汽車發(fā)動機正時鏈條套筒開裂仿真分析研究

張國勇，任小鴻，張加洪，高朝祥

（1.四川化工職業(yè)技術學院，四川瀘州 646099； 2.重慶小康工業(yè)集團股份有限公司，重慶 400033）

0 前言

發(fā)動機正時鏈條是發(fā)動機內部從曲軸到凸輪軸的傳動鏈，主要作用是驅動發(fā)動機的配氣機構，使發(fā)動機進、排氣門在適當的時候開啟或關閉，以保證發(fā)動機汽缸能夠正常地吸氣和排氣。在閉式油池潤滑條件下工作，發(fā)動機正時鏈條轉速可達7000 r/min。發(fā)動機正時鏈條在高速多沖、大載荷以及交變速度與交變載荷的共同作用下，容易出現正時鏈條套筒開裂的現象。通過Excite-TD軟件對正時鏈條進行了動畫仿真分析、鏈條節(jié)點位移分析、節(jié)點與節(jié)點的連接力曲線分析、節(jié)點與各部件的接觸力分析以及滑板導軌進行了受力分析，找到了正時鏈條套筒開裂的主要原因，并提出了改進措施。

1 原因分析

1.1 建立配氣機構建立仿真模型

配氣機構仿真模型有正時系統(tǒng)、進氣側閥系和排氣側閥系等3部分組成（圖1），由于進排氣閥系建模比較簡單，本文簡述正時系統(tǒng)建模過程，建模過程可按10步進行：①建立參考坐標系和當地坐標系，定義各零件的位置、自由度、質量數據等；②定義鏈、鏈輪、鏈條滑板導軌和固定導軌等的輪廓向量；③將輪廓向量賦予鏈、鏈輪及其固定導板和鏈條滑板導軌；④引入鏈宏單元；⑤連接與鏈相關的單元；⑥定義宏單元相關參數；⑦施加驅動和連接外載；⑧運行Tangent-Model-Editor，并檢查相關數據是否正確；⑨設置Simulation和Result Control參數，進行模擬計算；⑩分析結果，修正模型，重新計算。圖2為正時系統(tǒng)三維模型和仿真模型。參數設定以后，須經過切向編輯器進行張緊，張緊后的狀態(tài)以及鏈條節(jié)點的位置如圖3所示。

1.2 仿真參數設置

改進前的數據為鏈條滑板導軌輪廓尺寸（表1）和鏈條的預緊力（540 N）。

1.3 改進前仿真結果及分析

通過鏈條傳動動畫仿真分析可知，改進前的鏈條與鏈條滑板導軌接合不好（圖4）。改進前的鏈條節(jié)點位移分析，分別選取1，31，61，91和121為研究對象。從圖5中可以看出，改進前的鏈條傳動比較好，沒有產生抖動現象。

表1 改進前鏈條滑板導軌輪廓尺寸

圖1 配氣機構仿真模型

圖2 正時系統(tǒng)三維模型和仿真模型

圖3 正時鏈條傳動自動張緊后模型

圖4 改進前的鏈條傳動動畫

圖5 改進前的鏈條節(jié)點位移

圖6 改進前節(jié)點1與節(jié)點2的連接力曲線

圖7 改進前節(jié)點1與各部件的接觸力曲線

通過改進前的節(jié)點1與節(jié)點2的連接力曲線分析，可以看出改進前節(jié)點1與節(jié)點2的連接力在875 N左右波動（圖6）。從改進前的節(jié)點1與各部件的接觸力曲線可以看出，節(jié)點1與排氣鏈輪、進氣鏈輪、固定導板、曲軸鏈輪、滑動導軌在嚙合點以及分離點附近的接觸力較大，其中與固定導板在嚙合點以及分離點附近的接觸力最大值達到500N左右（圖 7）。由此可以看出鏈條滑板導軌輪廓尺寸設計不合理，造成了鏈節(jié)與各部件的接觸應力過大，這也是正時鏈條套筒開裂的主要原因。

2 改進措施

通過改進前鏈條傳動動畫分析及節(jié)點與節(jié)點、節(jié)點與各部件的受力分析得出了正時鏈條套筒開裂的主要原因是由于鏈條滑板導軌輪廓尺寸設計不合理造成的，因此需要重新調整鏈條滑板導軌輪廓尺寸和鏈條的預緊力。將表1中鏈條滑板導軌中段半徑由358 mm改為368 mm，鏈條預緊力改為400 N后重新做動畫分析和受力分析。

改進后，再次通過鏈條傳動在7000 r/min的動畫分析可以看出鏈條與鏈條滑板導軌的接合情況有了很大的改善，受力均勻，符合要求（圖8）。改進后鏈條傳動在7000 r/min時鏈條節(jié)點位移分析，也分別選取1，31，61，91和121為研究對象。從圖9中可以看出，與改進前變化不明顯，鏈條傳動都比較好，并未產生抖動現象。

改進后的節(jié)點1與節(jié)點2的連接力曲線分析，可以看出改進前節(jié)點1與節(jié)點2的連接力在500 N左右波動，比改進前減少了375 N，減幅達42.9%（圖10）。從改進后的節(jié)點1與各部件的接觸力曲線可以看出，節(jié)點1與排氣鏈輪、進氣鏈輪、固定導板、曲軸鏈輪、滑動導軌在嚙合點以及分離點附近的接觸力均小于改進前，特別是與固定導板在嚙合點以及分離點附近的接觸力為320N左右，比改進前降低了180N，降幅達36%，如圖11所示。

圖8 7000 r/min的鏈條傳動動畫

圖9 7000 r/min的鏈條節(jié)點位移

對改進后的滑板導軌進行了受力分析（圖 12），從中可看到，只是在開始調整的時候滑板導軌受力較大，隨著傳動的進行，力的波動很??；同時可看出，改進后的滑板導軌受力比改進前的小，優(yōu)于改進前。

對改進后的滑板導軌重新進行了生產，在交變負荷下做了鏈條和齒輪的嚙合實驗。在鏈輪齒上涂抹一層顏料，用鏈條與其搭配轉動300～500 h，觀察其嚙合斑點和鏈條套筒的破裂情況（圖13）。從圖中可以看出，鏈條與進、排氣凸輪軸鏈輪與曲軸鏈輪的磨損均勻，其嚙合情況得到了很大的改善，鏈條套筒并沒有出現破裂現象，滿足了設計要求。

圖10 改進后節(jié)點1與節(jié)點2的連接力曲線

圖11 改進后節(jié)點1與各部件的接觸力曲線

3 結束語

本文通過Excite-TD建立正時系統(tǒng)模型，并進行仿真分析，找到了正時鏈條套筒開裂的真正原因，并對鏈條滑板導軌輪廓進行了優(yōu)化。結果表明，改進后的鏈條傳動在受力方面得到了很好的改善，解決了正時鏈條套筒開裂問題。調整后的配氣機構經檢測，各項指標均符合設計要求。

圖12 改進前后的滑板導軌受力曲線

圖13 改進后鏈條與各鏈輪的嚙合情況

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