關(guān)于配氣機(jī)構(gòu)鏈傳動(dòng)與皮帶傳動(dòng)的對(duì)比分析

?1 目標(biāo)規(guī)范決定系統(tǒng)的選擇

配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的技術(shù)選擇決定了發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的總體特性，并對(duì)其結(jié)構(gòu)形成重大影響。轎車發(fā)動(dòng)機(jī)配??氣傳?動(dòng)機(jī)構(gòu)大多采用齒形皮帶和鏈傳動(dòng)技術(shù)2種傳動(dòng)型式（圖1），例如干式和濕式皮帶或齒形和滾子鏈條。近10年來(lái)，新發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)趨向于選用鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。皮帶傳動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要市場(chǎng)則集中于歐洲和南美洲，在亞洲的市場(chǎng)份額保持在50%左右。濕式皮帶傳動(dòng)技術(shù)曾在歐洲和亞洲局部地區(qū)量產(chǎn)中應(yīng)用過(guò)，基于目前的開(kāi)發(fā)狀況，這種相對(duì)較新的技術(shù)的市場(chǎng)份額可望達(dá)到3%～10%。??

圖1 配氣機(jī)構(gòu)正時(shí)鏈傳動(dòng)和皮帶傳動(dòng)

在特定的應(yīng)用場(chǎng)合選擇最合適的配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，應(yīng)在評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)層面目標(biāo)規(guī)范的基礎(chǔ)上進(jìn)行，并綜合考慮摩擦損失、疲勞強(qiáng)度、維護(hù)保養(yǎng)，以及在整個(gè)使用壽命期中配氣定時(shí)的變化、動(dòng)態(tài)性能、聲學(xué)特性、質(zhì)量、安裝空間和制造成本等因素。

2 摩擦

配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)其摩擦損失直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油耗，因此配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的低摩擦設(shè)計(jì)變得越來(lái)越重要。對(duì)當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦進(jìn)行的試驗(yàn)研究表明，皮帶傳動(dòng)與鏈傳動(dòng)之間并無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。圖2示出了12種轎車汽油機(jī)和8種轎車柴油機(jī)配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)摩擦的測(cè)量結(jié)果，從圖中可以看出，就汽油機(jī)而言，鏈傳動(dòng)和皮帶傳動(dòng)的摩擦在分布帶低端處于非常相似的水平。AVL公司的測(cè)量結(jié)果表明，與套筒鏈和滾子鏈相比，齒形鏈呈現(xiàn)出摩擦較大的缺陷。正如皮帶制造商在新的材料和涂層方面的開(kāi)發(fā)工作一樣，鏈條制造商在新型齒形鏈、滾子鏈或套筒鏈方面的開(kāi)發(fā)工作也顯示出了其進(jìn)一步降低摩擦的潛力。

圖2 汽油機(jī)和柴油機(jī)配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和凸輪軸摩擦（FMEP）的測(cè)量結(jié)果

3 配氣定時(shí)的精度

使用壽命期間皮帶或鏈條長(zhǎng)度的變化會(huì)導(dǎo)致凸輪軸與曲軸之間配氣正時(shí)的偏差。圖3示出了長(zhǎng)度伸長(zhǎng)0.6%對(duì)氣門配氣正時(shí)和氣門與活塞頂間距的影響。目前，使用壽命期間氣門配氣正時(shí)發(fā)生8°CA（曲軸轉(zhuǎn)角）的偏差是可以接受的，而例如米勒循環(huán)具有較高壓縮比和凸輪軸相位調(diào)節(jié)范圍很大的燃燒系統(tǒng)，則必須嚴(yán)格控制。

圖3 皮帶或鏈條長(zhǎng)度對(duì)配氣正時(shí)和氣門升程的影響

鏈條長(zhǎng)度伸長(zhǎng)0.2%～0.6%是典型的設(shè)計(jì)規(guī)范，并與所選擇的鏈條型式和機(jī)油狀況有關(guān)。皮帶在整個(gè)使用壽命期間的長(zhǎng)度變化與皮帶的制造工藝有關(guān)，制造商規(guī)定其伸長(zhǎng)長(zhǎng)度在0.10%～0.25%之間，而發(fā)展趨勢(shì)趨向于達(dá)到下限值。

4 動(dòng)力學(xué)性能

配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將曲軸的扭矩傳遞到凸輪軸上，而在工作循環(huán)期間曲軸轉(zhuǎn)速是變化的，因而凸輪軸的扭矩也是沿著凸輪廓線變化的，而且因氣門彈簧的反作用扭矩還可能會(huì)變換方向，這種負(fù)荷的相對(duì)相位可能會(huì)與凸輪軸相位調(diào)節(jié)器一起隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速而變化，因此整個(gè)配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)處于高動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀況，其幾何參數(shù)和張緊裝置應(yīng)重新設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是皮帶和鏈條的最大應(yīng)力必須低于所選用技術(shù)的設(shè)計(jì)限值，以及凸輪軸扭振所引起的配氣正時(shí)的動(dòng)態(tài)誤差。

通常而言，機(jī)械式或液壓式張緊裝置具有相似的工作特性。典型的干式皮帶機(jī)械式張緊裝置與發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油狀況和機(jī)油壓力無(wú)關(guān)。配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置（在發(fā)動(dòng)機(jī)前端或飛輪端）不會(huì)對(duì)動(dòng)態(tài)性能產(chǎn)生重大影響。典型的配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)至少有1個(gè)共振點(diǎn)（圖4）。皮帶傳動(dòng)因其剛度較小，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)往往呈現(xiàn)2個(gè)共振區(qū)域，但是并不明顯，只要其振幅保持在設(shè)計(jì)限度范圍之內(nèi)即可。

圖4 鏈條和皮帶傳動(dòng)中的動(dòng)態(tài)力

高壓燃油泵的驅(qū)動(dòng)扭矩是配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的主要負(fù)荷。汽油機(jī)未來(lái)高壓燃油泵的驅(qū)動(dòng)扭矩向柴油機(jī)高壓噴油泵的壓力水平方向提升，而柴油機(jī)的噴射壓力和高壓噴油泵的驅(qū)動(dòng)扭矩都將進(jìn)一步提高。由于鏈條的剛性較大，所以大驅(qū)動(dòng)扭矩峰值在鏈條中產(chǎn)生了高的應(yīng)力。與此相反，如果皮帶的狀況較好，其柔性對(duì)驅(qū)動(dòng)扭矩峰值會(huì)起到補(bǔ)償作用。

如果氣門凸輪與噴油泵凸輪之間可達(dá)到最佳的相位角，那么就可利用凸輪扭矩波動(dòng)的消除效果。在柴油機(jī)上，高壓噴油泵的最佳相位位置是氣門傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中避免出現(xiàn)高傳動(dòng)力的前提條件。

凸輪軸和曲軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)振幅與爆發(fā)壓力、曲軸剛度和飛輪質(zhì)量等因素有關(guān)，可在1個(gè)寬廣的范圍內(nèi)變化。鏈傳動(dòng)、皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與試驗(yàn)數(shù)值相比較為相似，相位角的偏差在整個(gè)循環(huán)中并非是保持不變的，其最大的動(dòng)態(tài)偏差為3～4°CA，符合排放和功率的設(shè)計(jì)要求。

5 聲學(xué)特性

皮帶或鏈條與齒輪嚙合所產(chǎn)生的噪聲是配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要噪聲來(lái)源。這種過(guò)程所產(chǎn)生的蜂鳴聲具有離散的頻率和其倍數(shù)的頻率，這取決于齒輪的轉(zhuǎn)速和齒數(shù)。這種噪聲可通過(guò)方案的選擇和優(yōu)化（如應(yīng)力、鏈條結(jié)構(gòu)型式、齒環(huán)的幾何參數(shù)）來(lái)降低，但是無(wú)法消除。其他噪聲現(xiàn)象可以通過(guò)設(shè)計(jì)規(guī)范大大降低，甚至予以消除，特別是配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)罩蓋完全可以通過(guò)仔細(xì)的設(shè)計(jì)來(lái)避免因結(jié)構(gòu)共振而出現(xiàn)的噪聲情況。

如果開(kāi)發(fā)合適，鏈傳動(dòng)和皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可聽(tīng)見(jiàn)的嚙合噪聲較少出現(xiàn)，但是由于這種噪聲較少與發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲疊加，因此這種噪聲出現(xiàn)在低負(fù)荷時(shí)的影響要大于全負(fù)荷時(shí)。如果嚙合噪聲可以聽(tīng)見(jiàn)，那么鏈條噪聲因鏈條與鏈輪之間的金屬接觸所產(chǎn)生的噪聲更尖銳，其干擾性比皮帶噪聲更大。

圖5示出了在汽油機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)距配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)罩蓋1 m處所測(cè)得的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲水平，圖中的粗實(shí)線表示噪聲的平均值，矩形框表示最好與最差發(fā)動(dòng)機(jī)之間噪聲的分布范圍，其平均值就相當(dāng)于皮帶傳動(dòng)的噪聲水平（綠色平均值為0 dB）。齒形鏈條傳動(dòng)的平均噪聲級(jí)低于套筒鏈條，與皮帶傳動(dòng)非常相似，甚至還更低些。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲測(cè)量結(jié)果分布

配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)整個(gè)噪聲級(jí)的分散度明顯高于鏈傳動(dòng)與皮帶傳動(dòng)之間的特性差異。發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)對(duì)配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)噪聲輻射的強(qiáng)烈影響有助于其產(chǎn)生大的變化，并被汽車集成的動(dòng)態(tài)性能和汽車車身動(dòng)力學(xué)放大。如果配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)聲學(xué)性能和汽車噪聲-振動(dòng)-平順性（NVH）特性都開(kāi)發(fā)得合適的話，那么無(wú)論采用鏈傳動(dòng)還是皮帶傳動(dòng)都能獲得良好的汽車聲學(xué)性能。

一般而言，皮帶傳動(dòng)具有非常良好的NVH特性。若采用濕式皮帶的話，則皮帶的NVH特性與密封機(jī)油的配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)罩蓋堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)相結(jié)合能獲得較好的噪聲性能。如果優(yōu)化設(shè)計(jì)規(guī)范，那么鏈傳動(dòng)方案一般能獲得良好的發(fā)動(dòng)機(jī)NVH性能，相反鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)則可能導(dǎo)致可聽(tīng)見(jiàn)干擾嚴(yán)重的蜂鳴聲。齒形鏈條可達(dá)到與皮帶傳動(dòng)相似的NVH特性。

6 系統(tǒng)質(zhì)量和外形尺寸

圖6所示的質(zhì)量分析實(shí)例反映了當(dāng)前直列式柴油機(jī)配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的狀況（至今尚無(wú)濕式皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)型式），圖中對(duì)比了同時(shí)驅(qū)動(dòng)水泵和燃油泵的干式齒形皮帶、用階梯輪驅(qū)動(dòng)燃油泵的兩級(jí)鏈傳動(dòng)，以及凸輪軸驅(qū)動(dòng)燃油泵的單級(jí)鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)測(cè)量結(jié)果。

圖6 柴油機(jī)配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)測(cè)量結(jié)果比較

在考慮分級(jí)鏈傳動(dòng)的導(dǎo)向裝置、張緊輪和鏈輪的情況下，高壓燃油泵集成在皮帶傳動(dòng)中的附加轉(zhuǎn)向輪，可能會(huì)使系統(tǒng)質(zhì)量比鏈傳動(dòng)大。而總質(zhì)量最輕的傳動(dòng)系統(tǒng)是凸輪驅(qū)動(dòng)燃油泵的單級(jí)鏈傳動(dòng)。

就發(fā)動(dòng)機(jī)艙而言，發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)度和高度是關(guān)鍵尺寸，而配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)這兩個(gè)尺寸具有直接的影響。除了缸心距之外，配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)油泵傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的尺寸也是發(fā)動(dòng)機(jī)總長(zhǎng)度的決定因素。與鏈傳動(dòng)相比，皮帶傳動(dòng)影響發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)度的附加幅度是皮帶本身寬度所引起的，而皮帶寬度則取決于負(fù)荷和所要求的使用壽命。

7 總結(jié)和展望

配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)是新發(fā)動(dòng)機(jī)總體布置的重要組成部分，轎車發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)大多在鏈條和皮帶之間進(jìn)行選擇。未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)是降低CO2排放，并擴(kuò)大對(duì)廢氣排放具有重要意義的運(yùn)行范圍，因此配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)負(fù)荷和對(duì)配氣定時(shí)精度的要求都越來(lái)越高，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的全球制造也擴(kuò)大了影響環(huán)境的范圍。

由于相互競(jìng)爭(zhēng)的配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具有相似的工作能力及開(kāi)發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，有必要對(duì)其各個(gè)重要方面不斷地進(jìn)行評(píng)價(jià)檢驗(yàn)。但是，在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行比較的基礎(chǔ)上，不可能為所有發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合都選擇最佳技術(shù)。從發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)角度來(lái)看，目前配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的技術(shù)狀況如下（圖7）：

圖7 4種配氣傳動(dòng)技術(shù)的評(píng)價(jià)比較

（1）在發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)度必須最短的情況下，鏈傳動(dòng)優(yōu)于皮帶傳動(dòng)；（2）大多數(shù)汽油機(jī)和部分柴油機(jī)采用液壓式凸輪軸相位調(diào)節(jié)器，鏈傳動(dòng)和濕式皮帶傳動(dòng)是成本較為有利的配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案；（3）皮帶傳動(dòng)可在整個(gè)使用壽命期間達(dá)到較高的配氣定時(shí)精度，這對(duì)于未來(lái)廢氣排放和燃油耗具有越來(lái)越重要的意義；（4）由于噴油壓力越來(lái)越高，因而噴油泵扭矩對(duì)于皮帶和鏈條的使用壽命具有決定性作用。

為了使NVH、摩擦和動(dòng)態(tài)性能等方面都達(dá)到最佳水平，需要仔細(xì)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化傳動(dòng)帶曲線形狀，但與選擇配氣傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的型式無(wú)關(guān)，因此皮帶傳動(dòng)與鏈傳動(dòng)之間還將繼續(xù)存在激烈的競(jìng)爭(zhēng)。