减少链传动机构靡擦的可能性

【德】 Fink T Bodenstein H

1 基本原理

首先，要确定链传动机构内部产生摩擦的准确位置，以及这些摩擦组成部分占总摩擦的比例。计算和试验结果表明，大部分摩擦发生在传动链与链轨的接触点，以及传动链铰链本身内部，只有一小部分来自于传动链与链轮齿的啮合。链传动的摩擦损失可分为静态的和动态的2种，摩擦份额的典型分布如图1所示。链传动的基本设计、采用的传动链类型、链轨上摩擦衬片使用的材料，以及链传动的润滑是影响静摩擦损失的主要因素。曲柄连杆机构和配气机构的激励、张紧链轮阻尼、链传动组件的质量比和刚性比，以及喷油泵的相位角和链轮的宏观几何结构主要影响摩擦损失的动态份额。

2 传动链内部的靡擦

除传动链类型和尺寸规格外，传动链铰链内部的摩擦还受到摩擦环境（齿形链的销轴链板、滚子链或套筒链的定位销轴套、使用的润滑剂）的广泛影响。图2给出了3种传动链设计结构（套筒链、滚子链和齿形链）中传动链铰链几何结构在原理方面的差异。清晰可见，齿形链存在系统性的缺陷，即在同等设计宽度的情况下，与其他传动链设计结构相比，其涉及磨损的铰链接合面小了约35%～40%。根据样带法，对用电动机传动发动机的研究表明，套筒链具有明显的摩擦优势，而齿形链的摩擦扭矩要高约30%（图2）。这思味着滚子链在低噪声的齿形链和耐摩擦磨损的套筒链两者之间获得了良好的折衷。不过，在这些研究中，必须确保在使用各种不同的、传动链类型时，链线（即传动链在正时传动内运行，包括张紧元件和导向元件使用的半径）都保持不变。链轨几何结构的偏差会直接影响传动链和导向件之间的法向力，显然，又会影响到摩擦力，假定摩擦系数保持不变。

根据最佳摩擦链型式的定义，试图通过改变销轴上的涂覆层达到进一步减摩的目的。经过Iwis发动机系统公司不失时机地研发，目前，已在批量生产中可运用一种创新的IC＋技术。与标准工艺（IC技术）相比，新技术可使摩擦扭矩降低10%～20%。这2种技术是建立在马氏体销轴上涂覆10～20μm 碳化铬涂层的基础上的。IC＋技术代表了镀铬工艺的优化提高，优化了与摩擦和磨损有关的参数（图3）。

如果将IC＋技术与传动链链板精密冲裁工艺相结合，由此取代市场上惯用的切削-修整工艺，那么，V 型发动机在2 000 r/min时可使摩擦功率损失减少约55 W，在5 000 r/min时可使摩擦功率损失减少约145 W。显然，Iwis发动机系统公司将对链销轴进行深人研究，以增大其在这一领域的优势，同时大幅提高传动链的耐磨损能力，特别是在发动机苛刻的润滑环境下的耐磨损能力。

3 正时链与链轨之间的靡擦

链传动机构的第2个主要摩擦部位是在正时链与导向件（张紧链轨和链导轨）之间的接触点。针对导向件的接触面结构设计，选用一种低成本的聚酰胺（PA66或PA46）作为导向件的接触面材料，并采用注塑成型工艺能获得优异的表面品质。各供应商都计划使用各种不同的、具有提高减摩潜能的化合物。Iwis发动机系统公司的任务是要测定各种材料组合的性能，并得出这些被测材料组合之间的摩擦差异。为此专门拟定了试验程序，并对运用注塑成型技术制出的组件进行检测。这里，特别关注润滑条件、机油温度和引人传动链的作用力。研究表明，选择适当的材料可使传动链与链轨之间接触点的摩擦减少10%（图4）。

当前的研究项目旨在通过创建理想的表面构造（凹槽、环槽、扇形体等）进一步挖掘其减摩潜力，而进一步优化链轨表面构造是这一研究项目的1个组成部分。该公司与1家研究所合作开发了一种塑料化合物，这种化合物专门考虑到了链传动用途及内燃机的内在条件。这2项研究的结果将在规定时间内以独立报告形式发布。然而，初步研究结果表明，由此能获得进一步显著改善。

4 为减靡所采取的构造措施

设计师通过优化链线形状能使链传动减摩获得良好的效果。避免弯曲张紧和链导轨过紧，可减小传动链作用在链轨上的法向力，基于设计构造的原因，随之产生的摩擦力也减小。链传动机构采用高度弯曲、安装空间限制的、已投人量产的链导轨（图5），由此形成了最佳的结构设计，并对其进行了模拟评价。研究表明：如果同时也对传动链张紧轮和张紧系统机油供给进行调整，那么，这一措施能使摩擦损失减少70%。图6显示，这效应主要归功于对链导轨几何结构的优化，由此，进一步挖掘出了传动链张紧轮优化的潜力。

2008年10月公布了关于齿形皮带传动与链传动的系统性对比结果，齿形皮带传动具有降低二氧化碳（CO2）排放的优势，但并未做出具体结论，而仅将最佳齿形皮带传动布置方式与折衷的链传动布置方式进行了对比。然而，将优化的链传动与最佳的齿形皮带传动进行比较，并未得出先前做出的肯定结论，反而验证了链传动的摩擦优势。德国IAV 有限公司针对理论上的减摩潜力进行了试验验证，阐述了优化链导轨结构对减小摩擦的作用。当机油温度为90℃时，矫直链导轨可使整个发动机转速范围内的摩擦扭矩降低0.25 N·m。

因此，在发动机结构设计和确定主要尺寸时，就其对链传动摩擦的影响进行了检验，以尽早发现问题，优化其结构。

5 结语

近年来，Iwis发动机系统公司对链传动机构的所有组件，以及基本的设计理念进行了持续不断的改进。通过为传动链和导向件选择适当的材料和制造方法，以及对链传动机构进行改进，摩擦损失功率可减少500～1 000 W，从而使CO2的减排量达到约2 g/km。在这一背景下，发动机设计师们进行了广泛交流，Iwis发动机系统公司被视作链传动的开发伙伴，这两者至关重要。

对塑料进行材料分析及优化导向件的结构，可挖掘出更多的减摩潜力。此外，在链销轴上施加涂层，使其具有耐摩擦和抗磨损的能力。