汽车发动机正时链条套筒开裂仿真分析研究

张国勇，任小鸿，张加洪，高朝祥

（1.四川化工职业技术学院，四川泸州 646099； 2.重庆小康工业集团股份有限公司，重庆 400033）

0 前言

发动机正时链条是发动机内部从曲轴到凸轮轴的传动链，主要作用是驱动发动机的配气机构，使发动机进、排气门在适当的时候开启或关闭，以保证发动机汽缸能够正常地吸气和排气。在闭式油池润滑条件下工作，发动机正时链条转速可达7000 r/min。发动机正时链条在高速多冲、大载荷以及交变速度与交变载荷的共同作用下，容易出现正时链条套筒开裂的现象。通过Excite-TD软件对正时链条进行了动画仿真分析、链条节点位移分析、节点与节点的连接力曲线分析、节点与各部件的接触力分析以及滑板导轨进行了受力分析，找到了正时链条套筒开裂的主要原因，并提出了改进措施。

1 原因分析

1.1 建立配气机构建立仿真模型

配气机构仿真模型有正时系统、进气侧阀系和排气侧阀系等3部分组成（图1），由于进排气阀系建模比较简单，本文简述正时系统建模过程，建模过程可按10步进行：①建立参考坐标系和当地坐标系，定义各零件的位置、自由度、质量数据等；②定义链、链轮、链条滑板导轨和固定导轨等的轮廓向量；③将轮廓向量赋予链、链轮及其固定导板和链条滑板导轨；④引入链宏单元；⑤连接与链相关的单元；⑥定义宏单元相关参数；⑦施加驱动和连接外载；⑧运行Tangent-Model-Editor，并检查相关数据是否正确；⑨设置Simulation和Result Control参数，进行模拟计算；⑩分析结果，修正模型，重新计算。图2为正时系统三维模型和仿真模型。参数设定以后，须经过切向编辑器进行张紧，张紧后的状态以及链条节点的位置如图3所示。

1.2 仿真参数设置

改进前的数据为链条滑板导轨轮廓尺寸（表1）和链条的预紧力（540 N）。

1.3 改进前仿真结果及分析

通过链条传动动画仿真分析可知，改进前的链条与链条滑板导轨接合不好（图4）。改进前的链条节点位移分析，分别选取1，31，61，91和121为研究对象。从图5中可以看出，改进前的链条传动比较好，没有产生抖动现象。

表1 改进前链条滑板导轨轮廓尺寸

图1 配气机构仿真模型

图2 正时系统三维模型和仿真模型

图3 正时链条传动自动张紧后模型

图4 改进前的链条传动动画

图5 改进前的链条节点位移

图6 改进前节点1与节点2的连接力曲线

图7 改进前节点1与各部件的接触力曲线

通过改进前的节点1与节点2的连接力曲线分析，可以看出改进前节点1与节点2的连接力在875 N左右波动（图6）。从改进前的节点1与各部件的接触力曲线可以看出，节点1与排气链轮、进气链轮、固定导板、曲轴链轮、滑动导轨在啮合点以及分离点附近的接触力较大，其中与固定导板在啮合点以及分离点附近的接触力最大值达到500N左右（图 7）。由此可以看出链条滑板导轨轮廓尺寸设计不合理，造成了链节与各部件的接触应力过大，这也是正时链条套筒开裂的主要原因。

2 改进措施

通过改进前链条传动动画分析及节点与节点、节点与各部件的受力分析得出了正时链条套筒开裂的主要原因是由于链条滑板导轨轮廓尺寸设计不合理造成的，因此需要重新调整链条滑板导轨轮廓尺寸和链条的预紧力。将表1中链条滑板导轨中段半径由358 mm改为368 mm，链条预紧力改为400 N后重新做动画分析和受力分析。

改进后，再次通过链条传动在7000 r/min的动画分析可以看出链条与链条滑板导轨的接合情况有了很大的改善，受力均匀，符合要求（图8）。改进后链条传动在7000 r/min时链条节点位移分析，也分别选取1，31，61，91和121为研究对象。从图9中可以看出，与改进前变化不明显，链条传动都比较好，并未产生抖动现象。

改进后的节点1与节点2的连接力曲线分析，可以看出改进前节点1与节点2的连接力在500 N左右波动，比改进前减少了375 N，减幅达42.9%（图10）。从改进后的节点1与各部件的接触力曲线可以看出，节点1与排气链轮、进气链轮、固定导板、曲轴链轮、滑动导轨在啮合点以及分离点附近的接触力均小于改进前，特别是与固定导板在啮合点以及分离点附近的接触力为320N左右，比改进前降低了180N，降幅达36%，如图11所示。

图8 7000 r/min的链条传动动画

图9 7000 r/min的链条节点位移

对改进后的滑板导轨进行了受力分析（图 12），从中可看到，只是在开始调整的时候滑板导轨受力较大，随着传动的进行，力的波动很小；同时可看出，改进后的滑板导轨受力比改进前的小，优于改进前。

对改进后的滑板导轨重新进行了生产，在交变负荷下做了链条和齿轮的啮合实验。在链轮齿上涂抹一层颜料，用链条与其搭配转动300～500 h，观察其啮合斑点和链条套筒的破裂情况（图13）。从图中可以看出，链条与进、排气凸轮轴链轮与曲轴链轮的磨损均匀，其啮合情况得到了很大的改善，链条套筒并没有出现破裂现象，满足了设计要求。

图10 改进后节点1与节点2的连接力曲线

图11 改进后节点1与各部件的接触力曲线

3 结束语

本文通过Excite-TD建立正时系统模型，并进行仿真分析，找到了正时链条套筒开裂的真正原因，并对链条滑板导轨轮廓进行了优化。结果表明，改进后的链条传动在受力方面得到了很好的改善，解决了正时链条套筒开裂问题。调整后的配气机构经检测，各项指标均符合设计要求。

图12 改进前后的滑板导轨受力曲线

图13 改进后链条与各链轮的啮合情况

［1］缪小东，陈笃红，王忠，等.发动机高速正时链失效机理分析［J］.农机化研究，2004（5）:254－257．

［2］李宝林，孟繁忠，李延春，等.汽车发动机正时链系统失效分析［J］.润滑与密封，2006（2）:52－54．

［3］尹德兵，翁建良，钱江，等.发动机正时链系统设计方法［J］.机械传动，2016（11）:40－43．

［4］周飞，李志威，田俊鹏，等.发动机正时链传动系统设计［J］.农业装备与车辆工程，2015，53（10）:55－59．

［5］李民，陈烨龙，周阳春，等.柴油机链传动系统仿真与试验验证［J］.噪声与振动控制，2016，36（5）:26－30．

［6］李磊.发动机正时链系统设计分析及其高速特性试验研究［D］.长春：吉林大学，2015．

［7］董成国.汽车正时齿形链系统设计方法与仿真分析及试验研究［D］.长春：吉林大学，2010．

［8］邢磊.新编汽车正时校对速查手册［M］.北京：机械工业出版社，2014．

［9］陈新宇.发动机正时链系统动力学仿真分析［D］.上海：上海交通大学，2014．