某發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)張緊器選型試驗(yàn)研究

王艷芳，趙彥文，王少輝

（1.鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車(chē)工程系，河南 鄭州 450121；2.海馬汽車(chē)有限公司，河南 鄭州 450016）

前言

發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是保證發(fā)動(dòng)機(jī)能按照需求準(zhǔn)確開(kāi)啟、關(guān)閉氣門(mén)的重要系統(tǒng)，由正時(shí)鏈條、導(dǎo)軌、張緊器和若干輪等組成的傳動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行一定時(shí)間后，正時(shí)鏈條會(huì)發(fā)生塑性變形（即拉長(zhǎng)），可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)異響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)跳齒、點(diǎn)火正時(shí)不準(zhǔn)確等故障，致使發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常工作。為了保證正時(shí)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，通常在該系統(tǒng)中增加自動(dòng)張緊器來(lái)維持鏈條張緊，降低正時(shí)鏈條受到的沖擊力。

某發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的正時(shí)張緊器總成是液壓式張緊器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)張緊器）如圖1所示，由殼體、柱塞、柱塞彈簧、填充物、插銷(xiāo)和單向閥組件組成，如圖2所示。張緊器腔體分為高壓腔和低壓腔。泄露間隙是指柱塞與殼體之間的安裝間隙，液壓油流過(guò)泄漏間隙所產(chǎn)生的黏滯阻尼力能夠吸收鏈條的橫向波動(dòng)沖擊[1-5]，所以泄露間隙對(duì)于液壓張緊器的動(dòng)力學(xué)特性具有重要作用。

圖1 張緊器

圖2 張緊器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

某發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)了三種不同泄漏間隙的張緊器方案，將這三種方案搭載到同一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)上試驗(yàn)，并變更張緊器的負(fù)載條件，得出一些試驗(yàn)數(shù)據(jù)。本文對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在最常見(jiàn)工況下正常運(yùn)行的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，最終選出最優(yōu)張緊器方案。

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)裝置

該發(fā)動(dòng)機(jī)的正時(shí)系統(tǒng)主要由套筒式正時(shí)鏈條、進(jìn)排氣VVT、正時(shí)鏈定軌、動(dòng)軌、液壓式正時(shí)張緊器、套筒式機(jī)油泵鏈條、機(jī)械式機(jī)油泵張緊器等零部件組成。該試驗(yàn)裝置通過(guò)在正時(shí)鏈盒上開(kāi)個(gè)孔（位于正時(shí)張緊器附近），將張緊器柱塞的位移量引出，并在此處安裝壓力傳感器來(lái)測(cè)量高壓腔的油壓。

張緊器的選型試驗(yàn)是將三種方案的張緊器依次裝在同一臺(tái)改裝的3 缸增壓直噴汽油機(jī)上，通過(guò)AVL綜合試驗(yàn)臺(tái)架對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)的正時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)測(cè)試。該動(dòng)態(tài)試驗(yàn)在不同的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷及機(jī)油溫度條件下，并采用新正時(shí)鏈條來(lái)進(jìn)行，最終得出張緊器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖3 正時(shí)系統(tǒng)測(cè)試裝置示意圖

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，該張緊器的泄漏間隙選擇56μm、76μm和96μm三種方案。正時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)以整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，在發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)測(cè)量張緊器某部位的位移或壓力值。

張緊器對(duì)正時(shí)系統(tǒng)的影響主要是通過(guò)高壓腔油壓、張緊器對(duì)導(dǎo)軌接觸壓力和張緊器柱塞位移這些參數(shù)來(lái)體現(xiàn)[6-7]。本次試驗(yàn)，在測(cè)試正時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能的同時(shí)，主要測(cè)試張緊器高壓腔油壓、張緊器對(duì)導(dǎo)軌接觸壓力和張緊器柱塞的運(yùn)動(dòng)軌跡。其中，張緊器高壓腔油壓大小受機(jī)油溫度和發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷影響較大，因此，該試驗(yàn)測(cè)試了極限機(jī)油溫度即高溫120 ℃、低溫40 ℃和正常機(jī)油溫度90 ℃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在滿負(fù)荷下高壓腔油壓隨曲軸轉(zhuǎn)速升高而變化的趨勢(shì)，以及正常機(jī)油溫度90 ℃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在部分負(fù)荷下高壓腔油壓隨曲軸轉(zhuǎn)速升高而變化的趨勢(shì)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本試驗(yàn)按照上節(jié)所述的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，展示了常態(tài)情況下的試驗(yàn)結(jié)果，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1 高壓腔油壓

高壓腔內(nèi)的油壓值能直接反映正時(shí)系統(tǒng)作用到發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上的力，發(fā)動(dòng)機(jī)受到的力越小，運(yùn)行時(shí)的噪音就越小。考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)油溫度會(huì)影響張緊器高壓腔油壓值，設(shè)定了3種機(jī)油溫度下，油壓隨曲軸轉(zhuǎn)速增加而變化的曲線圖。

圖4至圖9顯示出在不同條件下張緊器高壓腔油壓的試驗(yàn)結(jié)果。且列舉了發(fā)動(dòng)機(jī)在滿負(fù)荷和部分負(fù)荷條件下，三種方案張緊器高壓腔油壓分別在機(jī)油溫度為低溫（40 ℃）、中溫（90 ℃）和高溫（120 ℃）時(shí)的變化曲線。

圖4 機(jī)油溫度為：90 ℃，負(fù)荷50%時(shí)，張緊器高壓腔油壓

圖9 張緊器柱塞位移

圖6 機(jī)油溫度為：40℃，負(fù)荷100%時(shí)，張緊器高壓腔油壓

圖4至圖7展示了在不同曲軸轉(zhuǎn)速下，三種方案張緊器高壓腔油壓值的變化趨勢(shì)?？傮w來(lái)講，三種泄漏間隙的張緊器的高壓腔油壓最小值均為零，最大值隨著曲軸轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，在曲軸轉(zhuǎn)速為5 000 rpm以下時(shí)，增幅較低；在曲軸轉(zhuǎn)速為5 000 rpm以上時(shí)，增幅較大，高壓腔油壓值均在50 bar以下，滿足張緊器高壓腔的設(shè)計(jì)要求。

圖7 機(jī)油溫度為：120℃，負(fù)荷100%時(shí)，張緊器高壓腔油壓

對(duì)比圖4和圖5，在相同的機(jī)油溫度下，張緊器高壓腔內(nèi)最大油壓值隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加而增大。從圖5、6、7中可以看出，相同的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷下，不同的機(jī)油溫度對(duì)張緊器高壓腔內(nèi)最大油壓值影響較小。從圖4、5、7中可以判斷出，泄漏間隙值為96μm的張緊器比其他兩種張緊器的高壓腔的最大油壓值略低，設(shè)計(jì)方案最優(yōu)。

圖5 機(jī)油溫度為：90 ℃，負(fù)荷100%時(shí)，張緊器高壓腔油壓

2.2 正時(shí)鏈條受力情況分析

正時(shí)鏈條在發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中受到多邊效應(yīng)力的反作用，這些反作用力對(duì)每個(gè)鏈節(jié)作用力的大小和方向不同。該試驗(yàn)通過(guò)測(cè)量張緊器與導(dǎo)軌的接觸壓力來(lái)反映正時(shí)鏈條的受力情況。

圖8給出了機(jī)油溫度為90 ℃，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷為50%，采用新鏈條時(shí)的張緊器對(duì)導(dǎo)軌接觸壓力的最大值與最小值隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的曲線。結(jié)果表明，正時(shí)張緊器對(duì)導(dǎo)軌接觸壓力的最小值為0 N左右，且不隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化，在張緊器泄漏量為最大時(shí)，接觸壓力的最小值最??；正時(shí)張緊器與導(dǎo)軌接觸壓力的最大值隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高而變大，特別在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)5 000 rpm時(shí)，增幅明顯增強(qiáng)，泄漏量為中等的張緊器的接觸壓力的最大值最小，三種張緊器的測(cè)試結(jié)果相差不大。

圖8 張緊器對(duì)導(dǎo)軌接觸壓力

2.3 張緊器柱塞位移

正時(shí)鏈條傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的振幅是發(fā)動(dòng)機(jī)評(píng)估振動(dòng)和噪聲的主要來(lái)源之一，同時(shí)關(guān)系到正時(shí)系統(tǒng)的可靠性和NVH性能[8]。張緊器柱塞的運(yùn)動(dòng)行程可以反映出正時(shí)系統(tǒng)中張緊側(cè)鏈條的振幅。

從圖9中可以看出，隨曲軸轉(zhuǎn)速的提高，泄漏間隙最大的張緊器的柱塞位移的最大值下降的幅度最??；三種張緊器柱塞位移的最小值隨曲軸轉(zhuǎn)速的提高變化不大；在曲軸的各種轉(zhuǎn)速下，三種張緊器柱塞位移值均在0 mm～5 mm之間，這些值是在合理范圍之內(nèi)的。

綜合上述三種試驗(yàn)結(jié)果分析，圖8中三種不同泄漏間隙對(duì)導(dǎo)軌的接觸壓力的最大值相差不大，且隨著曲軸轉(zhuǎn)速的增大而逐漸增加。從圖中可以看出，泄漏間隙為76μm的張緊器的試驗(yàn)結(jié)果最好。圖9中三種不同泄漏間隙對(duì)張緊器柱塞位移的最大值和最小值隨著曲軸轉(zhuǎn)速變化而產(chǎn)生的影響相差不大，且泄漏間隙為96μm的張緊器所展示的張緊器柱塞位移的幅度最小，結(jié)果最好。從圖4至圖7的曲線圖中可以看出，泄漏間隙為96μm的張緊器在不同機(jī)油溫度、不同負(fù)荷、不同曲軸轉(zhuǎn)速時(shí)，高壓腔油壓最大值均為最小，效果最好。評(píng)價(jià)液壓式正時(shí)張緊器優(yōu)劣的最主要指標(biāo)是高壓腔的相關(guān)參數(shù)，三種方案張緊器所呈現(xiàn)的對(duì)導(dǎo)軌的接觸壓力值相差較小，并且試驗(yàn)結(jié)果都滿足液壓張緊器參數(shù)設(shè)計(jì)的要求，因此根據(jù)張緊器高壓腔油壓和張緊器柱塞位移試驗(yàn)的結(jié)果分析，建議選擇泄漏間隙為96μm的張緊器。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)測(cè)試了三種液壓式正時(shí)張緊器的正時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，將改裝的發(fā)動(dòng)機(jī)裝在AVL臺(tái)架上，使發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速、不同負(fù)荷、不同機(jī)油溫度下運(yùn)轉(zhuǎn)，分別測(cè)試各種狀態(tài)下的正時(shí)系統(tǒng)的一些運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)。

本文僅列出了在發(fā)動(dòng)機(jī)最常見(jiàn)和極端工況下對(duì)張緊器最有影響的三種參數(shù)：張緊器高壓腔的油壓值、張緊器對(duì)導(dǎo)軌接觸壓力和張緊器柱塞位移的試驗(yàn)結(jié)果，即機(jī)油溫度為90 ℃、負(fù)荷為部分負(fù)荷（50%）、使用未變形的正時(shí)鏈條的三種不同泄漏間隙的張緊器的試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明：

（1）泄漏間隙的大小對(duì)張緊器高壓腔油壓值、張緊器對(duì)導(dǎo)軌接觸壓力、張緊器柱塞位移都有一定的影響，因此設(shè)計(jì)合理的泄漏間隙值對(duì)液壓張緊器的設(shè)計(jì)有至關(guān)重要的作用。

（2）張緊器高壓腔油壓隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加而增加，隨曲軸轉(zhuǎn)速的增加而增加，不同的機(jī)油溫度對(duì)油壓值的影響不大。

（3）該測(cè)試方法可以實(shí)際測(cè)量整個(gè)正時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，為正時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供支持。為液壓張緊器試驗(yàn)提供了理論依據(jù)。

通過(guò)對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果的分析，綜合來(lái)看，張緊器的泄露間隙值為最大值即96μm時(shí)，正時(shí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的效果最好。