李民1，陳燁龍1，周陽(yáng)春2，杜慧勇1，徐斌1

( 1. 河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院，河南洛陽(yáng)471003；

2. 廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西玉林537005 )

摘要：針對(duì)某型柴油機(jī)正時(shí)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)，利用AVL-Excite 軟件的Timing Drive 模塊建立鏈傳動(dòng)及全閥系的動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算鏈條運(yùn)動(dòng)軌跡、鏈條與鏈輪、鏈條與導(dǎo)板的接觸力、鏈條內(nèi)力及其激勵(lì)頻譜特性以及液壓張緊器工作腔壓力的動(dòng)態(tài)特性，并對(duì)凸輪軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)、液壓張緊器工作腔壓力以及曲軸和凸輪的相位波動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。最后，在半消聲室中利用B&K噪聲測(cè)量系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)前端進(jìn)行聲強(qiáng)探測(cè)與聲壓測(cè)量。臺(tái)架試驗(yàn)表明，怠速倒拖工況與怠速工況下，前端的聲壓級(jí)差異明顯，所設(shè)計(jì)的正時(shí)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)工作正常，滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)與波；正時(shí)鏈傳動(dòng)；液壓張緊器；仿真試驗(yàn)；工作腔壓力；相位波動(dòng)

收稿日期：2016-04-07
基金項(xiàng)目：河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃資助項(xiàng)目(12210221005)
作者簡(jiǎn)介：李民(1969－)，男，河南省洛陽(yáng)市人，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)振動(dòng)噪聲控制技術(shù)及內(nèi)燃機(jī)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。
E-mail: limin@haust.edu.cn
通訊作者：陳燁龍(1990－)，男，河南省三門(mén)峽市人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)振動(dòng)噪聲控制技術(shù)。
E-mail: 459328892@qq.com


Simulation and Test Verification of the Chain Drive System

of a Diesel Engine

LI Min 1, CHEN Ye-long 1, ZHOU Yang-chun 2, DU Hui-yong 1, XU Bin 1

( 1. Vehicel and Transportation Engineering Institute, Henan University of Science and Technology,Luoyang 471003, Henan, China;

2. Guangxi Yuchai Diesel Engine Co. Ltd., Yulin 537005, Guangxi China )

Abstract : The dynamic simulation model including timing chain drive system and valve system of a diesel engine is established by means of AVL-Excite Timing Drive software. The chain motion trajectory, the connection force between the chain and the sprocket, the contact force between the chain and the guide- plate, internal force of the chain, excitation spectrum character and tensioner working room pressure are calculated. The camshaft speed fluctuation, hydraulic tensioner working room pressure and crankshaft phase fluctuation with the camshaft are verified by engine bench test results. At last,the sound intensity and sound pressure at the engine front end are tested by B&K noise measurement system in a semianechoic room. Test result shows that the SPLs at the engine front end in the idle condition and the idle motored condition are quite different. The designed timing chain transmission system can work normally and meet the requirements of design.

Key words : vibration and wave; timing chain transmission; hydraulic tensioner; simulation test; working room pressure; phase fluctuation


配氣機(jī)構(gòu)與正時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能。鏈傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)的最有效方法之一，具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)效率高、高強(qiáng)度及耐磨的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在輕型發(fā)動(dòng)機(jī)和部分中型發(fā)動(dòng)機(jī)的正時(shí)傳動(dòng)和高壓油泵、機(jī)油泵附件傳動(dòng)[1]。鏈傳動(dòng)系統(tǒng)如果設(shè)計(jì)不合適，傳動(dòng)鏈的多邊形效應(yīng)加劇，會(huì)使鏈節(jié)產(chǎn)生較大的橫向跳動(dòng)，發(fā)出令人煩躁的嘯叫或異響[2]，情況嚴(yán)重時(shí)還會(huì)產(chǎn)生跳齒、導(dǎo)軌磨損、傳動(dòng)失效等現(xiàn)象[3]，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在正時(shí)鏈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析、可靠性分析以及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲的影響方面，進(jìn)行了大量的研究[4–7]，采用軟件仿真進(jìn)行鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì)已經(jīng)成為主流設(shè)計(jì)方法。

本文針對(duì)某型柴油機(jī)正時(shí)鏈系統(tǒng)，基于AVLExcite軟件的Timing Drive 模塊，建立了包含液壓張緊器的鏈傳動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)軟件仿真對(duì)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)，并通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)量了凸輪軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)、曲軸與凸輪軸角位移波動(dòng)及張緊器工作腔壓力等參數(shù)，將這些測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比后，提出了一套可靠的試驗(yàn)與仿真相結(jié)合的分析方法。

1 鏈傳動(dòng)動(dòng)力學(xué)建模

1.1 鏈傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置

研究用柴油機(jī)為雙凸輪軸頂置形式的2.0 L 直列4 缸機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為4 000 r/min。該機(jī)型在原橫置機(jī)的正時(shí)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加一道鏈條驅(qū)動(dòng)高壓油泵。原來(lái)的單排曲軸鏈輪，改為雙排曲軸鏈輪，兩道鏈條均使用套筒滾子鏈。進(jìn)、排氣凸輪軸之間為齒輪傳動(dòng)。整個(gè)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鏈傳動(dòng)系統(tǒng)

鏈條節(jié)距為9.525 mm，曲軸鏈輪齒數(shù)為21，凸輪軸鏈輪齒數(shù)為42，高壓油泵鏈輪齒數(shù)為31，正時(shí)鏈條鏈節(jié)數(shù)為112，高壓油泵鏈條鏈節(jié)數(shù)為74。

1.2 正時(shí)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型建立

使用AVL-Excite 軟件中的Timing Drive 模塊，建立了包含液壓張緊器的正時(shí)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)以及高壓油泵鏈傳動(dòng)和全閥系的多體動(dòng)力學(xué)模型。按照鏈條依次進(jìn)入各個(gè)零部件的順序建立模型，分別為曲軸鏈輪、張緊器導(dǎo)軌、凸輪軸鏈輪、固定導(dǎo)軌，如圖2所示。

張緊器導(dǎo)軌與液壓張緊器模型連接，凸輪軸鏈輪連接到閥系模型的排氣凸輪軸單元上。液壓張緊器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如柱塞的泄露間隙、工作腔容積、泄油孔直徑等均由供應(yīng)商提供，保證張緊器仿真工作特性與試驗(yàn)工作特性相一致。

套筒滾子鏈由多個(gè)鏈節(jié)以自身的鉸鏈副連接起來(lái)，整體顯現(xiàn)柔性而局部是單個(gè)鏈節(jié)故又顯示為剛性[8]。模型將鏈輪與鏈節(jié)等剛體的運(yùn)動(dòng)參考點(diǎn)設(shè)為其質(zhì)心，定義集中質(zhì)量與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。鏈節(jié)接連剛度通過(guò)試驗(yàn)獲得，大小為74 000 N/mm，阻尼取1N?s/mm；鏈節(jié)與鏈輪、導(dǎo)板的接觸剛度、阻尼、摩擦系數(shù)均采用AVL-Excite 的經(jīng)驗(yàn)值，鏈節(jié)與鏈輪和導(dǎo)板的接觸剛度分別取10 000 N/mm 和5 000 N/mm，阻尼取0.1 N?s/mm，摩擦系數(shù)取0.05。

圖2 正時(shí)鏈傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

1.3 模型邊界條件
為了真實(shí)模擬曲軸鏈輪轉(zhuǎn)速輸入，除了對(duì)曲軸鏈輪施加穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速激勵(lì)，還要考慮曲軸扭振引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng)。轉(zhuǎn)速波動(dòng)數(shù)據(jù)通過(guò)在Designer 模塊中計(jì)算曲軸扭振分析得到，凸輪軸鏈輪的負(fù)載扭矩通過(guò)對(duì)配氣機(jī)構(gòu)閥系的計(jì)算得到，此外，各轉(zhuǎn)速下的爆壓曲線均通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)得到。

2 正時(shí)鏈系統(tǒng)仿真結(jié)果與分析
隨著轉(zhuǎn)速的增加，鏈條與鏈輪嚙合沖擊作用越大，鏈節(jié)內(nèi)力越大，多邊形效應(yīng)也更加明顯。因此，分析工況主要選擇標(biāo)定工況（4 000 r/min，100 kw），此外，加速工況均在全負(fù)荷條件下計(jì)算。

2.1 鏈條運(yùn)動(dòng)軌跡
通過(guò)鏈節(jié)運(yùn)行的軌跡可以從宏觀角度觀察正時(shí)鏈傳動(dòng)過(guò)程中，鏈條是否有抖動(dòng)及橫向振動(dòng)的現(xiàn)象，圖3 是額定轉(zhuǎn)速下鏈條的運(yùn)動(dòng)軌跡，從圖中可以看到各個(gè)鏈節(jié)運(yùn)行軌跡基本重合，鏈條無(wú)明顯的橫向振動(dòng)及抖動(dòng)等現(xiàn)象發(fā)生。


(b) 鏈節(jié)角加速度