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汽车发动机正时链系统设计方法
作者:吉林大学链传动研究所 孟繁忠
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链条/链轮展厅
链条, 链轮,...
近年来,汽车发动机的正时传动、机油泵传动、平衡轴传动等越来越广泛地采用了链传动系统,其尺寸紧凑,高可靠性、高耐磨性的显著特征是齿轮传动和带传动所不具备的,显示了其广阔的应用前景。

1、汽车发动机链条产品系列

汽车发动机链条(以下简称“汽车链”)按照用途可分为:正时链、机油泵链、高压泵链、共轨泵链、平衡轴链、变速箱驱动链等;按照结构型式可分为:滚子链、套筒链、齿形链;按照排数可分为:单排链、双排链、多排链;按照啮合机制齿形链又可分为:内啮合、外啮合、内—外复合啮合齿形链、变节距的Hy-Vo链等。

目前,GM、Ford、Chrysler、Benz、BMW、Audi、VW、Opel、Porsche、Citroen、Peugeot、Renault、Jaguar、Rover、Alfa Romeo、Fiat、Iveco、Volvo、Saab、Skoda、Lada、Toyota、Mazda、Honda、Mitsubishi、Nissan、Suzuki、Hyundai、KIA、Daewoo、Ssangyong等国际上的各大汽车公司的许多轿车产品均采用链传动作为其发动机正时传动系统和机油泵传动系统,其中Benz有75个型号的发动机、BMW有45个型号的发动机、Ford有15个型号的发动机、Chrysler、Rover、Renault、Saab、Nissan、Toyota等也均有10个以上型号的发动机采用了链传动系统。应当指出,各大汽车公司近年来生产的发动机采用正时链传动系统的更是居多。同时国内生产的汽车发动机也越来越多地应用了汽车链产品。

常用的汽车链产品系列如表1所示
链条型式型号节距(mm)拉伸强度Qmin(N)备注
套筒链O4CT7.007000 
O5CT8.008000 
O6CT9.52512500 
O6CT-29.52519000双排链
滚子链O5BT8.004500 
O5E8.007800 
O6E9.5259000 
O6BN9.5259000窄型链
O6BT9.5259000 
O6BT-29.52516900双排链
齿形链C26.3595004*5片
C247.62140004*4片
C258.00160004*4片
C39.525250007*8片

2、汽车链的服役条件及其失效形式

2.1汽车链的服役条件

汽车链的服役条件不同于普通的工业链条,其传递的功率和工作转速远大于普通工业链条,如06BT-1汽车链在Z1=19,n1=5000r/min时所传递的功率可达P=10KW,其工作点已远超出由GB/T18150-2000(ISO10823-1996)《滚子链传动选择指导》的额定功率曲线所限定的普通工业链条06B-1的传动功率和极限转速之外。通常,汽车链主动链轮的工作转速n1=4500-8000r/min,有的甚至已超过10000r/min。应该指出,汽车链不仅在高速工况下服役,而且承受着怠速、加速、减速等交变速度的冲击,表明了汽车链服役条件的严酷。

汽车链的耐磨性能也不同于普通工业链条,普通工业链条的允许磨损伸长率ε=3%,而汽车链的允许磨损伸长率,对于名牌汽车链产品,ε=1%,对于普通汽车链产品,ε=1.5%,以确保汽车链正时系统的工作可靠性。

为适应汽车链高速且变速的服役工况,汽车链的链长制造精度也高于 普通工业链条,普通工业链条的链长制造精度为0 %,而汽车链的链长制造精度为0 %。同时汽车链还对链长的中心距变动量提出了明确要求,以控制汽车链节距的均匀性。

通常,汽车发动机正时链系统的紧边装设有导向器、松边装设有张紧器,为确保导向板和张紧板的耐磨可靠寿命,对汽车链链板的两个直边侧面的表面粗糙度提出了严格的要求,这点也不同于普通工业链条,因而在模具设计与制造工艺上也要做大的调整。

2.2汽车链的失效形式

汽车链的主要失效形式为:链条的磨损失效、链条的断裂失效、滚子或套筒的破裂失效、链条的死节失效。

(1)磨损失效

试验研究表明,汽车链的主要磨损机制为疲劳磨损,有时伴有磨粒磨损、粘着磨损。国产06BT-1汽车链在台架试验和发动机总成试验500小时后,其平均磨损伸长率ε=0.20%,国产06BT-2汽车链在道路试验10万公里后,其平均磨损伸长率ε=1.0%。同时,应该指出,06BT-1台架试验500小时的磨损曲线上呈现了多处“平台”,并不表明磨损过程不在进行,而是进一步证实了销轴、套筒零件在磨损试验中疲劳裂纹生成,扩展与剥落的动态过程。“平台”越长,表明磨损剥落周期越长,其耐磨性越高。

(2)链板断裂失效

汽车链链板的断裂失效,对于单排链条并不是主要的失效形式,虽然有时也发生这种现象,但概率不大。但对于双排链,出现链板断裂失效的情况却比较多,主要表现在双排链由于在高速多冲交变循环载荷作用下,由于中链板与销轴常为间隙配合的结构型式所限,其销轴与外链板、套筒与内链板的联结牢固度(压出力或松动扭矩)的衰减程度要比单排链严重得多,当联结牢固度衰减至一定程度后,导致外链板向外移出销轴并断裂失效,这就是所谓的链条“散架”现象。而正常的疲劳断裂常发生在内链板上。

06BT-2汽车正时链在某皮卡车道路行驶10万公里时即发生了外链板断裂失效现象。失效分析的检验结果表明,其销轴与外链板的联结牢固度平均衰减了75%以上,个别链节用手即可松动销轴与外链板。应该指出,由于联结牢固度的衰减,致使销轴与外链板、套筒与内链板之间产生了微动磨损,微动磨损产生的磨屑作为第三体的磨料进入销轴与套筒铰链副之间,使汽车链以疲劳磨损为主要磨损机制的状况发生了变化,伴有越来越严重的磨粒磨损。微观分析(SEM)表明,销轴、套筒的磨损表面形貌除了疲劳剥落坑以外,还产生了深浅不一但方向一致的“犁沟”,从而加剧了链条的磨损。

(3)滚子破裂失效

汽车链在高速区工作时,滚子(或套筒)的冲击疲劳破裂是其主要的失效形式。滚子作为链条与链轮的啮合元件,它直接承受着较大的冲击载荷,在循环应力作用下,在滚子的应力集中区即滚子端部会萌生疲劳裂纹,并逐渐向滚子中部扩展,当滚子的制造工艺与加工质量达不到要求时,裂纹不断扩展并导致端部掉块或整体破裂。当产生破裂的滚子达到一定数量时,由于与链轮处于非正常啮合状态,工作张力急剧增加,最终导致链条断裂。

目前,常用的滚子成形方法有卷制和冷挤两种,只要成形原理和模具精度符合要求,两种不同工艺成形的滚子均可以满足汽车链的使用工况。应该指出,卷制滚子接缝周边的划痕与展延、冷挤滚子内表面的纵向划痕与端部的横向台阶在制造过程中应尽量消除或控制。试验研究表明,上述质量缺陷正是滚子破裂的疲劳裂纹源,也是影响汽车链国产化进程的一个重要“瓶颈”因素之一。

(4)链条“死节”失效

通常,汽车发动机用滚子链、套筒链发生“死节”失效现象很少,但对于汽车用齿形链,如果齿形链链轮的变位系数过大,表现在链轮量柱测量距过小,这种情况下,链板啮合面下移至齿尖部位与轮齿干涉且产生严重的挤压变形,链条出现“死节”失效现象,无法灵活转动,甚至“挤死”。所以在齿形链链轮的设计和制造过程中要严格控制变位系数和量柱测量距,以确保齿形链和链轮的正确啮合,发挥齿形链在高速区工作时噪声较低的良好特性。

3、汽车链选择指导

目前,GB/T18150-2000(ISO10823-1996)“滚子链选择指导”所规定的额定功率曲线(Z1=25)不适用于汽车链产品系列,虽然其中的某些链号,如:05B、06B等与汽车链产品的链号相同,但其所传递的功率和转速均远小于汽车链产品。可供汽车链参照选用的05BT、06BT的额定功率曲线如图2所示。其它链号的汽车链额定功率曲线可咨询相关汽车链条公司。

汽车链的润滑方式可参阅GB/T18150-2000(ISO10823-1996)。

汽车链传动选择计算时,通常已知:传动功率P,主动链轮转速n1,从动链轮转速n2,则传动比i=n1/n2。

对于汽车链这样的高速链传动,在空间尺寸允许的条件下,建议主动链轮齿数Z1min≥21,并取奇数齿,则Z2=iZ1。

汽车链传动的计算功率为:

Pc=P f1f2/f5
式中: f1——工作情况系数(见表2); f2——齿数系数(见表3);
F5——排数系数(见表4)。

由计算得到的Pc值和已知的n1值,在汽车链额定功率曲线图上选择相应的链号,此时汽车链的工作点(n1、PC)应位于所选择链号的额定功率曲线以下。

表2工作情况系数f1

从动机械特性主动机械特性
平稳运转 轻微冲击 中等冲击
平稳运转 1.0 1.1 1.3
中等冲击 1.4 1.5 1.7
严重冲击 1.8 1.9 2.1


表3齿数系数f2

Z1 15 17 19 21 23 25
f21.27 1.121.00 0.910.83 0.76


表4排数系数f5

排数m 1 2 3 4 5 6
f5 1 1.7 2.5 3.3 4.0 4.6

应该指出,对于没有额定功率曲线或额定功率表可供参照选用的汽车链传动选择计算时,可通过静强度的安全系数方法来进行验算,这在工程设计中是可行的。汽车链静强度的安全系数 n=Q/F, (Q—汽车链的平均拉伸强度,F—汽车链紧边张力,F= ,d1—主动链轮分度圆直径),统计规律表明,取n=14~18较为适宜。

4、汽车链传动系统设计

对于汽车发动机的正时链、机油泵链、高压泵链、共轨泵链、平衡轴链等系统,可以是双轴链传动系统(如:曲轴——机油泵或曲轴—共轨泵或曲轴——单凸轮轴等),也可以是多轴链传动系统(如:曲轴——双凸轮轴或曲轴——高压泵——凸轮轴等),关于链传动系统的总布置设计以及链传动中心距和松边垂度的设计计算,GB/T18150-2000(ISO10823-1996)以及国内外许多专著均有论述。但是,汽车发动机正时链系统和其它链传动系统,由于振动和噪声有着严格的要求,链传动的松边均安装张紧器,而紧边通常也安装导向器(阻尼器),在这种情况下,上述链传动中心距和垂度的设计计算方法已不适用于汽车链系统。

汽车链系统设计时,链传动的紧边一般应是向内凹的圆弧曲线,而不是普通链传动的紧边通常以相切于主从动链轮分度圆的一段直线来表示。其松边的垂度也不采用普通链传动的设计方法,而且松边的圆弧曲线通常不是向外凸而是向内凹。应该说明,在装设了张紧器之后,松边的悬垂曲线就不是所谓的“悬链线”了,而是支承和贴附在张紧板的圆弧曲线上。 设紧边内凹距离为 ,松边内凹距离为 ,在中心距a较小,水平或近似水平传动时,通常可取 , ,在中心距a 较大,垂直或近似垂直传动时, , 。在不发生由于链条磨损而导致松紧边内凹曲线段接触的条件下,松紧边内凹后可以减少链传动系统所占用的空间,便于总成的合理布局。

对于双凸轮轴之间的双轴链传动,由于空间尺寸小、中心距也较小,如果设计得合理,不安装导向器和张紧器也是可行的,如果空间尺寸允许,也可以在主从动链轮中间安装一个具有张紧和导向功能的复合机构使链条的松紧边分别向外凸,同样起到张紧器和导向器的作用。

5、汽车链传动系统发展趋势

随着新型发动机的不断问世和汽车链技术的不断提升,汽车链系统的应用前景越来越广阔。

(1)新产品研发

为适应汽车发动机的“个性化”需求,汽车链研发将向着小节距、高转速、多品种方向发展,而汽车发动机用滚子链、套筒链、齿形链三种结构型式的应用领域将在“竞争”和“合作”当中不断发展、互相补充。新型的多功能张紧器、导向器及其附件的耐磨材料也将不断升级换代。

(2)先进制造技术

为满足主机厂对汽车链产品越来越高的可靠性要求,汽车链产品将不断地采用先进的设计技术、制造技术、装配技术、表面处理技术、强化技术、检验和试验技术。

(3)新的啮合机制

一种新型的数字化设计的内-外复合啮合机制的齿形链和一种具有非圆异形孔链板的内-外啮合有序交替排列的新型 Hy-Vo链将越来越广泛地在汽车发动机上应用。

(4)高性能指标

主要研究汽车链产品的疲劳寿命分布规律、高可靠度下的耐磨性及其磨损失效机理、在高速区的多冲与胶合特性、严格的清洁度指标以及噪声频谱实时分析等。
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (12/24/2004)
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佳工网友 孟祥 (Email) 于3/23/2006 9:08:00 AM评论说:
文章观点不清楚, 多学习国外先进技术和基础理论,不能用少量试验来表明汽车链的失效形式.


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