關于發(fā)動機正時齒形帶系統(tǒng)優(yōu)化的研究

於鳳濤

（安徽全柴動力股份有限公司，滁州 239500）

0 概述

隨著柴油機的制造技術和工業(yè)水平的不斷進步，越來越多柴油機的正時系統(tǒng)由齒輪傳動演變成齒形帶傳動。與傳統(tǒng)齒輪傳動相比，齒形帶傳動具有運行更加平穩(wěn)、傳動慣性小、噪聲小等特點，能夠為柴油機提供更優(yōu)異的動力性和舒適性。正時系統(tǒng)由曲軸齒形輪驅(qū)動，通過皮帶連接噴油泵齒形輪和凸輪軸齒形輪，從而使噴油泵和配氣機構按一定的傳動比隨曲軸進行轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)進排氣門周期性的打開、關閉及噴油泵周期性的供油。

然而正時皮帶屬于橡膠件，需要定期保養(yǎng)，其使用壽命不如齒輪，同時正時系統(tǒng)的壽命直接影響發(fā)動機的壽命，故而需提高皮帶傳動平穩(wěn)性，以此延長正時系統(tǒng)的使用壽命。

1 理論計算

正時系統(tǒng)工作的動力源為曲軸旋轉(zhuǎn)運動，通過皮帶驅(qū)動噴油泵及凸輪軸的轉(zhuǎn)動，然而噴油泵和凸輪軸的轉(zhuǎn)動需要周期性的力矩，圖1和圖2為某2．0L高壓共軌的柴油發(fā)動機的相關數(shù)據(jù)。

當發(fā)動機運轉(zhuǎn)時，噴油泵與凸輪軸分別按照上述的周期性扭矩作用到正時系統(tǒng)上，扭矩的不斷變化使正時皮帶抖動和正時張緊器擺動［1］。為了發(fā)揮采用皮帶傳動的正時系統(tǒng)的優(yōu)勢，以及滿足其系統(tǒng)的設計要求，需將正時系統(tǒng)的皮帶抖動及張緊器擺幅盡可能降到最低。但根據(jù)發(fā)動機的工作原理［2］，氣門的升程軌跡會直接影響發(fā)動機性能和排放等，凸輪軸的凸輪無法進行調(diào)整，即凸輪軸的驅(qū)動扭矩曲線無法調(diào)整。根據(jù)高壓油泵的性能要求，噴油泵泵軸初始安裝位置與噴油泵的性能無關，即噴油泵的泵軸初始位置可以適當調(diào)整。

圖1 噴油泵驅(qū)動力矩曲線

圖2 凸輪軸驅(qū)動扭矩曲線

首先基于高壓油泵的泵軸鍵槽處于豎直方向為原始位置，將凸輪軸與高壓油泵的驅(qū)動扭矩進行疊加，得出曲線，如圖3所示。

將泵軸沿順時針方向轉(zhuǎn)16°，并定為初始安裝位置，此時將凸輪軸與高壓油泵的驅(qū)動扭矩進行疊加，得出曲線，如圖4所示。

圖3 原始位置曲線圖

圖4 順時針轉(zhuǎn)16°的扭矩曲線

將泵軸沿順時針方向轉(zhuǎn)32°，并定為初始安裝位置，此時將凸輪軸與高壓油泵的驅(qū)動扭矩進行疊加，得出曲線，如圖5所示。

以此類推，繪制出一系列的扭矩曲線圖。扭矩曲線中存在多個峰值，相鄰2個峰值的幾何差值為ΔNe，相鄰2個峰值間的角度差值為Δθ，正時系統(tǒng)的性能為

其中，α為正時系統(tǒng)的性能，α值越大，正時系統(tǒng)的受力變化越劇烈，峰值越多，代表正時系統(tǒng)受力變化越頻繁。

因此，為了從理論設計的方向優(yōu)化正時系統(tǒng)，理論判斷的力矩為：峰值越少，正時系統(tǒng)運行越平穩(wěn)；α值越小，正時系統(tǒng)運行越平穩(wěn)。

從上述扭矩曲線來看，原始位置的正時系統(tǒng)情況最為平穩(wěn)，正時系統(tǒng)性能最好，其使用壽命也最長。

2 試驗測試

2．1 測試的評判依據(jù)

柴油機在指定工況下運轉(zhuǎn)、測試張緊器的擺幅、正時齒形帶的振幅、惰輪所承受的徑向力等其參數(shù)均需滿足設計要求，即張緊器擺幅≤±3°，正時齒形帶的振幅≤±5%×L（L為2個傳動輪間皮帶的跨距），惰輪徑向力需盡可能小，以此可延長軸承的使用壽命，其中張緊器擺幅可表示正時系統(tǒng)運行的平穩(wěn)性。

圖6為正時輪系在工作狀態(tài)下正時齒形帶的振動情況，由此看出2個傳動輪間的跨距越大，其皮帶的振幅越大。皮帶抖動的原因為：曲軸在活塞做功的作用下，將往復運動轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)運動，同時向外輸出力矩，通過齒形帶將此力矩傳遞給正時系統(tǒng)里的各個部件；噴油泵與凸輪軸運行過程中需要一個周期性變化的力矩驅(qū)動，同時向正時皮帶傳入一個周期性的激勵；最終，正時皮帶所承受的是一個周期性變化的力，從而導致皮帶的抖動，而正時系統(tǒng)里的張緊器就能適當?shù)木彌_該力對正時皮帶的沖擊，降低皮帶的振動幅度。對此，通過減小正時皮帶的振動幅度，降低張緊器擺動幅度，以及降低各惰輪的徑向力，以達到正時系統(tǒng)平穩(wěn)運行，傳動精確性高，以及延長使用壽命等目的［3］。

圖6 某柴油機正時皮帶抖動模擬

2．2 測試的步驟

為達到正時系統(tǒng)的平穩(wěn)運行及延長使用壽命等目的，需優(yōu)化正時皮帶受力的周期性，同時匹配合適的正時張緊器。

優(yōu)化正時皮帶受力的周期性可以采用具有名義張力及阻尼的張緊器，然后有規(guī)律性地調(diào)整噴油泵泵軸的初始相位，分別測試不同噴油泵初始泵軸位置時對應的輪系相關參數(shù)，包括曲軸角振動、張緊器擺幅、皮帶振幅、惰輪的徑向力等。以上參數(shù)越小，正時系統(tǒng)運行越平穩(wěn)，從而可以確定噴油泵泵軸的最佳初始相位。

在匹配合適的正時張緊器時，將噴油泵泵軸調(diào)至最佳相位位置，通過更換不同張力及阻尼的正時張緊器，測試相關參數(shù)，包括曲軸角振動、張緊器擺幅、皮帶振幅、惰輪的徑向力等。以上參數(shù)越小，正時系統(tǒng)運行越平穩(wěn)，從而確定最佳的正時張緊器的參數(shù)。

由此，可確定最佳相位及最佳的張力和阻尼的張緊器。圖7為某柴油機正時輪系布置，表1為傳感器情況，圖8為傳感器的布置情況。

圖7 某柴油機正時輪系布置

表1 傳感器列表

測試工況為1min內(nèi)發(fā)動機從怠速勻速升至標定點，發(fā)動機油門全開。油泵中CW0代表噴油泵泵軸在初始相位，CW1代表噴油泵泵軸的相位在初始相位基礎上順時針轉(zhuǎn)動1個齒，CW2代表噴油泵泵軸的相位在現(xiàn)有相位基礎上順時針轉(zhuǎn)動2個齒，CWn代表噴油泵泵軸的相位在現(xiàn)有相位基礎上順時針轉(zhuǎn)動n個齒。每次噴油泵齒形輪撥動時，均以發(fā)動機油泵支架上的定位孔為參照，如圖9所示。噴油泵的軸上有鍵槽，當找到油泵的最佳相位后，可以在相關設計圖紙上找到發(fā)動機支架上的定位孔與燃油泵軸上鍵槽的相對位置關系，確定噴油泵安裝時的最佳相位。

圖8 傳感器布置

在此相位位置，更換不同張力和阻尼的張緊器，測試工況為1min內(nèi)發(fā)動機從怠速勻速升至標定點，發(fā)動機油門全開。試驗過程中，重點關注張緊器擺幅、皮帶的振幅、惰輪的徑向力等，從而可以找到合適的張緊器。

圖9 高壓油泵標記方法

2．3 測試結果

上述的試驗測試數(shù)據(jù)顯示，油泵在CW2位置時張緊器擺幅最小，為0．47°；油泵在CW8位置時張緊器擺幅最大，為11．09°。因此，CW2為相位最佳位置，且張緊器的張力為450N·m，阻尼為25%～60%。圖10為初始位置為“CW2”時的測試數(shù)據(jù)，圖11為初始位置為“CW8”時的測試數(shù)據(jù)。

3 結論

圖10 噴油泵泵軸初始位置為“CW2”時的測試數(shù)據(jù)圖

通過試驗驗證了為皮帶傳動系統(tǒng)的理論計算和試驗驗證的方法，有效降低了皮帶傳動系統(tǒng)的故障率。同時充分體現(xiàn)出皮帶傳動系統(tǒng)平穩(wěn)舒適的優(yōu)勢，以此能提高發(fā)動機的市場競爭力，改善整車的駕駛舒適性，為用戶帶來更多的經(jīng)濟效益。根據(jù)本文的介紹，能夠得出以下結論：

（1）噴油泵泵軸的初始安裝相位對正時系統(tǒng)影響重大，直接影響正時系統(tǒng)的NVH的性能，關系到正時系統(tǒng)的使用壽命。

（2）張緊器對正時系統(tǒng)的重要性，其不僅為正時皮帶提供有效張力，同時能夠有效地緩沖正時皮帶所受的周期性作用力的沖擊，使正時系統(tǒng)平穩(wěn)有效地運行。

圖11 噴油泵泵軸初始位置為“CW8”時的測試數(shù)據(jù)圖