未來鏈傳動和皮帶傳動的競爭

【奧地利】 W.J.Schoeffmann C.Truffinet M.Howlett N.Ausserhofer A.Zurk

綜合評述

未來鏈傳動和皮帶傳動的競爭

【奧地利】 W.J.Schoeffmann C.Truffinet M.Howlett N.Ausserhofer A.Zurk

在設(shè)計內(nèi)燃機時，選擇正時傳動系統(tǒng)的技術(shù)是1項關(guān)鍵的決策，它會對發(fā)動機的最終結(jié)構(gòu)和組裝尺寸等發(fā)動機的總體特性起到?jīng)Q定性作用。對于乘用車發(fā)動機，主要有2種主流的正時傳動技術(shù)： 齒形皮帶和鏈條傳動。兩者都有幾種派生變型式，例如，干式皮帶和濕式皮帶傳動，或者齒形鏈和滾子鏈。研究了這些技術(shù)對發(fā)動機關(guān)鍵特征(主要包括組裝尺寸、成本、質(zhì)量、耐久性、噪聲-振動-平順性和摩擦損失產(chǎn)生的不同影響)。根據(jù)從最近發(fā)動機開發(fā)項目中收集到的數(shù)據(jù)和文獻研究獲取的數(shù)據(jù)，以及來自零部件供應行業(yè)的數(shù)據(jù)，進行了盡可能的定量評價。根據(jù)當前和預期的未來發(fā)動機開發(fā)趨勢，對這些不同的影響進行了綜合評述，以期在未來幾年里為發(fā)動機設(shè)計師選擇合適的正時傳動技術(shù)提供基礎(chǔ)。

鏈傳動 皮帶傳動 正時系統(tǒng)

0 前言

正時傳動系統(tǒng)的主要功能是以1∶2的固定轉(zhuǎn)速比和按照與曲軸的恒定正時關(guān)系來驅(qū)動發(fā)動機凸輪軸，以便為發(fā)動機熱力循環(huán)提供所需的準確氣門開啟和關(guān)閉正時。

在發(fā)動機壽命期內(nèi)，正時關(guān)系必須保持在允許公差范圍以內(nèi)。正時傳動系統(tǒng)的故障通常會導致整臺發(fā)動機出現(xiàn)故障。這種故障可能是逐步的過程(如正時精度逐漸惡化會導致功率損失或排放惡化)，或者這種故障可能會突然發(fā)生(如傳動失敗會導致活塞與開啟氣門的碰撞)。

研究人員可能會在正時傳動和凸輪軸之間引入改變正時關(guān)系的附加措施(可變氣門正時(VVT)),這些措施不會改變正時系統(tǒng)的基本功能，因為VVT的其他位置必須保持準確的正時。

根據(jù)發(fā)動機的類型和結(jié)構(gòu)而定，正時傳動系統(tǒng)的次要功能可能包括驅(qū)動的其他零部件，典型的是驅(qū)動噴油泵或冷卻液泵。

1 正時傳動系統(tǒng)技術(shù)

圖1所示為正時傳動系統(tǒng)主要技術(shù)的實施方案概覽圖。所有這些方案都能夠?qū)崿F(xiàn)其主要功能。

必須根據(jù)對以下各項發(fā)動機關(guān)鍵特性作出的評估來為某一特定發(fā)動機選擇合適的正時傳動系統(tǒng)： (1) 摩擦損失；(2) 耐久性和維護保養(yǎng)；(3) 壽命期內(nèi)的正時精度；(4) 動態(tài)特性；(5) 噪聲-振動-平順性(NVH)；(6) 質(zhì)量；(7) 組裝尺寸；(8) 生產(chǎn)成本。

圖1 正時傳動技術(shù)分類

齒輪傳動通常用于負荷很高的發(fā)動機，尤其是大型柴油機，通常還用于轉(zhuǎn)速很高的發(fā)動機，例如賽車發(fā)動機。對于這些發(fā)動機來說，延長耐久性和支持高扭矩的能力要比齒輪傳動的高成本和潛在的NVH問題更為重要。齒輪傳動用于這些發(fā)動機的另外一些優(yōu)點是能夠驅(qū)動多個部件(液壓泵、空氣壓縮機、動力輸出裝置(PTO))。

齒形皮帶和齒形鏈(圖1)是全球乘用車發(fā)動機采用的主要解決方案。這可以通過分析采用各種正時傳動的乘用車的銷售量來說明(圖2)。在過去的十年中，新發(fā)動機采用鏈傳動系統(tǒng)的趨勢持續(xù)增長。皮帶傳動發(fā)動機的主要市場是在歐洲和南美洲，在亞洲，這兩種傳動系統(tǒng)的使用率非常接近，即各占50%。濕式皮帶傳動技術(shù)已經(jīng)在歐洲投入量產(chǎn)，不久也將在亞洲實現(xiàn)本土化生產(chǎn)。從當前正在進行的開發(fā)項目來看，這種相對較新的技術(shù)其市場份額有望達到3%～10%。

圖2 采用不同正時傳動的乘用車的市場份額(2015年及未來可能的發(fā)展情況)

可以根據(jù)特定發(fā)動機的具體要求，從這些競爭的技術(shù)中為新發(fā)動機設(shè)計選擇1項合適的技術(shù)。本文從1臺典型的量產(chǎn)直列4缸雙頂置凸輪軸(DOHC)發(fā)動機來考慮，詳細研究了這兩種競爭方案的相對優(yōu)缺點。根據(jù)從AVL公司的大量發(fā)動機開發(fā)項目中獲得的數(shù)據(jù)，以及技術(shù)文獻和相關(guān)零部件供應商提供的數(shù)據(jù)，對這兩種技術(shù)進行了評價。

當前正在進行的內(nèi)燃機開發(fā)工作的重點是提高效率，以減少CO2排放。本文還闡述了因相關(guān)發(fā)動機技術(shù)發(fā)展而產(chǎn)生的對未來正時傳動的需求。

2 發(fā)動機技術(shù)趨勢

燃油耗和CO2排放法規(guī)是未來全球發(fā)動機開發(fā)的主要驅(qū)動力。發(fā)動機小型化能夠改善車輛燃油耗，提高比功率，但同時也會導致氣缸壓力和機油溫度升高，從而會使動態(tài)負荷和熱負荷升高。通過減少氣缸數(shù)來實現(xiàn)發(fā)動機小型化會因為發(fā)火頻率較低導致曲軸動態(tài)受力較高，且會產(chǎn)生較高的凸輪扭矩激勵。此外，在重型汽車上采用小型渦輪增壓發(fā)動機會使平均負荷提高，進而導致發(fā)動機零部件上的機械負荷和熱負荷增加。

此外，在未來十年歐洲將引入實際行駛排放(RDE)工況。這將顯著擴大法規(guī)要求控制排放和燃油耗的發(fā)動機運轉(zhuǎn)工況范圍，從而會進一步擴大對各種技術(shù)的需求。例如，對于汽油機來說，采用有源三效催化器的理論配比，在運行工況范圍將會擴展至全負荷，而對于柴油機來說，NOx后處理將成為1種常態(tài)。隨著柴油機和越來越多的汽油機趨向于采用直噴和外部冷卻EGR，碳煙排放將會增多。

對全球燃油的兼容性會要求材料具有很高的耐化學腐蝕性。由于要使低硫酸鹽灰分、磷-硫(SAPS)機油(防止排氣后處理系統(tǒng)(EATS)堵塞)和耐磨組分保持均衡關(guān)系，預料會開發(fā)機油的配方。同時，由于高功率密度、較長換油期、減少機油容量，以及靈活換油期的共同作用，對發(fā)動機潤滑劑的壓力正在提高。

正時傳動通過其對發(fā)動機摩擦的作用會直接影響到燃油耗。因此，正時傳動的低摩擦設(shè)計日益重要。減小曲柄連桿機構(gòu)和配氣機構(gòu)的摩擦能降低摩擦阻尼，從而能使輸入正時傳動系統(tǒng)的動力增大。低黏度機油將日益普遍，因而會對正時傳動的磨損特性產(chǎn)生影響。

圖3和圖4所示分別為反映了汽油機和柴油機主要開發(fā)方向的具體技術(shù)路線圖。圖中示出了各種技術(shù)對當前及未來發(fā)動機正時傳動設(shè)計的影響程度。

2.1 汽油機對正時傳動的影響

由于渦輪增壓和小型化發(fā)動機的持續(xù)發(fā)展，氣缸壓力日益升高。峰值壓力的水平已經(jīng)達到了13MPa，這意味著與傳統(tǒng)自然吸氣的多點噴射發(fā)動機相比，氣缸壓力升高了1倍。

采用減小軸承直徑優(yōu)化曲軸的摩擦會使扭轉(zhuǎn)剛度降低。因此，曲柄連桿機構(gòu)輸入正時傳動機構(gòu)的動力會增大。在目前的20～25MPa噴油壓力范圍內(nèi)，增大汽油直噴(GDI)的噴射壓力會導致來自燃油泵傳動凸輪軸的扭矩峰值升高。人們已在采取防止措施，以使未來新設(shè)計產(chǎn)品的扭矩峰值不會增加到一倍。此外，GDI燃燒會使汽油機產(chǎn)生燃燒的碳煙污染物的機油，盡管與柴油機相比其排放量較低。

整車廠將引入積極的燃油經(jīng)濟性概念，例如，采用高壓縮比的米勒循環(huán)。這種方法需要采用更寬的凸輪正時變化范圍和縮減燃燒室容積。氣門與活塞之間的間隙和正時精度將成為燃油耗潛力的限制因素。添加EGR可使理論配比運轉(zhuǎn)工況范圍擴展至全負荷，以改善實際運行的燃油耗。這將會進一步增加機油污染。

圖3 汽油機技術(shù)路線圖

圖4 柴油機技術(shù)路線圖

由于渦輪增壓發(fā)動機在低端扭矩和燃油耗方面帶來的益處，雙VVT機構(gòu)在未來的市場份額將會比目前的更大。雙VVT機構(gòu)發(fā)動機因其采用可變凸輪正時，而需要有更大的正時傳動動力。這一發(fā)展態(tài)勢將不利于干式皮帶正時傳動發(fā)動機，因為VVT單元的成本較高，它必須使皮帶封閉以防止皮帶的機油污染。此外，由于VVT性能改善和機油流量減小，目前的趨勢是傾向于采用在凸輪尖處設(shè)置中央機油控制閥的VVT設(shè)計。這種類型的VVT不適合采用干式皮帶。

2.2 柴油機對正時傳動的影響

峰值氣缸壓力仍保持在當今的水平，對于高性能發(fā)動機，氣缸峰值壓力高達20MPa，相反，在另一種極端情況下，對于積極的燃油經(jīng)濟性概念，峰值壓力則低至13MPa。

柴油機的摩擦損失比汽油機的更大，因此減小摩擦是關(guān)鍵。采用減小軸承直徑來優(yōu)化曲軸摩擦會降低扭轉(zhuǎn)剛度。曲柄連桿機構(gòu)輸入正時傳動的動力仍將保持在當今柴油機的水平。

將噴油壓力提高至300MPa會導致高壓燃油泵的傳動扭矩峰值增大。另一方面，整車廠正在開發(fā)諸如采用凸輪驅(qū)動噴油泵的2氣門單頂置凸輪軸之類的低成本解決方案，并正在引入亞洲市場。

為后處理熱管理引入VVT會因可變凸輪正時而導致正時傳動動力增大，目前看來在2025年前不會成為主流技術(shù)。柴油機采用干式皮帶傳動時需要封閉VVT裝置，這也會產(chǎn)生間接成本。增大活塞上的氣門凹坑深度，排除了排氣門更遲關(guān)閉和/或進氣門更早開啟的做法，由于所需的燃燒室?guī)缀涡螤詈蛪嚎s比不允許，因此，不會對正時精度要求產(chǎn)生影響。

為滿足RDE工況的要求，將需要采用更高的EGR率和性能更好的后處理系統(tǒng)。機油中的碳煙量增加會關(guān)系到正時傳動的機械磨損和耐久性。為了滿足排放法規(guī)的要求，采用更昂貴的噴油、增壓和后處理系統(tǒng)將會進一步增加基本型發(fā)動機及其關(guān)鍵系統(tǒng)的成本壓力。

3 正時傳動結(jié)構(gòu)的評價標準

在選擇方案時必須考慮的正時傳動的一些關(guān)鍵特性，并介紹相互競爭的鏈傳動和皮帶傳動系統(tǒng)的相對優(yōu)缺點。盡可能用定量數(shù)據(jù)來支持討論。數(shù)據(jù)源包括公開發(fā)布的數(shù)據(jù)、AVL發(fā)動機開發(fā)項目中的發(fā)動機和臺架試驗實測數(shù)據(jù)、產(chǎn)品發(fā)動機的基準數(shù)據(jù)，以及零部件供應商提供的未公開發(fā)布的數(shù)據(jù)。

3.1 摩擦

可以利用分解試驗法[1]將發(fā)動機的平均摩擦壓力(FMEP)分攤到發(fā)動機的主要系統(tǒng)。圖5所示為1款2.0L乘用車柴油機的典型測量結(jié)果。

由圖5可見，在該典型實例中，正時傳動系統(tǒng)占發(fā)動機摩擦的比例僅約4%。盡管如此，鑒于當前對CO2減排的關(guān)注，必須在新發(fā)動機的概念設(shè)計階段和發(fā)動機開發(fā)過程中考慮到每一個小比例的FMEP，并找出使總損失最小化的方法。

圖5 用分解試驗法測得的4缸2L柴油機正時傳動占發(fā)動機FMEP的比例[2-3]

3.1.1 正時傳動的摩擦比較

傳統(tǒng)的正時傳動摩擦測量結(jié)果顯示，皮帶傳動系統(tǒng)與鏈傳動系統(tǒng)的摩擦水平存在明顯的差異[4]。

但是，近期在幾臺先進發(fā)動機上采用分解法測得的結(jié)果則顯示，皮帶傳動和鏈傳動正時傳動摩擦的差異情況并不一致。就汽油機而言，鏈傳動和皮帶傳動系統(tǒng)數(shù)據(jù)分散帶下端的摩擦水平非常相似。

圖6匯總了用分解試驗法測得的12臺乘用車汽油機和8臺乘用車柴油機的正時傳動摩擦結(jié)果。應當指出的是，分解法的限制條件是，正時傳動摩擦中包括了凸輪軸軸承的摩擦，但不包括配氣機構(gòu)其余部分的摩擦。凸輪軸占實測FMEP的比例為30%(單頂置凸輪軸)到50%～60%(雙頂置凸輪軸)。所有被測量的發(fā)動機都安裝了滑動軸承，且凸輪軸直接在氣缸蓋的基礎(chǔ)材料上運轉(zhuǎn)。

圖6 利用分解法測得的鏈正時傳動和皮帶正時傳動(包括凸輪軸)的摩擦值

結(jié)果表明，摩擦值的范圍相當寬廣，且不同正時傳動的數(shù)據(jù)分散帶有很大的重合度，鏈傳動的最佳摩擦值要優(yōu)于皮帶傳動的平均值，反之一樣。同樣，柴油機正時傳動(在該實例中為套筒鏈)的最佳摩擦值要低于汽油機正時傳動系統(tǒng)的平均摩擦值，反之一樣。對于汽油機來說，鏈傳動和皮帶傳動系統(tǒng)數(shù)據(jù)分散帶下端的摩擦值極為相似。

由此可以得出如下結(jié)論： 應該避免采用摩擦最低的傳動技術(shù)。在這方面，總傳動結(jié)構(gòu)的影響是更加重要的因素之一。對不同正時傳動結(jié)構(gòu)進行的比較顯示，采用曲軸與凸輪軸直接連接的簡單布置(無額外的零部件，需要采用大包角)可能會導致正時傳動出現(xiàn)最低可能的FMEP值。只用2個鏈輪的直接鏈傳動與簡單皮帶傳動的摩擦水平極為相似。然而，皮帶傳動或鏈傳動的結(jié)構(gòu)布置通常由安裝空間和其他零部件(例如需要驅(qū)動的燃油泵等)決定。

測定了柴油機高壓噴油泵對FMEP的巨大影響。正時系統(tǒng)的摩擦會因所需的包角及皮帶或鏈條預緊力的增加而增大。

根據(jù)AVL公司的測量結(jié)果，與套筒鏈和滾子鏈相比，倒齒鏈在摩擦方面具有較大的劣勢。供應商們正在努力開發(fā)采用優(yōu)化鏈板接觸、齒形結(jié)構(gòu)和涂層技術(shù)的新型倒齒鏈、滾子鏈或套筒鏈。結(jié)果表明，它們具有進一步減小摩擦的潛力。皮帶傳動供應商還在開發(fā)新型復合材料和涂層，以減小摩擦。

3.2 耐久性

乘用車發(fā)動機的典型耐久性要求是20～25萬km和15年產(chǎn)品使用壽命內(nèi)不出現(xiàn)主要故障。這類發(fā)動機上都采用鏈傳動系統(tǒng)和皮帶傳動系統(tǒng)。系統(tǒng)的壽命及在發(fā)動機壽命內(nèi)需要調(diào)整或更換的正時傳動零部件通常是決定正時傳動方案時要考慮的重要因素之一。

對于耐久性要求較高的大型發(fā)動機，最好采用齒輪傳動，它通常可達到10萬km以上的使用壽命。

3.2.1 主要故障模式

3.2.1.1 鏈傳動

鏈傳動的主要故障模式是在壽命期內(nèi)由于鏈銷與鏈板結(jié)合處的磨料磨損而導致鏈條拉長。鏈條的拉長率很大程度上取決于機油變質(zhì)和碳煙含量情況。正常的拉長率為0.2%，但是在嚴苛條件下，最差的情況可達到0.6%，在鏈傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須考慮這種情形。

因為磨損是隨著時間逐漸累積的，所以對這種故障模式的監(jiān)測相當簡單，可以利用現(xiàn)成的發(fā)動機控制傳感器測量凸輪正時誤差的增加量來進行監(jiān)測。

3.2.1.2 皮帶傳動

皮帶傳動的主要故障模式是帶齒剪切。帶齒剪切首先從齒根部位出現(xiàn)裂紋開始，然后會出現(xiàn)帶齒局部剪切和最終帶齒完全剪切。這些后果最終會導致正時傳動系統(tǒng)的整體故障，從而導致發(fā)動機出現(xiàn)嚴重故障。監(jiān)測帶齒剪切初始征兆幾乎是不可能的，只有當這些損壞情況已經(jīng)相當大時才會變得明顯。目視檢測足以監(jiān)測到較大的損壞，因此一些原始設(shè)備制造商(OEM)規(guī)定要采用這種方法。由于帶齒剪切開始時不會引起正時誤差，因此，目前還沒有采用傳感器進行監(jiān)測。

4 發(fā)動機壽命期內(nèi)的氣門正時

皮帶或鏈條長度隨時間發(fā)生變化會導致凸輪軸與曲軸之間出現(xiàn)角度正時誤差，使氣門正時逐漸延遲。除了對發(fā)動機熱力循環(huán)有影響之外，這還會導致排氣門距離活塞更近。圖7所示為皮帶或鏈條比標準長度拉長0.4%和0.6%時對氣門正時及氣門與活塞頂間隙的影響。

圖7 皮帶或鏈條拉長對氣門正時和氣門間隙的影響

正時誤差的確切影響會因燃燒系統(tǒng)不同而變化，但是，對于目前的要求(包括排放耐久性16萬km)來說，在壽命期內(nèi)正時偏差為8°CA通常是可以接受的。隨著未來對排放耐久性要求的提高，或許會重新評估這一極限。尤其是在當設(shè)計高壓縮比和極端凸輪相位的新型燃燒系統(tǒng)時，例如米勒循環(huán)燃燒，0.3mm的氣門升程偏差就開始成為重大誤差[3]。

皮帶和鏈條的拉長機理是不同的。對于鏈條，拉長是由鏈條組成零件的磨料磨損引起的。根據(jù)所選擇的鏈條類型及發(fā)動機機油的條件(變質(zhì)狀況)，鏈條拉長率在0.3%～0.6%通常被認為是設(shè)計的標準。

皮帶不會因磨損而拉長，但是，它會因簾線承受張力而產(chǎn)生一些永久性拉長。

對直列3缸渦輪增壓直噴基準汽油機濕式皮帶的測量結(jié)果顯示，在承受500N靜態(tài)載荷的條件下，永久拉長率為0.14%。這種拉長可以在皮帶裝配過程中進行補償，在調(diào)整發(fā)動機正時之前，用機械張緊器施加充分的靜態(tài)預緊力。對于鏈條，這種初始拉長可以在制造過程中通過在鏈條上施加預應力來消除，目前，這種方法對皮帶來說并不是標準的處理方法。

皮帶在其壽命期內(nèi)的拉長率會隨皮帶所用技術(shù)不同而有所變化，不同的皮帶供應商規(guī)定的設(shè)計標準范圍為0.10%～0.25%。發(fā)展的趨勢是趨向于達到下限值。

與皮帶傳動相比，在保證發(fā)動機壽命期內(nèi)的氣門正時一致性方面，鏈傳動系統(tǒng)具有潛在的缺點。

5 環(huán)境適應度

現(xiàn)場的使用經(jīng)驗表明，正時傳動的耐久性對環(huán)境因素非常敏感： 由于用戶的負荷循環(huán)不同，以及燃料和潤滑劑規(guī)格不同，在某一個應用市場運轉(zhuǎn)毫無問題的發(fā)動機，在另一個應用市場可能會經(jīng)歷重復的故障。因此，必須仔細考慮正時傳動系統(tǒng)對這些因素的適應度。

5.1 干式皮帶

干式皮帶會受到諸如溫度、灰塵和濕度等環(huán)境因素的影響。這些因素會嚴重縮短皮帶的使用壽命。“干式”皮帶不是完全封閉的，它可能會遭受到從路面上飛濺起的泥水和雪垢的侵蝕。壽命期內(nèi)的溫度狀況會因負荷循環(huán)和環(huán)境條件而產(chǎn)生很大的變化。

5.2 濕式皮帶

將皮帶封閉在發(fā)動機機油的油霧中能為皮帶提供更加穩(wěn)定的溫度和濕度等環(huán)境條件，并能排除外界物體的影響。另一方面，皮帶材料會暴露在或多或少含有碳煙的發(fā)動機機油中。此外，諸如未燃燃料、來自EGR氣體和竄漏氣體的酸性物質(zhì)等化學物質(zhì)也會混入機油中。來自皮帶供應商以及原設(shè)備制造商的數(shù)據(jù)顯示，為了評估濕式皮帶技術(shù)的可靠性，已對約30種化學物質(zhì)和介質(zhì)混合物進行了試驗。在所有試驗的化學組分中，乙醇燃料、乙二醇/水冷卻液和竄漏氣體的冷凝物是在不同靜態(tài)試驗中對皮帶膨脹、皮帶張力減小和/或帶齒附著力減小影響最大的幾種物質(zhì)。

視濃度和皮帶類型而定，特別有害的純化學物是： 醋酸、乙二醇和己酸乙酯。主要危害是因氧化形成的酸而導致的皮帶損壞。

對于柴油機用途，濕式皮帶本身對碳煙污染并不敏感，而傳動系統(tǒng)的其他零件(例如惰輪軸承或張緊器)則是潛在的受害部位。

5.3 鏈條

鏈條需要采用機油對其進行潤滑。鏈條磨損的關(guān)鍵影響因素是碳煙，以及機油中的燃油。由于反向齒形鏈的鏈銷直徑較小，因而它對機油變質(zhì)的敏感度要比套筒鏈的高。由于柴油機的碳煙問題，目前鏈傳動的應用范圍僅限于汽油機。對于機油變質(zhì)快和鏈條動力大的高性能渦輪增壓直噴汽油機，倒齒鏈顯得很重要。

對磨料磨損的耐久性是鏈傳動開發(fā)的1個重要關(guān)注點，可以通過改變鏈條設(shè)計，增大支承面積，以及改善產(chǎn)品精度、材料和熱處理的辦法來解決這個問題。與前幾代鏈條相比，這些措施會使鏈條本身的成本增加。

鏈條和濕式皮帶的耐久性在一定程度上取決于會導致污染物數(shù)量改變的發(fā)動機標定和用戶的行駛循環(huán)。

6 維護

由于鏈傳動是被認為1種“終生”免維護的系統(tǒng)，因此，乘用車發(fā)動機上對它的維護要求是有限的。所以，在使用中通常不要求進行目測檢查或更換鏈條。一些原設(shè)備制造商已經(jīng)引入了針對正時誤差車上監(jiān)測的維護。

對于干式皮帶傳動，由于皮帶技術(shù)的改進使設(shè)計壽命由常規(guī)的10年延長到了15年,因而在近期開發(fā)中對維修的要求有很大變化。但是，一些原始設(shè)備制造商仍要求在設(shè)計壽命期內(nèi)有計劃地更換皮帶(圖8)。

圖8 干式皮帶更換間隔實例(2014年狀況)

正如前面所述，環(huán)境條件會對皮帶使用壽命產(chǎn)生影響，因而也會影響維護要求，例如，根據(jù)印度的路面條件，皮帶的更換間隔就要比歐洲的短。一些原設(shè)備制造商規(guī)定，由于老化和環(huán)境條件的影響，需要對皮帶進行目測檢查。

在機油中傳動的濕式皮帶在發(fā)動機的壽命期內(nèi)是不需要進行維護的。在工業(yè)用途發(fā)動機中已經(jīng)有很長的使用歷史，但是，對于汽車發(fā)動機，它們還是1種相對較新的技術(shù)。迄今為止，對不同發(fā)動機的量產(chǎn)現(xiàn)場試驗僅局限于1種柴油機和2種汽油機，但是到目前為止，還未發(fā)現(xiàn)有重要的現(xiàn)場問題。濕式皮帶的目測檢查(如果原設(shè)備制造商要求進行的話)會導致維護使用的工作量增加，例如，要拆卸機油密封罩，或者添加目測檢查的維護開孔。

6.1 動態(tài)特性

正時傳動系統(tǒng)將扭矩從曲軸傳遞給凸輪軸。由于不同活塞的脈動作用，發(fā)動機在工作過程中曲軸的轉(zhuǎn)速會不斷變化。另外，由于凸輪型線的變化，工作過程中凸輪軸需要的傳動扭矩也會發(fā)生變化，也可能會因氣門彈簧的反作用扭矩而發(fā)生逆向變化。VVT裝置可能會使這些負荷的相關(guān)相位發(fā)生變化，所有這些影響都會隨發(fā)動機的負荷和轉(zhuǎn)速而發(fā)生變化。因此，整個系統(tǒng)是1個高度動態(tài)的系統(tǒng)，因而，必須使傳動能適應這種情況幾何結(jié)構(gòu)和張緊系統(tǒng)的設(shè)計。評價標準包括皮帶或鏈條的最大張緊力，以及因凸輪軸相對扭轉(zhuǎn)振動而產(chǎn)生的動態(tài)正時誤差，張緊力必須保持在所選技術(shù)的極限以下。

通常，機械或液壓張緊器系統(tǒng)具有類似的性能特性。用于干式皮帶的機械張緊系統(tǒng)的優(yōu)點是它與發(fā)動機潤滑機油和機油壓力無關(guān)。正時傳動位置(在發(fā)動機前端或發(fā)動機飛輪端)不會對整個正時傳動的動態(tài)特性產(chǎn)生很大影響。

典型的正時傳動系統(tǒng)在發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)至少存在1個共振點，見圖9。

圖9 鏈條正時傳動中的動態(tài)力

皮帶傳動系統(tǒng)因其剛度較小，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)往往呈現(xiàn)2個共振區(qū)域，見圖10。但是，這就只要其諧振力峰值都在設(shè)計限度范圍之內(nèi)，就沒有問題。

高壓噴油泵扭矩是正時傳動的主要負荷之一。未來汽油機噴油泵的傳動扭矩將會進一步增加到當今柴油機噴油泵的水平，而柴油機噴油泵的噴油壓力和扭矩也會進一步增加。極高的扭矩峰值會被直接轉(zhuǎn)變成剛性鏈中的高張緊力，而皮帶則可以利用其柔性更好地補償扭矩峰值。

如果能使氣門凸輪與噴油泵凸輪之間達到1個最佳的偏位角，那么就能消除凸輪軸扭矩波動的影響。為了避免出現(xiàn)過高的傳動力，柴油機要求高壓噴油泵有1個最佳的相位。

圖10 皮帶正時傳動中的動態(tài)力

凸輪軸和曲軸的扭轉(zhuǎn)振動振幅與氣缸壓力、曲軸剛度和飛輪慣量等因素有關(guān)，它會在1個寬廣的范圍內(nèi)變化。鏈傳動和皮帶傳動系統(tǒng)的實例數(shù)據(jù)顯示，兩者的扭振幅值范圍較為相似。在整個工作循環(huán)中正時誤差并非是保持不變的，一般認為動態(tài)偏差為3～4°CA不會導致排放或性能惡化。

6.2 NVH特性

與正時傳動相關(guān)的噪聲可分為兩類： 固有噪聲和可避免的噪聲。嚙合噪聲是主要的噪聲來源，它是在皮帶與皮帶輪或鏈條與鏈輪嚙合過程中產(chǎn)生的固有噪聲。這個過程會產(chǎn)生不同頻率(和/或其倍數(shù)頻率)的嘯叫噪聲，它與鏈輪的轉(zhuǎn)速和齒數(shù)有關(guān)。這種噪聲可以通過方案選擇和具體的設(shè)計(如張緊力的影響、鏈條的類型、鏈輪輪齒的幾何形狀)，得以降低但是無法消除。其他噪聲則可以用設(shè)計規(guī)范來加以避免或使之大幅降低。特別是，由正時傳動系統(tǒng)罩蓋結(jié)構(gòu)共振引起的噪聲放大作用可以通過仔細的設(shè)計來加以避免。

一般來說，只要開發(fā)得當，鏈傳動和皮帶傳動機構(gòu)的可聞嚙合噪聲是較小的。但是，發(fā)動機噪聲的遮蔽效果較小，因而這種噪聲在低負荷時會比全負荷時更高。

如果嚙合噪聲可以聽到，那么鏈條的噪聲通常要比皮帶噪聲更煩人，因為鏈條與鏈輪之間的金屬接觸會產(chǎn)生更尖銳的噪聲。

關(guān)于發(fā)動機的總體噪聲，圖11所示為在發(fā)動機消聲室內(nèi)在汽油機正時傳動罩蓋前端1m處測得的無負荷工況下的發(fā)動機噪聲水平。

圖11中的粗黑線表示噪聲的平均值，矩形框表示最好發(fā)動機和最差發(fā)動機的噪聲分布范圍，其平均值就相當于皮帶傳動的平均噪聲水平(綠色平均值為0dB)。

在考察圖11所示的總噪聲水平時可知，無聲鏈傳動的平均噪聲水平要比套筒鏈傳動的低，而與皮帶傳動的噪聲水平非常接近，有時甚至比它更低。

圖11 在發(fā)動機前端測得的噪聲變化

但是，1種正時傳動系統(tǒng)的總噪聲水平的變化明顯要比鏈傳動與皮帶傳動之間的噪聲平均差值來得大。當然，發(fā)動機結(jié)構(gòu)動力學對正時傳動系統(tǒng)噪聲輻射的強烈影響會對這種變化產(chǎn)生很大的影響。發(fā)動機在汽車上的動態(tài)特性和汽車車身動力學會使這種影響增大。如果正時傳動系統(tǒng)、發(fā)動機和汽車的NVH都達到良好的水平，那么無論采用鏈傳動還是皮帶傳動都能獲得良好的汽車聲學性能。

皮帶傳動通常具有非常良好的NVH特性。當正時傳動系統(tǒng)的罩蓋不完全封閉時，環(huán)境的影響(例如，被灰塵污染)會使NVH特性變差。而對于濕式皮帶，皮帶的良好NVH特性與機油密封罩蓋布置相結(jié)合則能產(chǎn)生卓越的NVH特性。

如果發(fā)動機的主要設(shè)計規(guī)范得到認真考慮，那么所有的鏈傳動方案都能夠使發(fā)動機獲得良好的NVH特性。未經(jīng)優(yōu)化的鏈傳動結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生明顯的嘯叫噪聲，從而會導致尖銳和惱人的噪聲。倒齒鏈(也被稱為無聲鏈)能達到可與皮帶傳動媲美的NVH特性。

6.3 系統(tǒng)質(zhì)量

正時傳動系統(tǒng)占發(fā)動機總質(zhì)量的比例很小，但正如摩擦損失一樣，為了達到持續(xù)減小發(fā)動機總質(zhì)量的目標，正時傳動系統(tǒng)的質(zhì)量仍然是1個需要考慮的重要方面。在本研究中，根據(jù)所選基準發(fā)動機的零部件實測質(zhì)量，分析了各零部件之間的質(zhì)量差異。正時傳動零部件本身(鏈條或皮帶、鏈輪，以及惰輪/導向裝置/張緊器)的質(zhì)量約占發(fā)動機質(zhì)量的2%～3%，但是，在本研究中將諸如凸輪移相器，以及正時傳動系統(tǒng)罩蓋之類相關(guān)零部件的質(zhì)量都包括在內(nèi)來確定它們對發(fā)動機質(zhì)量的影響。

6.3.1 汽油機

質(zhì)量分析用的發(fā)動機是1臺1.4L直列4缸渦輪增壓直噴鏈傳動汽油機、1臺采用干式皮帶的1.4L直列4缸渦輪增壓直噴汽油機，以及1臺采用濕式皮帶的1.0L直列3缸直噴汽油機。所有的發(fā)動機均采用凸輪軸驅(qū)動直噴燃油泵，質(zhì)量數(shù)值中包括了雙VVT的質(zhì)量。結(jié)果見圖12。

圖12 汽油機正時傳動系統(tǒng)質(zhì)量比較

在該實例中，鏈傳動系統(tǒng)以微小的優(yōu)勢顯示出它的質(zhì)量最低。皮帶傳動由于需要對干式皮帶VVT裝置進行額外密封，因而每根凸輪軸增加約400g的質(zhì)量。此外，皮帶輪和張緊器的質(zhì)量要比鏈傳動的鏈輪和張緊器大。最后，干式皮帶設(shè)計中包含1個獨立的發(fā)動機前端安裝支架(用于保護皮帶維護通道)，而對于濕式皮帶和鏈條設(shè)計，該零件是與鋁罩結(jié)構(gòu)組合成一體的。

6.3.2 柴油機

柴油機質(zhì)量分析用的發(fā)動機是1臺采用干式皮帶驅(qū)動水泵和高壓燃油泵的1.6L直列4缸共軌直噴柴油機、1臺采用二級鏈傳動在中間位置驅(qū)動高壓燃油泵的2.0L直列4缸共軌直噴柴油機，以及1臺采用簡單鏈傳動和凸輪軸驅(qū)動燃油泵齒輪的2.0L直列4缸共軌柴油機。這些柴油機的結(jié)構(gòu)頗具競爭性，是很好的分析樣本。目前，分析樣本中尚未包括濕式皮帶的實例。結(jié)果見圖13。

圖13中再次可見鏈傳動系統(tǒng)總質(zhì)量低的優(yōu)點。將高壓燃油泵與皮帶傳動系統(tǒng)結(jié)合成一體需要采用額外的惰輪，以增大包角和減少自由段皮帶的長度。所以，這種皮帶傳動系統(tǒng)的質(zhì)量要比與高壓燃油泵組成一體鏈傳動系統(tǒng)的質(zhì)量高得多，即使將額外的鏈導向裝置和張緊器，以及分級鏈傳動裝置的雙鏈輪考慮在內(nèi)，結(jié)果也是如此。總質(zhì)量最輕的正時傳動系統(tǒng)是利用凸輪驅(qū)動燃油泵的簡單鏈傳動系統(tǒng)。

圖13 柴油機正時傳動系統(tǒng)質(zhì)量比較

6.4 發(fā)動機組裝后的尺寸

發(fā)動機組裝后最關(guān)鍵的外形尺寸通常是發(fā)動機的長度和高度。發(fā)動機高度最小化是為了保護行人和降低車輛發(fā)動機罩蓋輪廓線的需要。發(fā)動機長度通常是1個硬性限制條件，尤其是對于橫向安裝的發(fā)動機，這時要求發(fā)動機和變速箱必須安裝在車輛的縱向組件之間。正時傳動系統(tǒng)會直接影響到這兩個外形尺寸。為了定量分析各種正時傳動結(jié)構(gòu)之間的差異，總裝尺寸分析也采用質(zhì)量比較用的基準發(fā)動機。

汽油機采用皮帶傳動時節(jié)距通常需要比鏈傳動的更大，因而會導致凸輪軸上的帶輪直徑較大。鏈輪直徑和皮帶輪直徑的比較如圖14所示。

圖14 汽油機采用皮帶傳動與鏈傳動時凸輪軸帶輪和鏈輪直徑的比較

凸輪軸鏈輪(帶有合適的罩蓋)通常是發(fā)動機的最高部位，因此，減小其直徑對減小發(fā)動機高度具有直接的好處。

在缸心距確定之后，通常安裝在第一缸前端的正時和機油泵傳動機構(gòu)所占的長度就是影響發(fā)動機總長度的另一個決定性因素。

圖15所示是3款基準柴油機對長度要求的分解圖。在該實例中，與鏈傳動相比，干式皮帶正時傳動在發(fā)動機長度方面具有一定的劣勢。長度最短的發(fā)動機是采用單級鏈傳動發(fā)動機驅(qū)動凸輪軸的，但是，在該案例中，燃油泵安裝在氣缸蓋的后端，它只適用于發(fā)動機橫向安裝。

圖15 柴油機采用皮帶傳動和鏈傳動時的長度比較

額外的長度來自于皮帶本身的寬度，而皮帶寬度是取決于負荷和壽命要求的1個變量。在過去，隨著皮帶技術(shù)的發(fā)展，在給定負荷下所需的皮帶寬度已得到減小，進一步減小皮帶的寬度正在積極研究中(圖16)。

圖16 不同用途的皮帶寬度趨勢

但是，即使皮帶寬度達到了預期的減小，柴油機用的皮帶傳動系統(tǒng)仍要比套筒鏈方案寬5～8mm。而對于汽油機，潛在的優(yōu)勢較大，因為下一代倒齒鏈的寬度將會減小，其寬度可在9～15mm范圍內(nèi)。將鏈導向裝置結(jié)構(gòu)從外部連接接觸轉(zhuǎn)變成內(nèi)部連接接觸，能使鏈傳動系統(tǒng)在長度方面的優(yōu)勢得到進一步增大。

對于臨界負載已接近其強度極限的正時傳動系統(tǒng)，皮帶傳動則具有一定的優(yōu)勢，如果發(fā)動機開發(fā)需要的話，使寬度增加幾個百分點就能馬上降低單位負載。用類似的辦法來增加鏈條的強度是很難實現(xiàn)的。

6.5 對發(fā)動機成本的影響

還對基準發(fā)動機進行了相關(guān)系統(tǒng)的成本分析。成本分析中考慮了零部件的數(shù)量和復雜性、裝配2步數(shù)及各零件采用的材料。很明顯，主要的成本差異不是正時系統(tǒng)本身那些只需要根據(jù)供應商報價單就能準確估算的成本，而是所選正時系統(tǒng)對發(fā)動機整體結(jié)構(gòu)方案(包括罩蓋、密封和裝配工藝)的影響。

圖17示出了各臺汽油機正時傳動系統(tǒng)的零部件數(shù)量。采用干式皮帶的1.4L渦輪增壓直噴基準汽油機的特點是有1個鋁罩蓋、2個塑料蓋和1個發(fā)動機支架，與前端只有1個鋁罩蓋的1.0L直列3缸渦輪增壓基準汽油機相比，它明顯會增加裝配的工作量。另一方面，濕式皮帶罩蓋要采用遙控設(shè)備涂敷的液態(tài)密封劑來進行密封，而干式皮帶罩蓋則無需密封。

圖17 鏈傳動、干式皮帶傳動和濕式皮帶傳動的零部件數(shù)量

與正時鏈傳動和濕式皮帶傳動相比，干式皮帶傳動系統(tǒng)的VVT執(zhí)行器需要對VVT總成進行額外密封，并且，在凸輪軸與氣缸蓋之間需要有1個密封界面，此外還需要密封中央固定螺栓孔。此外，皮帶傳動VVT執(zhí)行器因皮帶輪較寬，而導致其結(jié)構(gòu)較為復雜。要像鏈傳動方案的常見做法那樣，將皮帶輪直接與到VVT靜子或VVT罩蓋上組成一體是不可能實現(xiàn)的。結(jié)果是干式皮帶VVT裝置的成本要比濕式皮帶正時傳動裝置的高75%～80%。

對于目前通常不采用VVT的柴油機，這種方案也不適用。利用皮帶驅(qū)動燃油泵，可能需要采用幾個額外的惰輪，但是可以省掉1個替代傳動裝置。對于采用干式皮帶傳動系統(tǒng)的燃油泵來說，不需要在燃油泵上采用雙流體密封措施來防止燃油滲入機油。

雙偏心機械式皮帶張緊器的成本要比無棘輪機構(gòu)的標準液壓鏈張緊器的成本高約10%～20%，另一方面，前者無需在機體上鉆機油供油通道。

6.6 正時傳動系統(tǒng)決策矩陣

前面章節(jié)中討論的數(shù)據(jù)是許多不同數(shù)據(jù)源的綜合數(shù)據(jù)，也是過去10年大量發(fā)動機開發(fā)項目中涉及的經(jīng)驗。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，研發(fā)人員試圖對套筒鏈、倒齒鏈、干式皮帶和濕式皮帶這4種主要的乘用車發(fā)動機正時傳動方案確定1個定性的相對等級。它們的相對等級如圖18所示。

圖18 4種主要正時傳動技術(shù)的相對等級

根據(jù)發(fā)動機的目標用途(原設(shè)備制造商、市場、車型以及質(zhì)量等)，對各項特性賦以不同的權(quán)重。將等級類別與特性權(quán)重組合排列成1個矩陣，它就能提供1種系統(tǒng)方法，以便在這些不同的技術(shù)中決定1種方案。

7 總結(jié)

正時傳動系統(tǒng)是發(fā)動機的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，其結(jié)構(gòu)布置是任何新發(fā)動機設(shè)計中的1個重要部分。有各種有用的技術(shù)可以被采用，而對于乘車用，通常選擇鏈傳動或皮帶傳動。

未來發(fā)動機的開發(fā)將重點關(guān)注CO2減排，以及在發(fā)動機整個運行范圍內(nèi)擴展排放相關(guān)的運轉(zhuǎn)工況。這些開發(fā)會使正時傳動系統(tǒng)的動態(tài)負荷增大，同時還要求正時系統(tǒng)能達到更加連續(xù)一致的正時精度。對全球發(fā)動機產(chǎn)品來說，環(huán)境對正時傳動零部件的影響范圍正在擴大。

這幾種相互競爭的正時傳動系統(tǒng)的性能極為相似，所有供應商持續(xù)的技術(shù)開發(fā)表明，必須不斷地對性能規(guī)格進行嚴格的修訂?；诂F(xiàn)有的數(shù)據(jù)資料，不可能選出1種所有特性都比較好的適用于每種發(fā)動機的“最佳技術(shù)”。

以下幾個關(guān)鍵觀點是從發(fā)動機設(shè)計師的視角出發(fā)對目前正時傳動的技術(shù)狀態(tài)作出的總結(jié)：

(1) 當車輛安裝要求發(fā)動機絕對長度最小時，鏈傳動優(yōu)于皮帶傳動；

(2) 在空間允許的情況下，皮帶傳動能任選1種適配的寬度來適應承受的負荷，而這是鏈傳動方案較難做到的；

(3) 濕式(鏈條或皮帶)傳動是采用液壓VVT發(fā)動機的1種成本較低的解決方案，在未來將會成為大多數(shù)汽油機采用的正時傳動系統(tǒng)，并有可能應用于一部分柴油機；

(4) 濕式皮帶是1種頗具前景的技術(shù)，用現(xiàn)有發(fā)動機不斷進行積極的現(xiàn)場試驗是1項先進技術(shù)獲得更寬廣市場接受度的先決條件；

(5) 皮帶傳動在達到壽命期限時仍具有較高的正時精度，為應對未來的排放和燃油耗目標，這種技術(shù)的重要程度可能會提高；

(6) 來自噴油泵的負荷對于皮帶或鏈條的耐久性至關(guān)重要，提高噴油壓力意味著多種正時傳動系統(tǒng)憑當前的技術(shù)已經(jīng)接近負荷的極限；

(7) 無論選擇何種正時傳動系統(tǒng)，為了使NVH、摩擦和動態(tài)特性獲得最佳的結(jié)果，都需要1種遵循設(shè)計規(guī)范和優(yōu)化流程的仔細結(jié)構(gòu)設(shè)計；

(8) 結(jié)構(gòu)和動力學特性是耐久設(shè)計的基礎(chǔ)，但需要在所有可應用的環(huán)境條件下對它進行試驗。

預期皮帶傳動和鏈傳動之間的激烈競爭在未來還會持續(xù)。

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2016-03-22)