余偉，余彪，曹江懷

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某發(fā)動(dòng)機(jī)配氣正時(shí)系統(tǒng)問(wèn)題解決

余偉，余彪，曹江懷

（奇瑞汽車(chē)股份有限公司動(dòng)力總成技術(shù)中心性能分析部，安徽 蕪湖 241009）

通過(guò)AVL EXCITE Timing Drive對(duì)某三缸機(jī)進(jìn)行配氣正時(shí)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析，得到該發(fā)動(dòng)機(jī)在各不同轉(zhuǎn)速下配氣系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)結(jié)果等，柴油機(jī)后端通過(guò)一凸輪軸齒輪驅(qū)動(dòng)一驅(qū)動(dòng)扭矩高達(dá)80牛的高壓油，通過(guò)對(duì)配氣和正時(shí)系統(tǒng)的仿真，油泵的扭矩對(duì)正時(shí)系統(tǒng)造成極大影響，并試驗(yàn)中曾出現(xiàn)正時(shí)鏈條斷裂等事故。本次分析將對(duì)正時(shí)鏈條斷裂給出合理解釋并提供解決方案。

配氣機(jī)構(gòu)；正時(shí)系統(tǒng)；油泵

前言

配氣正時(shí)系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳遞中起著非常重要的作用，普通柴油機(jī)或者汽油機(jī)凸輪軸后端通過(guò)齒輪驅(qū)動(dòng)高壓油泵，最大扭矩值20N.m-30N.m左右，發(fā)動(dòng)機(jī)后端驅(qū)動(dòng)高壓油泵扭矩高達(dá)*(此處省去)N.m，傳遞到前端直接導(dǎo)致正時(shí)鏈條斷裂，通過(guò)仿真分析，重新匹配油泵的安裝相位，降低高壓油泵扭矩對(duì)配氣以及凸輪軸扭矩的影響，優(yōu)化正時(shí)鏈解決此問(wèn)題。

1 解決問(wèn)題思路

本文解決思路如下：

（1）配氣系統(tǒng)及正時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹；

（2）根據(jù)數(shù)模搭建Exicite-td模型；

（3）配氣系統(tǒng)新老方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比；

（4）正時(shí)鏈系統(tǒng)新老方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比。

1.1 配氣系統(tǒng)及鏈驅(qū)動(dòng)正時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

本發(fā)動(dòng)機(jī)是由曲軸驅(qū)動(dòng)正時(shí)鏈輪，正時(shí)鏈輪驅(qū)動(dòng)排氣凸輪軸，排氣凸輪軸通過(guò)壓裝在凸輪軸前端的一對(duì)正時(shí)齒輪驅(qū)動(dòng)進(jìn)氣凸輪軸，進(jìn)氣凸輪軸后端驅(qū)動(dòng)高壓油泵。

正時(shí)系統(tǒng)由曲軸正時(shí)鏈輪和凸輪軸正時(shí)鏈輪、正時(shí)鏈、定軌、動(dòng)軌、張緊器構(gòu)成；配氣系統(tǒng)由進(jìn)、排氣凸輪軸、進(jìn)、排氣凸輪軸正時(shí)齒輪、和驅(qū)動(dòng)油泵齒輪、油泵齒輪構(gòu)成。

1.2 配氣正時(shí)系統(tǒng)ETD模型的建立

配氣系統(tǒng)凸輪軸、凸輪軸齒輪、氣門(mén)，彈簧，搖臂、挺住等零部件均采用AVL EXCITE Timing Drive仿真軟件里面的專(zhuān)用單元模擬，正時(shí)系統(tǒng)凸輪軸正時(shí)鏈輪、曲軸正時(shí)鏈輪、液壓張緊器等采用通用單元模擬，正時(shí)鏈條采用鏈宏單元模擬。分別將配氣系統(tǒng)和正時(shí)系統(tǒng)模型搭建好后，將兩個(gè)系統(tǒng)裝配在一起即可，此處務(wù)必要注意各旋轉(zhuǎn)單元的旋轉(zhuǎn)方向，和坐標(biāo)，否則運(yùn)行出錯(cuò)。

此模型搭建在進(jìn)氣凸輪軸后端有一個(gè)反向扭矩，扭矩值高達(dá)*(此處省去)N，因此必須輸入油泵扭矩值。如此高的油泵扭矩（此扭矩是一般發(fā)動(dòng)機(jī)油泵扭矩3倍），對(duì)配氣和正時(shí)系統(tǒng)均有巨大的影響，若正好油泵扭矩與配氣正時(shí)系統(tǒng)扭矩波峰或者波谷疊加，引起共振，勢(shì)必導(dǎo)致最終輸出扭矩達(dá)到峰值，因此，如何降低油泵扭矩對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，是解決試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)鏈條斷裂問(wèn)題的關(guān)鍵。

計(jì)算中必須通過(guò)平移扭矩相位，得到符合動(dòng)力學(xué)計(jì)算要求的最佳角度，并轉(zhuǎn)化為燃油泵最終安裝角度（簡(jiǎn)稱(chēng)油泵相位角）。

1.3 配氣系統(tǒng)主要零部件分析結(jié)果

1.3.1 凸輪表面接觸應(yīng)力

圖1 進(jìn)氣凸輪表面接觸應(yīng)力對(duì)比

圖2 排氣凸輪表面接觸應(yīng)力對(duì)比

圖1、圖2分別為凸輪與從動(dòng)件表面接觸應(yīng)力值大小對(duì)比（取第一缸），可以看到，4000rpm時(shí)，進(jìn)氣凸輪與搖臂滾子接觸應(yīng)力低于700MPa，排氣凸輪與搖臂滾子接觸應(yīng)力約800MPa，均低于凸輪材料的許用設(shè)計(jì)值。但由于進(jìn)氣凸輪軸直接驅(qū)動(dòng)油泵，高達(dá)80N的油泵扭矩力作用在進(jìn)氣凸輪軸上，使得凸輪軸的工作受到較大影響，因此原始油泵相位角在凸輪軸非基圓處出現(xiàn)短暫接觸零點(diǎn)（紅色線框部分所示），這是配氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不允許出現(xiàn)的，而改進(jìn)后的方案表現(xiàn)正常。

1.3.2 凸輪軸前端扭矩

圖3 兩方案進(jìn)氣凸輪軸前端扭矩

油泵扭矩對(duì)凸輪軸前端扭矩值造成很大的影響，老的方案中，進(jìn)氣凸輪軸前端扭矩峰值高達(dá)158N，排氣高達(dá)180N（除去毛刺），優(yōu)化方案中，進(jìn)氣凸輪軸前端扭矩最大值133N，排氣凸輪軸前端扭矩最大值141N，且扭矩平均值也有所降低。

圖4 兩方案排氣凸輪軸前端扭矩

1.4 正時(shí)鏈系統(tǒng)主要零部件分析結(jié)果

1.4.1 正時(shí)鏈條內(nèi)力

圖5 兩方案正時(shí)鏈條內(nèi)力

在配氣正時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，正時(shí)鏈條的內(nèi)力取決于很多因素，其中重要的影響因素有：正時(shí)系統(tǒng)布置、凸輪軸輸出扭矩、潤(rùn)滑、正時(shí)系統(tǒng)各零部件之間沖擊等等。此項(xiàng)目初期發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)多次鏈條斷裂，為將改動(dòng)最小，此處僅對(duì)油泵安裝相位進(jìn)行更改，計(jì)算得到最小凸輪軸扭矩值，因而得到最小的鏈內(nèi)力。原始方案與優(yōu)化油泵安裝角度后的新方案：正時(shí)鏈條內(nèi)力由原來(lái)的4388.07N降低到2887.73N.正時(shí)鏈條內(nèi)力降低較多，按照計(jì)算結(jié)果確定的最佳相位裝機(jī)，正時(shí)鏈條未出現(xiàn)斷裂，可見(jiàn)本次計(jì)算結(jié)果對(duì)項(xiàng)目的推進(jìn)起到非常重大的作用。

2 結(jié)論

本文通過(guò)運(yùn)用AVL軟件多相位角對(duì)比計(jì)算，反復(fù)調(diào)整燃油泵安裝相位，得到最小凸輪軸輸出扭矩，并最終得到最小鏈內(nèi)力，將燃油泵對(duì)配氣和正時(shí)系統(tǒng)造成的影響降低到最小。同時(shí)再結(jié)合對(duì)配氣系統(tǒng)、正時(shí)系統(tǒng)各重要參數(shù)綜合評(píng)價(jià)，最終選取最優(yōu)相位角。

正時(shí)鏈條斷裂、張緊器失效等正時(shí)、配氣系統(tǒng)試驗(yàn)問(wèn)題很復(fù)雜，由于目前如此高扭矩燃油泵用于發(fā)動(dòng)機(jī)尚且少，本文主要是介紹一種思路，分析軟件一定程度上可以對(duì)項(xiàng)目起到預(yù)警并規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的作用，但并不能完全表達(dá)實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況，若要將系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)優(yōu)化到最佳，還需根據(jù)試驗(yàn)，將正時(shí)系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)的布置、零部件各項(xiàng)參數(shù)等都優(yōu)化到最佳狀態(tài)，這樣才能有效、長(zhǎng)期規(guī)避后期出現(xiàn)的各種風(fēng)險(xiǎn)。

[1] AVL INC.Exicite timing drive user guide.

Problem solving of timing system for a certain engine

Yu Wei, Yu Biao, Cao Jianghuai

( Performance Analysis Department of Powertrain Technology Center, Qirui Automobile Co., Ltd., Anhui Wuhu 241009 )

The dynamic analysis of the gas timing system of a three-cylinder engine was carried out by AVL EXCITE Timing Drive, and the dynamic results of the gas distribution system at different speeds were obtained. The rear end of the diesel engine drives a high-pressure oil with a driving torque of up to 80 cattle through a camshaft gear. Through the simulation of the gas distribution and timing system, the torque of the oil pump has a great impact on the timing system. In the test, there have been accidents such as the break of the timing chain. This analysis will provide a reasonable explanation and a solution to the fault of the timing chain.

Gas distribution mechanism; Timing system; oil pump

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1671-7988(2018)22-152-02

U463.5

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1671-7988(2018)22-152-02

U463.5

余偉，就職于奇瑞汽車(chē)股份有限公司動(dòng)力總成技術(shù)中心性能分析部。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.054