汽车发动机正时链条的优化

【摘 要】汽车发动机正时链条是发动机配气机构中的关键零部件。正时链条的质量将直接影响发动机的使用寿命，并严重影响汽车行驶的安全性。本文针对正时链条生产过程失效模式进行分析，并提出优化方案，使产品质量满足使用要求。

【关键词】汽车发动机；正时链条；优化

一、前言

汽车发动机正时传动系统常见传动方式有皮带传动、链条传动和齿轮传动等。皮带传动因皮带成本低廉、噪声低等优点，在大多数汽车上均由采用；但由于皮带的使用寿命限制，在发动机寿命内，需要多次维护或更换。而链条传动由于链条寿命较长，在发动机寿命内，不需要对该系统进行维护保养，也称为“免维护系统”；而且，随着链条传动系统技术的发展，链条传动的噪声也被控制在可以接受的范围内，因此，链条传动系统越来越受到各大汽车生产厂商和广大消费者的青睐。所以，链条的质量将直接决定了汽车发动机的使用寿命。下面以某发动机正时链条滚子破裂故障为案例，对其生产工艺进行优化，提升其质量，以满足汽车发动机的使用要求。

二、故障描述

某型号发动机的正时链条采用的是滚子链，链条节数130节。链条经发动机交变负荷试验290小时发现噪音大，314小时后拆开发动机发现链条上6个滚子脱落，即该链节仅剩下套筒（滚子零件已没有了），而且套筒部分有磨损现象；9个滚子出现碎裂现象，留有滚子的链节，滚子已出现开裂和掉块现象。整根链条侧向间隙正常，内外链板无明显啃伤现象。链条各铰链副转动灵活，整链无紧节、死节现象。

三、故障检测

经过常规尺寸、硬度及金相检测，发现该正时链条的结构尺寸、最大伸长率和硬度均符合设计要求。而在检测各配件金相时发现，该链条上未破损的滚子内部存在微裂纹。经分析，该裂纹是滚子在冷镦工位时形成，从而造成正时链条的早期失效。由于滚子的早期失效破裂，导致链条套筒直接与链轮进行啮合，啮合机制发生变化，链条振动加大，套筒磨损加剧。

表面未碎裂滚子在金相检测中发现有滚子存在裂纹（400X）

四、工艺优化

1、滚子材料：

材料选用20CrNiMo，20CrNiMo材料具有较好的塑性变形能力。

2、冷墩工艺：采用六工位冷墩机成形，调整了冲底方向，增加挤内孔工位。

①对冷挤压前的材料进行球化退火，并进行磷化处理。

②冷墩机进行了大保养，对滑块的精度、模具的精度进行了检查和修整。

③冷挤压各工位进行调整（如图）：

a、更换送料棘轮（采用线割加工），提高切料长度的稳定性。切料工位采用半封闭切料装置，确保切刀料的规则及排除毛刺的产生。

b、3#工位是成型过程（金属流动过程）调整了模具挤压深度，使坯料长度基本达到成品长度，同时调整了芯片的厚度，控制在产品壁厚的1-1.2倍，使得挤压终极时，金属具有通畅的流动性，避免挤压微裂纹的发生。

c、5#工位是反向冲底，同时内孔精挤，对该工位的冲棒和支承套更换成进口件。

3、热处理工艺：

从对大量试验后碎裂滚子的分析结果来看，滚子首先出现了端部掉块，随后开裂，最终脱落。对碎裂滚子进行金相组织分析后，也未发现过异常。但我们通过对冷墩后滚子的原始组织和再结晶退火后的组织状态比对后发现：

a、冷墩过程中，由于将材料进行了拉伸，按其拉伸原理，冲底部位是金属变产生形变最大区域，材料原始的球粒状组织在该区域变成了纤维状，故该区域是滚子应力集中区。

b、虽然经过550℃再结晶退火，消除了该区域的大部份冷墩应力，但从组织状态来看，该区域其纤维状未得到明显改变，因此，在热处理过程中，先要将纤维状恢复正常状态，势必会导致该区域内的淬火应力大于其它的区域。

c、从滚子掉块发生的部位在冲底端——金属形变的最大区，也进一步得到了证实。

为了改善热处理前滚子的组织状态，将再结晶退火工艺，调整为球化退火，即在热处理前对滚子进行等温球化，以消除冷墩变形区纤维状组织，确保热处理之前零件组织为球粒状珠光体和铁素体，晶粒度控制在5级以上，以降低热处理后组织应力，以提高滚子的使用寿命。

按此工艺方案，虽然有效解决了滚子的使用寿命，但在调试生产过程中出现了如下问题：

1、在滚子的成形过程中，部份滚子的拐角处出现了金属断裂。

2、去除余料后，滚子端口毛刺大，且端面不平整。

3、去除余料时支承套（材料为硬质合金），尖角处容易报脱。

为此，在对生产工艺结构和实际生产过程中所产生的问题进行详细分析后，对生产工艺再次进行如下优化调整：

1、对冷墩工艺方法进行修正，在6 # 工位上去余料的同时增加模内挤孔工步，通过5 #和 6 # 工步的两次挤孔，使滚子挤余量从原来的0.02mm达到0.07mm。

2、对5#反向冲底所用的冲棒头部形状进行修正，采用小圆角过渡，以减少冲底撕裂带的宽度。

3、有效控制冷墩机和模具的精度，减少工件在工位间移动时位置的偏移量。

五、结语

通过以上工艺方案的调整，对生产的正时链条进行了500小时耐久试验、500小时共振试验和400小时热循环试验，对试验结果进行分析表明，优化后的正时链条满足产品使用要求。

参考文献：

[1]王建昕.汽车发动机原理.北京：清华大学出版社，2011.

[2]郭庆梁.磨具设计.北京：中国轻工业出版，2010.

作者简介：

余海洋，男，1981.5，湖北随州人，工程师，主要研究方向：汽车发动机技术。