汽车发动机正时系统失效分析与设计优化

张 莹 鲁志远 赵乃博 袁 爽

（1-宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315336 2-浙江吉利动力总成有限公司）

引言

正时系统连接凸轮轴、配气机构和曲轴，从而在发动机运转时提供连续同步的旋转，链传动系统因其免维护优势在汽车发动机上应用越来越多[1]。正时链传动系统通常是由正时链条、凸轮轴链轮、正时链条导向轨、张紧轨、曲轴链轮、正时链条张紧器等零件组成[2]。其中任何一个部件的异常都可能造成整个系统的失效，导致发动机故障甚至报废。

本文分析一款四缸发动机的正时链传动系统在台架耐久试验过程中由正时链条张紧轨断裂烧熔失效引发的系统可靠性问题，通过对系统进行相关设计优化与验证，有效解决了正时系统潜在风险问题，并对后续设计开发提供了指导思路。

1 背景

该发动机的正时系统布局如图1 所示，在进行台架耐久实验拆机发现，正时链条张紧轨断裂，并有烧熔现象，如图2 所示。

图1 正时系统布局

图2 断裂张紧轨

2 失效分析

2.1 故障件分析

正时链条张紧轨是由PA66 导条和支架构成，通过对支架断口进行分析发现，在与导轨接合面出现了烧熔现象，如图3 所示，因此可以判断支架断裂的主要原因是断裂处出现塑料烧熔导致其强度降低，在受到链条的冲击后弯曲断裂。

图3 支架断口

2.2 原因分析

根据初步的断口分析并结合图4 所示的鱼骨刺分析图，对问题进行剖析，找出潜在失效的可能原因，逐一进行排查。

图4 鱼骨刺分析图

2.2.1 自身设计排查

1）材料无法承受高温而变形受损

导轨与支架的材料均为PA66，材料本身缺点是不耐老化，在高温作用下，分子链易断裂，材料的性能易受到损伤，直接导致材料的使用寿命缩短[3-4]。PA66是一类塑料的总称，实际还细分为多种不同牌号。本次试验件的材料为巴斯夫PA66 A3K，属于低分子材料，一般不适用于摩擦副，且其材料的耐温性能仅为120 ℃。而发动机正时链罩内环境温度很可能会超过该温度值，为进一步确认耐温性，我们对其原材料进行耐温性试验，试验后状态如图5 所示，在130 ℃时出现气泡。由此推断材料耐温性能差，无法承受高温。

图5 PA66 A3K 材料130 ℃耐温试验后状态

2）材料强度不足

如前所述，故障件的导轨材料A3K 属于低分子材料，其强度很低，因此材料选择的时候需要考虑其强度性能。

3）结构设计支撑强度不足

通过统计竞品情况发现，材料同为PA66 的支架，大部分竞品通过使用玻纤或者金属来保证支架的强度，从而保证整体组件的强度。通过CAE 强度分析，结果如图6 所示，在断裂处变形量最大，因此在结构设计上需要优化。

2.2.2 正时张紧器设计排查

正时链条张紧器通过内部液压系统及弹簧机构自动张紧链条，缓冲传动过程中多边型效应，以及凸轮轴、曲轴转动过程中周期性转矩变化带来的高频振动，吸收发动机工作时传动系统中的冲击载荷，保证正时传动的精确，延长链条、链轮的使用寿命和减小传动噪声。正时链条张紧器阻尼力的主要影响参数有：泄油间隙、柱塞弹簧力、单向阀泄漏量、PRV 阀流量（如有）。

为排查正时张紧器阻尼力对系统的影响，采用如表1 所示的两种方案张紧器，进行50 h 全速全负荷试验验证，查看导轨仍然存在烧熔现象。由此排除张紧器导致该问题的产生。

表1 正时张紧器验证方案

2.2.3 正时系统设计排查

1）正时系统布局设计排查

对正时系统进行动态仿真计算，计算链条在某一固定点位置的一个周期内的内力变化情况。首先搭建如图7 所示的链系统动态仿真模型，计算受力点位置是P1～P6 点。链条内力计算结果如图8a～f所示链条最大张力在P1 处为1 339.26 N，满足链条旋转疲劳强度小于2 000 N 的要求；张紧器柱塞最大位移结果如图9 所示，0.42 mm 满足小于1.8 mm 的设计要求[5]。由此排除系统布局不合理的问题。

图7 模型及受力点位置示意图

图8 链条内力计算结果

图9 张紧器柱塞位移

2）正时张紧器选型不匹配排查

为进一步确认系统的受力情况，通常会进行链系统的动态测试，确认实际与理论仿真分析的差异，同时匹配更适合的张紧器。本次试验在选择匹配的张紧器同时也分别对塑料分体式导轨和带钢板的导轨进行测试对比，以便于做导轨结构的选型。

测试条件和测试项目如表2、表3 所示。

表2 测试条件

表3 测试选型张紧器技术状态

整理出各工况下的最大链条受力及张紧器位移进行对比分析，测试数据如图10～图12 所示。从数据上分析可知，实测数据均可满足系统设计要求，但塑料分体导轨的受力大于带钢板结构的导轨，优先选用带钢板结构导轨。

图10 松边链条张力

图11 紧边链条张力

图12 张紧器柱塞位移

从受力及柱塞的位移上分析，1#和3#方案的紧边链条张力值最小，柱塞位移处于居中水平，因此可以将张紧器的方案锁定为柱塞间隙0.03～0.04 mm，泄油槽面积0.04～0.08 mm2。

3 措施设定及验证

根据以上的分析及排查，制定整改措施如下：

1）塑料导轨材料指定选用巴斯夫A4H；

2）导轨由分体式更改为带钢板结构；

3）正时紧链器柱塞间隙调整为0.03～0.04 mm，泄油槽面积0.04～0.08 mm2。

采用整改方案后的正时系统经过多轮的循环耐久、冷热冲击及GED 耐久试验，均未发生任何失效，且系统磨损状况良好，整改方案有效。

4 结论

正时链系统的失效模式有很多种，本文对张紧轨烧熔的失效进行系统分析及排查，并进行相关的仿真分析、测试验证，对系统进行设计优化，有效地解决了失效问题的发生。总结经验如下：

1）导轨的材料选择要考虑应用环境及性能要求，避免选择性能不足的材质。

2）通过测试，对比不同导轨结构对于系统受力的影响，选择最优的结构应用。

3）选择适合的张紧器设计参数，同样能够达到性能最佳。

希望以上的经验对于国内主机厂在正时系统设计优化时可以提供有益的借鉴。