APC2008-37 双顶置凸轮轴正时链传动系统的研究与设计

当前车用发动机的正时传动以链传动和皮带 传动最为常见。相比于皮带传动，链条传动可以做 到与发动机同寿命，终身免维护；更适合于凸轮轴 中心到曲轴中心距离较大的发动机；具有传动精 确、效率高、可以传递较大功率等优点[1]。现代发 动机为了追求更高的升功率、升扭矩等特性，常常 设计成四气门或更多，以提高发动机的进气量，提 高发动机的动力输出。这时，采用双顶置凸轮轴结 构可以使配气机构结构简化，减少摩擦功，提高机 构的可靠性。本文即是基于双顶置凸轮轴正时链传 动的一项设计研究，将其应用于本单位的某款发动 机上，并进行了试验验证。
为了验证系统设计的可靠性，需要进行发动机 台架试验进行验证。链系统试验主要检查导轨耐磨 片的磨损量，链条自由段的跳动振幅，张紧器的匹 配是否合适等。台架试验时综合考虑发动机的启 动、急加速、急减速、热怠速等各种工况，在不同 工况下记录链条振动幅度，内部张紧力，张紧器内 部活塞的位移量，张紧器内机油压力等数据。考虑 到发动机运行一段时间后链条会伸长。因此试验检 验时更换一次链条，该链条是伸长后的状态，然后 再重复新链条的试验内容。
链传动在工作过程中，链条和从动轮都是在做 周期性的变速运动，造成了和从动链轮相连的零件 也产生周期性的速度变化，从而引起了动载荷。如 通过链条驱动凸轮轴，由于凸轮轴要驱动气门机构 周期性地开启与关闭，其驱动气门机构的负载通过 链轮传递到链条上，使链条的动载荷增加。链速 v 的周期性变化产生的加速度也周期性变化从而产
为：
v = z1n1 p = z2n2 p （m/s） 60 ×1000 60 ×1000
式中： z1 、 z2 为主、从动轮齿数
n1 、 n2 分别为主、从动轮转速（r/min） p 为链条节距(mm) 链传动的平均传动比 i ≈ z2 / z1
设主动论的角速度为ω1 ，链轮节圆半径为 R1 ，则
链条节距 p 越大， z 值越小，会使得 β、γ 越大，
从而传动不均匀性越大。另外，发动机一个循环的 吸气、压缩、做功、排气四个行程，活塞运动速度 不均匀，致使从曲轴传递到凸轮轴有一个延迟的过 程也是导致瞬时传动比不均匀的一个重要原因。瞬 时传动比不均匀性越大，使得链条在运动过程中不 稳定性增加，外部的表现就是噪声增加。
本单位某款汽油发动机采用了双顶置凸轮轴 正时链传动的设计方案。正时系统布局如图 2 所 示。为了验证设计的可靠性，对该系统进行了试验 测试。测试结果如下：
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尹子明等：双顶置凸轮轴正时链传动系统的研究与设计
图 3 新链条及磨损伸长后链条的紧边和松边的张紧力
图 4 凸轮链轮之间自由段链条的平均跳动量
链轮销轴轴心的圆周速度为
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尹子明等：双顶置凸轮轴正时链传动系统的研究与设计
v1 = R1ω1
为了便于分析，设链在转动时，主动边始终处
于水平位置，v1 可以分解为水平前进分速度 v 和上 下垂直的 v' 。其值分别为：
v = v1 cos β = R1ω1 cos β
图 1 链条的受力分析
由图 1 可知，链条的每一链节在主动论上对应
中心角为ϕ1 （ϕ1 =360°/ z1 ）,则 β 角的变化范围
为（-ϕ1 / 2 ~ϕ1 / 2 ）。显然，当 β = ± ϕ1 / 2 时，链
速最小， vmin = R1ω1 cos(ϕ1 / 2) ；当 β =0 时，链
速最大，vmax = R1ω1 。所以，主动轮在作等速回转 时，链条前进的瞬时速度 v 是周期性的有小变大，
性与新链条相比变化不大，都满足设计要求，设计 方案可行。
参考文献 [1] Stefan Belmer, Thomas Fink, Ingolf Lorenz, Heiko Neukierchner. Timing Drives for Internal Combustion Engine. MTZ worldwide 6/2005 Volume 66 [2] 最新链传动标准应用手册 （第二版）中国标准出版社 2006
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生周期性的作用力在链轮上；由于链条铰链做直线 运动而链轮作圆周运动，两者之间相对速度造成啮 合冲击和动载荷。以上分析的几种主要原因，造成 链传动不平稳现象、冲击和动载荷，这是链传动的 固有特性，称为链传动的多边形效应。
system; the design method of the double overhead cam (DOHC) engine applied the timing chain drive was presented. And the test result was given to evaluate the DOHC engine with timing chain drive. Key words: timing chain drive DOHC
时，其运动最大速率可达十几米每秒，因此链条与 链轮之间需要足够的润滑以减小链条、链轮、导轨 等之间的磨损。通常在链条啮入曲轴链轮处设置喷 油嘴向链条供油来润滑系统。
2 传动链条的运动特性[2]
由于链条绕在链轮上，链节与相应的齿轮啮合 后这一段链条曲折成正多边形的一部分。其边长等
于链条节距 p ，边数等于链轮齿数 z 。链轮每转一 转，随之转过的链长为 zp ，故链条的平均转速 v
1 双顶置凸轮轴正时链传动系统的结构特 点
双顶置凸轮轴正时链传动系统，主要包括链 条、链轮、导轨和张紧器等相关零部件。其中链条 结构与链轮齿形等都已经标准化、系列化，链轮齿 形、链条结构的参数在标准手册里都有明确的规 定。在传动链的紧边和松边分别布置固定导轨和活 动导轨，以引导链条运动；活动导轨通过张紧器的 张紧作用使得整个链条具有一定的初始预紧力，并 保证链条在运动过程中不会跳齿，不会因链条松动 产生很大的噪声等。由于链条在发动机最高转速
4 链传动系统匹配测试及测试结果
图 2 某顶置双凸轮轴的布置方案 1，曲轴链轮 2，链条 3，活动导轨 4，张紧器 5，
进气链轮 6，排气链轮 7，固定导轨
理论上，链条进入（退出）链轮时，是在链轮 与链条的切点处，称为入链点（出链点）；同样地， 链条与导轨也有入点和出点。如图 2 是一个典型的 三轴链传动布置简图。链条在空间无支撑的部分称
3 某双顶置凸轮轴正时链传动系统的布置 设计
对于双顶置凸轮轴发动机，其两个凸轮轴中 心、曲轴中心在发动机设计阶段已经确定。设计者 根据已经确定的三个中心进行初步设计，主要考虑 导轨的结构形状，张紧器的位置以及整个链系统周 围的边界条件等；链条选择通用的标准件，链条的 节距一般有 9.525mm 和 8mm 两种规格，根据选定 的链条确定链轮的齿形结构等。
为自由段。图 2 中的链条自由段有两个凸轮轴链轮 上端的部分，以及链条自链轮出（入）链点到导轨 入（出）点之间的部分。自由段长度应符合一定的 设计准则，一般以不超过 3-4 个链节为宜。固定导 轨引导链条在凸轮轴链轮和曲轴链轮之间运动，其 位置以及导板曲率应保证入点和出点是链条与导 轨在该点的切点。活动导轨的设计和布置同样要考 虑这个问题。由于链条在运行一段时间后会增长， 为了确保气门正时最大变化在所要求的范围内，一 般设计准则要求此最大伸长量不超过链条总长度 的 0.7%，较严格的要求有不超过 0.5%的。链条伸 长后，在张紧器的作用下，活动导轨与链条接触长 度增加。活动导轨与链条的接触面曲线形状一般有 三段弧线组成，在离导轨下端的固定点最远一段圆 弧保证在链条伸长后，仍保持链条出链点与导轨是 相切的。自动张紧器的作用是使链条在静止和运动 时链条内部有一定的张紧力，同时张紧器活塞伸出 后有防回行装置，能有效地防止链条松动，防止链 条在运行过程中跳齿。固定导轨一般是有耐磨片和 钢固定支架组成，活动导轨考虑到在链条在运行过 程中绕其一端的固定轴不停地转动，一般采用含有 玻纤的塑料材料。
再由大变小。每转过一个链节就变化一次。与此同
时，v' 的大小也在周期性的变化，使链节以减速上
升，然后再加速下降。
设从动轮角速度为ω2 ，圆周速度为 v2 ，由图 1 可
知，
随着 β 角和 γ 角的不断变化，链传动的瞬时传
动比也是不断变化的。当主动链轮以等角速度转动 时，从动链轮的角速度将周期性地不断变化。这是 链传动内因导致的转动不均匀性。同时可以知道，
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中国内燃机学会第八届学术年会论文集
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APC2008－037
双顶置凸轮轴正时链传动系统的研究与设计
尹子明，古春山，李加旺
(奇瑞汽车股份有限公司，芜湖 241000) 摘要：介绍了正时链传动系统的系统结构、运动特性；双顶置凸轮轴正时链传动系统的设计方法，并对某款采用
双顶置凸轮轴正时设计的发动机进行了链系统的试验测试，通过试验结果对正时链传动系统进行了评价。 关键词： 正时 链传动 双顶置凸轮轴
v' = v1 sin β = R1ω1 sin β
式中： β 为销轴轴心处圆周速度与水平线的夹角。
v2
=
v cosγ
= v1 cos β cosγ
= R2ω 2
γ 为 v2 与水平速度的夹角。
又因，
v1
=
R1ω1
，且
R1ω 1cos cosγ
β
= R2ω2 ，所以瞬
时传动比：
i ≈ ω1 = R2 cosγ ω2 R1 cos β
Research & Designing on Timing Chain Drive System of DOHC
Yin Ziming，Gu Chunshan，Li Jiawang
(Chery Automobile Co.,LTD 百度文库uHu 241000)
Abstract: This paper introduced the system structure of the timing chain drive and the motion property of the chain
图 5 张紧器活塞位移量
5 结论
（1）链条紧边最大张紧力比松边大，链条磨 损伸长后，松边和紧边的最大张力都有所降低。
（2）由于链条内部最小张力约为 200N，链条 始终处于张紧状态，新链条与伸长后的链条在凸轮 轴链轮之间的自由段部分跳动量变化不大。
（3）链条磨损伸长后，张紧器活塞位移量增 加。
（4）试验结果表明，链条伸长后，其运动特