　系統質量和外形尺寸

圖6所示的質量分析實例反映了當前直列式柴油機配氣傳動機構的狀況（至今尚無濕式皮帶傳動機構型式），圖中對比了同時驅動水泵和燃油泵的干式齒形皮帶、用階梯輪驅動燃油泵的兩級鏈傳動，以及凸輪軸驅動燃油泵的單級鏈傳動機構測量結果。

在考慮分級鏈傳動的導向裝置、張緊輪和鏈輪的情況下，高壓燃油泵集成在皮帶傳動中的附加轉向輪，可能會使系統質量比鏈傳動大。而總質量最輕的傳動系統是凸輪驅動燃油泵的單級鏈傳動。

就發(fā)動機艙而言，發(fā)動機的長度和高度是關鍵尺寸，而配氣傳動機構對這兩個尺寸具有直接的影響［4］。除了缸心距之外，配氣傳動機構和機油泵傳動機構的尺寸也是發(fā)動機總長度的決定因素。與鏈傳動相比，皮帶傳動影響發(fā)動機長度的附加幅度是皮帶本身寬度所引起的，而皮帶寬度則取決于負荷和所要求的使用壽命。

7　總結和展望

配氣傳動機構是發(fā)動機最重要的系統，其設計是新發(fā)動機總體布置的重要組成部分，轎車發(fā)動機的配氣傳動機構大多在鏈條和皮帶之間進行選擇。未來發(fā)動機開發(fā)的重點是降低CO2排放，并擴大對廢氣排放具有重要意義的運行范圍，因此配氣傳動機構的動態(tài)負荷和對配氣定時精度的要求都越來越高，同時發(fā)動機的全球制造也擴大了影響環(huán)境的范圍。

由于相互競爭的配氣傳動機構具有相似的工作能力及開發(fā)技術的進步，有必要對其各個重要方面不斷地進行評價檢驗。但是，在對系統進行比較的基礎上，不可能為所有發(fā)動機應用場合都選擇最佳技術［5］。從發(fā)動機結構角度來看，目前配氣傳動機構的技術狀況如下（圖7）：

（1）在發(fā)動機長度必須最短的情況下，鏈傳動優(yōu)于皮帶傳動；

（2）大多數汽油機和部分柴油機采用液壓式凸輪軸相位調節(jié)器，鏈傳動和濕式皮帶傳動是成本較為有利的配氣傳動機構方案；

（3）皮帶傳動可在整個使用壽命期間達到較高的配氣定時精度，這對于未來廢氣排放和燃油耗具有越來越重要的意義；

（4）由于噴油壓力越來越高，因而噴油泵扭矩對于皮帶和鏈條的使用壽命具有決定性作用。

為了使NVH、摩擦和動態(tài)性能等方面都達到最佳水平，需要仔細的設計和優(yōu)化傳動帶曲線形狀，但與選擇配氣傳動機構的型式無關，因此皮帶傳動與鏈傳動之間還將繼續(xù)存在激烈的競爭。

［1］Howlett M，Enzi B，von Falck G，et al.CO2reduction potential through improved mechanical efficiency of the internal combustion engine：technology survey and cost-benefit analysis［C］.SAE Paper，2013-01-1740.

［3］Kapus P，Prevedel K，Wolkerstorfer J，u.a.200 g/k·Wh-Kann der stchiometrische ottomotor den diesel schlagen？［C］.22.Aachener Kolloquium Automobil-und Motorentechnik，2013.

［4］Krehl D.Riementrieb versus kettentrieb［J］.MTZ，2013，74（12）.

［5］Howlett M，Schoeffmann W，Ausserhofer N，et al.Demands on future timing drives-chain and belt in competition［C］.SAE Paper，2015-01-1275.

范明強譯自MTZ，2015，76（7-8）

何丹妮編輯

2015-09-28）