正时链系统磨损对配气相位的影响及设计预防

王宁 岳超超 齐欢宁

摘要：本文先分析了影响正时链系统磨损的因素和磨损发生的机理，随后分析了正时链系统磨损对配气相位的潜在影响，并量化了由磨损导致的正时传动相位滞后γ，进一步详述了γ对发动机可靠性、性能的影响。最后，本文提出了降低正时链系统磨损对配气相位影响的设计预防措施，并提出了设计预提前配气相位抵偿部分传动相位滞后γ的方法。

关键词：正时链系统；磨损机理；配气相位；传动相位滞后；设计预防

1. 前言

链条传动、齿形皮带传动和齿轮传动是发动机正时传动的三种方式[1]。近年来，随着顶置凸轮轴（OHC）成为新型发动机的设计主流，正时齿轮传动已逐渐淡出，尤其是在乘用车发动机领域，几乎所有的新发动机设计中都选择了正时链或齿形皮带传动。

一般来说，正时链传动的优点主要是使用寿命长、布置空间小和可靠性好。然而，正时链系统与发动机同寿命，就要求正时链系统必须具备极佳的抗磨损性能，同时在发动机设计过程中，也应该综合考虑到正时链系统磨损对发动机整机的可靠性、耐久性以及性能的影响，并在性能需求和开发成本间做好平衡。

2. 正时链系统的磨损机理

研究正时链系统磨损的机理，应先了解系统的构成、运动特性和工作边界。

正时链系统一般包含了正时链条、曲轴链轮、凸轮轴链轮、链条定轨、链条动轨和张紧器六个组件。其传动的本质是多边形传动。链条啮合在链轮上，形成一个边数与链轮齿数相等的正多边形，即使当主动轮匀速转动时，链条的线速度和从动轮的角速度也是周期变化的，而速度的周期变化就会导致系统零件受力周期变化。在实际发动机中，主动轮也就是曲轴链轮固定在曲軸上，其转速与发动机工况直接相关；但由于发动机燃烧周期和曲轴本身的扭振效应影响，曲轴链轮处的转速输入是波动的。

而从动轮也就是凸轮轴链轮，其速度特性由主动轮的速度特性决定，但其负载特性由凸轮轴的负载，即配气机构运动特性决定。凸轮轴的负载，最主要的是控制气门打开和关闭过程中克服的气门弹簧力和系统惯性力；在四冲程发动机中，曲轴每旋转两圈，单缸气门打开一次，也就是凸轮轴旋转一圈，而（直列）发动机有几个汽缸，凸轮轴上便有几组凸轮控制每一缸的气门。因此凸轮轴的负载也就体现为，曲轴的720°转角（两圈）、凸轮轴360°转角内，存在与汽缸数相同数量的扭矩峰值，如图1便是典型直列四缸发动机的凸轮轴扭矩曲线图。

综上所述，链系统本身的多边形效应、曲轴链轮处的转速波动以及凸轮轴的扭矩周期负载，构成正时链系统的力学和运动学特性，在这些特性的作用下，随着发动机持续工作，正时链系统的各个部件均会因受力而发生不同程度的磨损。国外一些权威系统供应商习惯上将正时链系统的磨损全部折算为链条的磨损伸长，且从统计数据上来看，一般仅正时链条本身的磨损占系统磨损总量的75%左右[2]。

链条的磨损是由于其本身的结构决定的。链条实际上是由很多组铰链构成，这些铰链组在正时链系统的力学和运动学特性影响下，在运行过程中不断发生磨损，叠加起来形成的链条整体的磨损。图2是套筒链和齿型链的铰链组图示，另一种常用的链条滚子链其结构与套筒链相似，仅是在套筒外还有一圈滚子。图中可以看出，套筒链（以及滚子链）的铰链组是由固定在内链板上的套筒与固定在外链板上的销轴构成的，其磨损部位是套筒内壁与销轴外圆（左图中红色）；而齿型链的铰链组是由固定在部分链板上的销轴与其余链板的通孔构成的，其磨损部位是销轴外圆与部分链板的内孔壁（右图中红色）。

链条的磨损伸长率与运行时间的关系见图4。从图中可以明显看出，不同型号的链条其在运行后的磨损量有差异，但是磨损量的变化趋势一致。链条的磨损的初期，即磨合阶段中，曲线斜率较大，这是由于链条加工装配的各摩擦副表面具有宏观和微观的几何缺陷，磨合中实际表面锋点接触应力高，剧烈磨损。磨合期之后进入正常磨损阶段，磨损曲线斜率变小，此时各摩擦副在几何上贴合，同时伴随着表面层结构和物理性能的变化，获得了适合工况条件的稳定表面性质；正常磨损阶段磨损伸长率和运行时间呈近似线性关系。了解正时链磨损的规律，可以帮助我们确定其对发动机配气相位的影响和发生的规律，并能进一步指导如何在设计初期对这些潜在的影响做出正确的规避措施。

磨损伸长率（%）持续运行时间（小时）

[参考文献]

[1]周龙保，内燃机学[M]，机械工业出版社，2000.

[2]Dr.Thomas Fink，Innovative Solutions for Timing Drives of Modern Combustion Engines[M]，2011.

[3]BorgWarner Morse TEC，Diesel Chain Technology[M]，2010.

[4]Holger Bodenstein，Comparison of Different Chain Types[M]，2009.

[5]吉村芳高，ローラチエーン傳動の最近の技術動向（2），机械の研究，1992，44（3）