未来配气机构链传动与皮带传动的竞争

【奥地利】 W.Schffmann　M.HowlettC.TruffinetN.Ausserhofer

综合评述

未来配气机构链传动与皮带传动的竞争

现代轿车汽油机和柴油机的配气机构大多采用链传动或皮带传动。AVL公司对这两种传动技术进行了试验研究，并得到了以下研究成果。

配气机构噪声链传动皮带传动

1　目标规范决定系统的选择

配气传动机构的技术选择决定了发动机设计的总体特性，并对其结构形成重大影响。轿车发动机配气传动机构大多采用齿形皮带和链传动技术2种传动型式（图1），例如干式和湿式皮带或齿形和滚子链条。近10年来，新发动机开发趋向于选用链传动机构。皮带传动发动机的主要市场则集中于欧洲和南美洲，在亚洲的市场份额保持在50%左右。湿式皮带传动技术曾在欧洲和亚洲局部地区量产中应用过，基于目前的开发状况，这种相对较新的技术的市场份额可望达到3%～10%。

在特定的应用场合选择最合适的配气传动机构，应在评估发动机系统层面目标规范的基础上进行，并综合考虑摩擦损失、疲劳强度、维护保养，以及在整个使用寿命期中配气定时的变化、动态性能、声学特性、质量、安装空间和制造成本等因素。

2　摩擦

配气传动机构通过其摩擦损失直接影响发动机的燃油耗，因此配气传动机构的低摩擦设计变得越来越重要。对当前发动机摩擦进行的试验研究表明［1-2］，皮带传动与链传动之间并无统一的标准。图2示出了12种轿车汽油机和8种轿车柴油机配气传动机构摩擦的测量结果，从图中可以看出，就汽油机而言，链传动和皮带传动的摩擦在分布带低端处于非常相似的水平。AVL公司的测量结果表明，与套筒链和滚子链相比，齿形链呈现出摩擦较大的缺陷。正如皮带制造商在新的材料和涂层方面的开发工作一样，链条制造商在新型齿形链、滚子链或套筒链方面的开发工作也显示出了其进一步降低摩擦的潜力。

3　配气定时的精度

使用寿命期间皮带或链条长度的变化会导致凸轮轴与曲轴之间配气正时的偏差。图3示出了长度伸长0.6%对气门配气正时和气门与活塞顶间距的影响。目前，使用寿命期间气门配气正时发生8°CA（曲轴转角）的偏差是可以接受的，而例如米勒循环［3］具有较高压缩比和凸轮轴相位调节范围很大的燃烧系统，则必须严格控制。

链条长度伸长0.2%～0.6%是典型的设计规范，并与所选择的链条型式和机油状况有关。皮带在整个使用寿命期间的长度变化与皮带的制造工艺有关，制造商规定其伸长长度在0.10%～0.25%之间，而发展趋势趋向于达到下限值。

4　动力学性能

配气传动机构将曲轴的扭矩传递到凸轮轴上，而在工作循环期间曲轴转速是变化的，因而凸轮轴的扭矩也是沿着凸轮廓线变化的，而且因气门弹簧的反作用扭矩还可能会变换方向，这种负荷的相对相位可能会与凸轮轴相位调节器一起随着发动机负荷和转速而变化，因此整个配气传动机构处于高动态运行状况，其几何参数和张紧装置应重新设计，设计准则是皮带和链条的最大应力必须低于所选用技术的设计限值，以及凸轮轴扭振所引起的配气正时的动态误差。

通常而言，机械式或液压式张紧装置具有相似的工作特性。典型的干式皮带机械式张紧装置与发动机机油状况和机油压力无关。配气传动机构的位置（在发动机前端或飞轮端）不会对动态性能产生重大影响。典型的配气传动机构在发动机转速范围内至少有1个共振点（图4）。皮带传动因其刚度较小，在发动机转速范围内往往呈现2个共振区域，但是并不明显，只要其振幅保持在设计限度范围之内即可。

高压燃油泵的驱动扭矩是配气传动机构中的主要负荷。汽油机未来高压燃油泵的驱动扭矩向柴油机高压喷油泵的压力水平方向提升，而柴油机的喷射压力和高压喷油泵的驱动扭矩都将进一步提高。由于链条的刚性较大，所以大驱动扭矩峰值在链条中产生了高的应力。与此相反，如果皮带的状况较好，其柔性对驱动扭矩峰值会起到补偿作用。

如果气门凸轮与喷油泵凸轮之间可达到最佳的相位角，那么就可利用凸轮扭矩波动的消除效果。在柴油机上，高压喷油泵的最佳相位位置是气门传动机构中避免出现高传动力的前提条件。

凸轮轴和曲轴的扭转振动振幅与爆发压力、曲轴刚度和飞轮质量等因素有关，可在1个宽广的范围内变化。链传动、皮带传动机构与试验数值相比较为相似，相位角的偏差在整个循环中并非是保持不变的，其最大的动态偏差为3～4°CA，符合排放和功率的设计要求。

5　声学特性

皮带或链条与齿轮啮合所产生的噪声是配气传动机构的主要噪声来源。这种过程所产生的蜂鸣声具有离散的频率和其倍数的频率，这取决于齿轮的转速和齿数。这种噪声可通过方案的选择和优化（如应力、链条结构型式、齿环的几何参数）来降低，但是无法消除。其他噪声现象可以通过设计规范大大降低，甚至予以消除，特别是配气传动机构罩盖完全可以通过仔细的设计来避免因结构共振而出现的噪声情况。

如果开发合适，链传动和皮带传动机构可听见的啮合噪声较少出现，但是由于这种噪声较少与发动机噪声叠加，因此这种噪声出现在低负荷时的影响要大于全负荷时。如果啮合噪声可以听见，那么链条噪声因链条与链轮之间的金属接触所产生的噪声更尖锐，其干扰性比皮带噪声更大。

图5示出了在汽油机怠速运转时距配气传动机构罩盖1 m处所测得的发动机噪声水平，图中的粗实线表示噪声的平均值，矩形框表示最好与最差发动机之间噪声的分布范围，其平均值就相当于皮带传动的噪声水平（绿色平均值为0 dB）。齿形链条传动的平均噪声级低于套筒链条，与皮带传动非常相似，甚至还更低些。

配气传动机构整个噪声级的分散度明显高于链传动与皮带传动之间的特性差异。发动机结构动力学对配气传动机构噪声辐射的强烈影响有助于其产生大的变化，并被汽车集成的动态性能和汽车车身动力学放大。如果配气传动机构、发动机声学性能和汽车噪声-振动-平顺性（NVH）特性都开发得合适的话，那么无论采用链传动还是皮带传动都能获得良好的汽车声学性能。

一般而言，皮带传动具有非常良好的NVH特性。若采用湿式皮带的话，则皮带的NVH特性与密封机油的配气传动机构罩盖坚固的结构相结合能获得较好的噪声性能。如果优化设计规范，那么链传动方案一般能获得良好的发动机NVH性能，相反链传动机构则可能导致可听见干扰严重的蜂鸣声。齿形链条可达到与皮带传动相似的NVH特性。

6　系统质量和外形尺寸

图6所示的质量分析实例反映了当前直列式柴油机配气传动机构的状况（至今尚无湿式皮带传动机构型式），图中对比了同时驱动水泵和燃油泵的干式齿形皮带、用阶梯轮驱动燃油泵的两级链传动，以及凸轮轴驱动燃油泵的单级链传动机构测量结果。

在考虑分级链传动的导向装置、张紧轮和链轮的情况下，高压燃油泵集成在皮带传动中的附加转向轮，可能会使系统质量比链传动大。而总质量最轻的传动系统是凸轮驱动燃油泵的单级链传动。

就发动机舱而言，发动机的长度和高度是关键尺寸，而配气传动机构对这两个尺寸具有直接的影响［4］。除了缸心距之外，配气传动机构和机油泵传动机构的尺寸也是发动机总长度的决定因素。与链传动相比，皮带传动影响发动机长度的附加幅度是皮带本身宽度所引起的，而皮带宽度则取决于负荷和所要求的使用寿命。

7　总结和展望

配气传动机构是发动机最重要的系统，其设计是新发动机总体布置的重要组成部分，轿车发动机的配气传动机构大多在链条和皮带之间进行选择。未来发动机开发的重点是降低CO2排放，并扩大对废气排放具有重要意义的运行范围，因此配气传动机构的动态负荷和对配气定时精度的要求都越来越高，同时发动机的全球制造也扩大了影响环境的范围。

由于相互竞争的配气传动机构具有相似的工作能力及开发技术的进步，有必要对其各个重要方面不断地进行评价检验。但是，在对系统进行比较的基础上，不可能为所有发动机应用场合都选择最佳技术［5］。从发动机结构角度来看，目前配气传动机构的技术状况如下（图7）：

（1）在发动机长度必须最短的情况下，链传动优于皮带传动；

（2）大多数汽油机和部分柴油机采用液压式凸轮轴相位调节器，链传动和湿式皮带传动是成本较为有利的配气传动机构方案；

（3）皮带传动可在整个使用寿命期间达到较高的配气定时精度，这对于未来废气排放和燃油耗具有越来越重要的意义；

（4）由于喷油压力越来越高，因而喷油泵扭矩对于皮带和链条的使用寿命具有决定性作用。

为了使NVH、摩擦和动态性能等方面都达到最佳水平，需要仔细的设计和优化传动带曲线形状，但与选择配气传动机构的型式无关，因此皮带传动与链传动之间还将继续存在激烈的竞争。

［1］Howlett M，Enzi B，von Falck G，et al.CO2reduction potential through improved mechanical efficiency of the internal combustion engine：technology survey and cost-benefit analysis［C］.SAE Paper，2013-01-1740.

［3］Kapus P，Prevedel K，Wolkerstorfer J，u.a.200 g/k·Wh-Kann der stchiometrische ottomotor den diesel schlagen？［C］.22.Aachener Kolloquium Automobil-und Motorentechnik，2013.

［4］Krehl D.Riementrieb versus kettentrieb［J］.MTZ，2013，74（12）.

［5］Howlett M，Schoeffmann W，Ausserhofer N，et al.Demands on future timing drives-chain and belt in competition［C］.SAE Paper，2015-01-1275.

范明强译自MTZ，2015，76（7-8）

何丹妮编辑

2015-09-28）