1.3L汽油发动机链传动正时系统设计说明-20160216教程

上汽通用五菱汽车股份有限公司发动机链传动正时系统设计说明

湖州求精汽车链传动有限公司

上汽通用五菱B发动机正时链传动系统设计说明根据上次贵公司的评审结果及补充提供结构参数，经初步设计计算对该正时链传动系统重新进行了设计和建模工作，现将系统的设计及计算过程说明如下：

一、上汽通用五菱提供的参数

1、上汽通用五菱提供的发动机性能和轴系结构参数如表1和图1所示：

表1提供的发动机参数

参数单位数值

发动机排量L 1.206

缸数4

最大功率kW/r/min60.5/6000

最大扭矩N.m/r/min108/4400

升功率kW50.2

气门升程mm8

气门弹簧刚度N/mm K1=10.40K2=14.11

链轮的扭紧力矩N.m20

图1提供的轮系结构参数图

2、正时链传动系统的设计基准面如下图：

二、正时链条作用力的计算

作用在正时链条上的力主要是指凸轮驱动气门的驱动力，包括：驱动机构的弹性恢复力、气门弹簧力、气门驱动机构的摩擦力（气门弹簧、气门锁夹）、气体压力等。

凸轮驱动力可以由运动学、动力学方法计算。

1、运动学方法

采用运动学方法计算时，考虑到凸轮驱动气门的驱动力的简化，通常认为作用凸轮与气门轴向作用力F 取作传递到凸轮上的弹簧力F C 和配气机构运动零件惯性力F N 之和。

F=F C +F N

式中：弹簧力——F C =F 0+Cy(α)

F 0——弹簧预紧力C——弹簧刚度y(α)——气门升程

配气机构运动零件的惯性力——F N =Mω2（d 2y/dα2）

ω——凸轮旋转角速度

y(α)——气门升程

（不考虑气门间隙）M——凸轮所驱动的质量

M=M 2/3+M S

式中：M 2——气门弹簧质量

M S ——气门锁夹和上弹簧盘质量

如果提供了的气门升程、速度和加速度曲线如图2

所示，就可以求出凸轮驱动力的变 4.17

35.5

此面与曲轴

齿中心线

化曲线，也就可以确定驱动力的最大值和对应的凸轮转角，可以获得驱动链条的瞬态动力曲线，为链条的选型，链轮的计算，链条的仿真，链条、链轮的强度校核提供依据。

图2气门运动特性曲线

气门弹簧为满足气门的运动，设计过程中要求气门弹簧特性曲线与气门惯性曲线相配合，根据气门升程曲线，计算发动机最高转速的气门运动速度和加速度，得到气门加速度随曲轴转角的变化规律。用加速度曲线的坐标乘以配气系统的运动质量，可以得到气门惯性力曲线，以及气门弹簧的预紧力曲线。

气门弹簧预紧力F

，（弹簧预紧力）是气门关闭时，保证气门与气门座良好密封的力，

进、排气门弹簧相同。主要考虑弹簧在加速段的最大弹力F

2

（气门弹簧最大弹力）是克

服配气机构最大负惯性力。弹簧特性必须与发动机气门惯性曲线相适应。这里取F

2

＝Fjmax *φ（Fjmax——在发动机最高转速下，气门全开时作用于气门弹簧的最大惯性力，φ——储备系数，一般≥1.3）。

气门弹簧预紧力F

,一般地可以简化考虑，采用选择系数0.4～0.65之间的方法进行计算。这样可以得到弹簧预紧力的计算公式：

F 0＝（0.4～0.65）F

2

按照上汽五菱提供的弹簧刚度曲线等资料，可以获得弹簧预紧力。

2、动力学方法

除了按照运动学方法计算作用在正时链条上的力以外，还可以采用动力学模型获得作用在正时链条上的力。凸轮与气门轴向作用力F包括三部分，有凸轮直接驱动的气门质量

m的惯性力F

N ’、配气机构弹性恢复力F

C

’、阻尼力F

b

’等。

F=F

N ’+F

C

’+F

b

’=mω2（d2h/dα2）+CZ(α)+bω(dz/dα)

式中：z(α)——配气机构的变形量

b——气门端测得的阻尼系数

对于低速发动机而言，配气凸轮的驱动力用两种不同计算方法得到的结果相差不大，

因此两种方法都可以使用。对于高速发动机而言，两种方法得到的力有一定的差别，动力学方法计算结果更接近真实值。一般而言，在设计阶段都采用运动学方法计算凸轮所受的作用力。

按运动学方法计算可以获得该发动机正时链条的作用力约为330N。

三、正时链传动的设计计算

1、链传动链轮齿数、节距、链长等参数的计算和选择

（1）传动比i

配气链轮与曲轴链轮的传动比：i=2。

（2）链速和链轮的极限转速

链速的提高受到动载荷的限制。链轮的最佳转速和极限转速应符合要求，最大许用传动功率时的转速为最佳转速。

（3）正时链条选型

链节距愈大，链和链轮齿各部尺寸也愈大，链的拉曳能力也愈大，但传动的速度不均匀性、动载荷、噪声等都将增加。根据该正时链条的受力状态以及链条的许用安全系数应大于15，确定该正时链条选用节距为8mm 的05E 滚子链。其抗拉强度要求为≥7600N ，其安全系数为23，完全满足该正时系统的选型要求。

（4）曲轴链轮齿数Z1和凸轮轴链轮齿数Z2

首先应合理选择曲轴链轮齿数Z 1。曲轴链轮齿数不宜过少，过少时，传动不平稳、动载荷及链条磨损加剧，摩擦消耗功率增大，铰链的比压增大。同时曲轴链轮齿数Z 1不能太大，因为Z 1大，气门凸轮轴链轮齿数Z 2更大，不仅增大传动尺寸，而且铰链磨损后容易引起脱链，将缩短链条的使用寿命，同时还受到机体机构尺寸的限制。因为若链条的铰链发生磨损，将使链条节距变长、链轮节圆d'向齿顶移动。节距增长量Δp 与节圆外移量d ?’的关系

1

180sin 'z p

d

?=?由此可知Δp 一定时，齿数越多节圆外移量Δd’就越大，也越容易发生跳齿和脱链现象。根据上汽五菱提供的机体数模，考虑到进、排气门的中心距为95.11mm ，则凸轮轴链轮的齿顶圆直径应小于95.11mm ，否则传动时将发生链轮齿顶干涉现象，由于其传动比为2，故凸轮轴链轮的齿数应为偶数齿，经计算取Z 2=34或36齿，其齿顶圆直径约为90mm 或94mm 。则曲轴链轮齿数可取Z 1=17或18齿。

对于汽车链这样的高速链传动，在空间尺寸允许的条件下，曲轴链轮齿数应取大一点，最好是奇数齿，从以上分析看该正时系统的曲轴链轮齿数可取为Z1=18齿。

（5）链条的长度

链条的节数，必须为整数，对于高速传动最好应为偶数节。

根据上汽五菱提供的机体数模及上述计算所确定的链轮齿数，该链条的最短长度为943.276mm，节数为117.91节，故该正时链条最短应为118节。但由于汽车发动机正时系统对振动和噪声有严格的要求，链传动的松边和紧边均安装有导向板和张紧板。因此松边和紧边均有垂度，由于该传动方式接近于垂直传动，其紧边垂度取为曲轴到凸轮轴中心距的3~5%，松边垂度取为曲轴到凸轮轴中心距的6~10%，根据通用五菱公司该发动机的空间尺寸要求，在充分考虑张紧板强度的前提下，确定了该正时链的节数应为120节。

2、链条传动功率的计算和校核

目前，GB/T18150-2000“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的节距与汽车链产品的链号节距相同，但其所传递的功率和转速均远小于汽车链产品。可供05E汽车链参照选用的05BT、06BT的额定功率曲线如图4所示：

本文所述发动机选用的05E汽车正时链所传递的功率约为4.9kW，可满足所选择链号的额定功率曲线要求。

图4滚子链的许用功率曲线

四、正时链传动系统张紧器的设计

正时链条张紧的目的主要是为了避免在链条的垂度过大时产生啮合不良和链条的振动现象；同时也为了增加链条和链轮的啮合包角。

张紧机构大都是利用弹簧的预紧力进行张紧。过去的张紧机构结构比较简单，往往用链轮或短板直接压紧链条的侧面，这种方法的张紧压力都集中在链条的局部区段，很容易使链条松驰。顶置双凸轮轴发动机，甚至在两个凸轮轴中间也要布置一个链条导板，以防止这段链条出现松驰现象。

张紧器的设计关键是：在发动机未起动时，保持链条处于绷紧状态；发动机工作时，通过润滑系统的压力，进一步提高张紧器的支撑力，使链条仍然处于绷紧状态。此外，当链条使用很长时间后，出现了拉伸延长，在这种情况下，张紧器柱塞必须仍然具有足够的行程。

因此，张紧器设计时的结构参数主要应考虑以下几个方面：1、发动机未起动时，张紧器弹簧应有足够的预张紧力；2、张紧器柱塞的初始伸出长度（最小伸出值）；3、考虑

链条延伸后，张紧器柱塞的最大伸出长度；4、为防止柱塞的反弹应设计为带棘爪机构。五、正时链传动系统导轨和张紧臂的设计

导轨的主要功能是保证链条在高、低速运行情况下的运行轨迹，满足正时链条和链轮的啮合要求。此外，导轨与张紧器共同工作，使链传动运转平稳可靠。

导轨和张紧臂材料的选择必须满足导轨的强度要求，有足够的刚度，根据该系统的布置正时链导轨设计为钢板折弯支架+PA66注塑导板结构；张紧臂设计为PA66整体注塑结构。

导轨和张紧臂与链条接触面的曲线必须满足链条在不同转速下的运动轨迹的要求。做到：摩擦损耗小、满足正时系统结构、空间的要求。

六、初步设计结果展示

1、正时链传动系统数模

正时链传动系统数模如图5所示：

图5正时链传动系统数模

2、正时链条的结构参数

正时链条结构参数如表3所示，设计数模如图6所示。

表3正时链条主要设计参数

链条型号05E-1（表面本色抛光处理）节距(mm)8

滚子直径φ5.65

链节数120

抗拉强度N7600min

配汽标记按顺时针方向计数：第1片、第7片和第33片装发蓝标记外片

许用伸长率δ≤0.8%

图6正时链条数模

4、凸轮轴链轮参数

凸轮轴链轮设计参数如表4所示，设计数模如图7所示

表4凸轮轴链轮主要设计参数汇总

材料粉末冶金

齿数Z2=Z3=36

链轮节距P=8

链轮齿厚度B=4.1

配用链条05E-1

图7凸轮轴链轮数模

5、曲轴链轮参数

曲轴链轮设计参数如表5所示，设计数模如图8所示。表5曲轴链轮主要参数汇总

材料低碳合金钢(如

20CrMnTi)渗碳

齿数Z1=18

链轮节距P=8

链轮齿厚度B=4.2

配用链条05E-1

图8曲轴链轮数模

6、张紧器

张紧器的结构型式如图9所示。柱塞行程应保证不小于18mm，详细设计时应增加防反弹棘爪机构。

图9张紧器数模

7、导轨设计数模

导轨如图10所示，其中：图左边为正时链条导轨，右边为张紧臂。链条导轨可采用钢支架+PA66注塑导板装配而成，张紧臂采用PA66注塑成形。

图10导轨数模

湖州求精汽车链传动有限公司

2008-05-2