張 瑩 趙乃博 吳豐凱 費(fèi) 侃 袁 爽

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波315336 2-浙江吉利動(dòng)力總成有限公司）

引言

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的正時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)主要有皮帶傳動(dòng)和鏈條傳動(dòng)2 種類型。皮帶傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)簡單、傳動(dòng)平穩(wěn)，但皮帶的使用壽命較短，且傳動(dòng)中時(shí)有打滑現(xiàn)象，傳動(dòng)比不穩(wěn)定[1]。鏈條傳動(dòng)具有可靠性高、耐磨性好、與發(fā)動(dòng)機(jī)同壽命的優(yōu)勢，缺點(diǎn)是鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的嘯叫噪聲較大。隨著現(xiàn)代轎車發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度的不斷提高，排放法規(guī)不斷加嚴(yán)，維護(hù)周期的不斷延長，正時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)荷越來越大，對配氣正時(shí)的精度要求也越來越高，因此在中高級轎車發(fā)動(dòng)機(jī)上采用正時(shí)鏈條傳動(dòng)越來越多[2]。目前乘用車市場競爭日趨激烈，消費(fèi)者對乘用車的品質(zhì)及NVH 要求也越來越高，在嚴(yán)峻的市場競爭壓力下，各個(gè)主機(jī)廠對如何優(yōu)化改善車輛NVH 性能的問題也日益重視。因此鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的嘯叫問題也越來越受到關(guān)注。

本文針對一款四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的鏈系統(tǒng)嘯叫問題進(jìn)行相關(guān)的測試分析，同時(shí)提出解決方案，并通過NVH 測試及可靠性耐久試驗(yàn)驗(yàn)證，有效地解決了該發(fā)動(dòng)機(jī)的鏈系統(tǒng)嘯叫問題，為鏈系統(tǒng)嘯叫問題的解決提供了重要的參考建議。

1 鏈傳動(dòng)系統(tǒng)嘯叫產(chǎn)生的機(jī)理及現(xiàn)狀

1.1 嘯叫產(chǎn)生的機(jī)理

嚙合沖擊引起的鏈節(jié)振動(dòng)或鏈輪振動(dòng)所產(chǎn)生的噪聲是鏈傳動(dòng)噪聲最主要的部分，這種噪聲是嚙合過程中鏈條與鏈輪輪齒間相互作用而產(chǎn)生的，如圖1所示。傳統(tǒng)的滾子鏈與鏈輪嚙合時(shí),后一個(gè)滾子B 沿著前一個(gè)已嚙入的滾子A 的中心O 為圓心、以節(jié)距p 為半徑的圓弧嚙入鏈輪；滾子是首先直接與鏈輪底部接觸,這必然會有接觸的突變,產(chǎn)生沖擊，隨著鏈條與鏈輪的嚙合,這種沖擊呈現(xiàn)出一定的周期性，嚙合噪聲隨嚙合頻率的增大而增大[3]。

圖1 鏈傳動(dòng)的嚙入沖擊

1.2 鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的NVH 現(xiàn)狀

隨著鏈傳動(dòng)系統(tǒng)嘯叫的持續(xù)改善，目前市場鏈傳動(dòng)系統(tǒng)的聲壓級也逐漸降低，為掌握目前市場主流車型的鏈傳動(dòng)系統(tǒng)噪聲情況，我們對4 款車型分別對駕駛室內(nèi)駕駛員右耳及機(jī)艙近場進(jìn)行NVH 測試對比。4 款車型信息見表1 所示。

表1 對標(biāo)車資料

1.2.1 P 擋加速工況對比測試

P 擋加速工況下，駕駛員右耳及機(jī)艙近場聲壓級對比曲線圖分別如圖2 和圖3 所示。

圖2 P 擋加速工況駕駛員右耳聲壓級

圖3 P 擋加速工況機(jī)艙近場聲壓級

P 擋加速工況下，駕駛室內(nèi)A、B 車噪聲水平相當(dāng)，C 車相對嘯叫比較明顯，D 車相對較好，但是仍然存在嘯叫，識別度相對較低。4 輛車的機(jī)艙近場噪聲水平相當(dāng)。

1.2.2 3 擋POT 工況對比測試

3 擋POT 工況下駕駛員右耳及機(jī)艙近場聲壓級對比曲線圖分別如圖4 和圖5 所示。

圖4 3 擋POT 工況駕駛員右耳聲壓級

圖5 3 擋POT 工況機(jī)艙近場聲壓級

3 擋POT 工況下，駕駛室內(nèi)A、D 車水平相當(dāng)，嘯叫也相對較小，C 車相對嘯叫比較明顯，B 車水平居中，并且相對較平穩(wěn)。

從測試結(jié)果看，4 款車均存在不同程度的嘯叫，D 車整體噪聲水平相對較好，C 車略差。

2 降低嘯叫噪聲的方法

要解決噪聲就要從激勵(lì)源出發(fā)，降低嚙合噪聲。通常采用的方式是更改為齒形鏈，改變鏈條與鏈輪的嚙合方式，但是這種變更，將會帶來整個(gè)正時(shí)鏈系統(tǒng)的成本增加約40%～50%，這部分成本的上漲，對于發(fā)動(dòng)機(jī)的成本壓力較大，也是各主機(jī)廠難以實(shí)施的問題點(diǎn)之一。尋找一種改善效果明顯，無成本增長，或成本增長較少的方案是改善嘯叫問題的重中之重。

借鑒橡膠的減震降噪的效果，在聲源曲軸正時(shí)鏈輪上增加一層橡膠，制作成包膠鏈輪，使?jié)L子在嚙入前，鏈板先與橡膠接觸，從而減緩滾子與鏈輪的接觸沖擊噪聲。

包膠鏈輪只需在現(xiàn)有的普通鏈輪外層增加橡膠，替換現(xiàn)有的鏈輪，正時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其他零部件均無需改動(dòng)。樣件制作簡單，易于實(shí)施，且成本變化較小，能夠滿足成本和降噪的雙重需求。

3 包膠鏈輪設(shè)計(jì)要點(diǎn)

包膠鏈輪的設(shè)計(jì)原理是鏈條的鏈板與橡膠提前接觸從而緩沖滾子嚙入時(shí)的沖擊噪聲，因此鏈板與橡膠的干涉量以及橡膠材料是設(shè)計(jì)方案的關(guān)鍵點(diǎn)。

3.1 包膠鏈輪橡膠與鏈條鏈板的干涉量的設(shè)計(jì)

鏈條在鏈輪上實(shí)際的運(yùn)行軌跡是一個(gè)多邊形，鏈板最下邊緣與包膠鏈輪的外徑之間的差值即為干涉量，如圖6 所示，干涉量是緩沖降噪的主要部分。

圖6 橡膠與鏈板干涉示意圖

因此干涉量為D/2-r

式中：D 是橡膠直徑，r 是鏈板的內(nèi)切圓半徑，r 可由下式計(jì)算得出：

式中：d 為分度圓直徑；P 為鏈條節(jié)距；b 為鏈板寬度。

3.2 橡膠的選擇

考慮包膠鏈輪的使用工況，需要選擇一種具有良好的耐油、耐高溫、耐低寒、耐磨性能好，同時(shí)具有較高的抗壓縮永久變形性能的橡膠材料。在各種橡膠材料中,HNBR 以其優(yōu)異的綜合性能和高性價(jià)比而滿足各項(xiàng)指標(biāo)，且已廣泛應(yīng)用于汽車傳動(dòng)系統(tǒng)油封、同步帶等部件[4]。因此，HNBR 是包膠鏈輪橡膠材料的首選。

HNBR 的硬度常用的是70 HA～90HA。根據(jù)包膠鏈輪的使用工況，既要滿足耐磨性，又要達(dá)到良好的NVH 性能，因此需要結(jié)合NVH 及臺架耐久綜合驗(yàn)證結(jié)果確定。

4 包膠鏈輪的設(shè)計(jì)方案

為了起到較好的減震降噪效果，橡膠與鏈板的干涉量為0.7 mm，橡膠選用較為成熟的70 HA 的氫化丁腈橡膠。

設(shè)計(jì)方案首先要完成整車的NVH 測試，確認(rèn)嘯叫問題的改善情況，然后再進(jìn)行單體可靠性試驗(yàn)，以保證滿足使用壽命要求。

4.1 整車NVH 測試

NVH 測試在同一臺車上，保證邊界條件相同情況下，進(jìn)行非包膠鏈輪鏈系統(tǒng)、包膠鏈輪狀態(tài)鏈系統(tǒng)及齒形鏈系統(tǒng)3 種狀態(tài)的對比測試，測試結(jié)果如圖7和圖8 所示。

圖7 P 擋加速工況時(shí)駕駛員右耳聲壓級

圖8 3 擋POT 工況時(shí)駕駛員右耳聲壓級

測試結(jié)果顯示，3 種狀態(tài)的鏈系統(tǒng)，包膠鏈輪鏈系的NVH 水平與齒形鏈系的總體水平相當(dāng)，1 000 rpm以下低于20dB（A），3000rpm 以下基本低于30dB（A），均優(yōu)于非包膠鏈輪鏈系，嘯叫問題改善明顯，可進(jìn)一步驗(yàn)證該方案的可靠性。

4.2 單體疲勞耐久試驗(yàn)

為快速有效驗(yàn)證包膠鏈輪的可靠性能及耐磨性能，我們設(shè)計(jì)了包膠鏈輪的單體試驗(yàn)臺和試驗(yàn)方法。如圖9 所示，上端的小鏈輪即為包膠鏈輪，對包膠鏈輪安裝的主軸施加一定的載荷和轉(zhuǎn)速，并定時(shí)檢查鏈輪的磨損情況，如無異常，完成500h 測試后即為通過試驗(yàn)。

圖9 包膠鏈輪單體試驗(yàn)

首次試驗(yàn)，每隔4 h 檢查試驗(yàn)情況，第一次的4 h檢查發(fā)現(xiàn)橡膠已經(jīng)有輕微磨損，繼續(xù)試驗(yàn)觀察，至16 h時(shí)，磨損非常嚴(yán)重，橡膠已失效。通過這16 h 的驗(yàn)證，說明本次試驗(yàn)的橡膠雖然能夠滿足NVH 要求，但是耐久性能較差，不能滿足使用要求，需進(jìn)一步提升橡膠的耐磨性，重新進(jìn)行方案的調(diào)整和優(yōu)化。

4.3 包膠鏈輪的改進(jìn)方案

為了解決橡膠磨損問題，從2 方面分別進(jìn)行調(diào)整和驗(yàn)證：

1）提高橡膠的硬度；

2）減小干涉量。

為了滿足NVH 和可靠性的雙重需求，我們經(jīng)過了數(shù)十個(gè)方案的調(diào)整和驗(yàn)證，最終才匹配出最佳的方案。本文只列舉其中4 個(gè)典型方案數(shù)據(jù)，以供參考。4 個(gè)方案見表2。

表2 優(yōu)化方案匯總表

4.3.1 NVH 測試對比

保持測試邊界條件相同，對同一輛車更換不同的包膠鏈輪，進(jìn)行對比測試，測試結(jié)果如圖10 和圖11 所示。

圖10 P 擋加速工況時(shí)駕駛員右耳聲壓級

圖11 P 擋加速工況機(jī)艙近場聲壓級

4 個(gè)方案的NVH 測試結(jié)果評價(jià)匯總見表3。

表3 各方案NVH 評價(jià)匯總表

4.3.2 橡膠耐磨性對比

繼續(xù)在單體試驗(yàn)臺上采用相同的試驗(yàn)工況進(jìn)行耐久試驗(yàn)，并每隔10 h 觀察橡膠的磨損情況，并按表4 形式記錄進(jìn)行對比分析。

經(jīng)過耐久試驗(yàn)時(shí)間和磨損量的對比分析，方案三和方案四的磨損量相當(dāng)，磨損情況最好，滿足使用要求，方案一最差。詳見表5。

表4 各方案耐久試驗(yàn)記錄表

表5 各方案耐久試驗(yàn)評價(jià)匯總表

4.3.3 最終方案的選擇

綜合整車NVH 測試和臺架耐久試驗(yàn)結(jié)果，見表6。

表6 各方案綜合評價(jià)匯總表

從綜合結(jié)果看，方案三為最優(yōu)方案，為確認(rèn)改善效果，我們將包膠鏈輪鏈系統(tǒng)與前面2.2 介紹的測評NVH 相對較好的D 車進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，整理數(shù)據(jù)如圖12 所示。

圖12 P 擋加速工況時(shí)駕駛員右耳聲壓級

從數(shù)據(jù)中可以看出，包膠鏈輪鏈系統(tǒng)的NVH 改善明顯，且已優(yōu)于市場車型的鏈系統(tǒng)NVH 水平約3～10 dB（A）。

5 包膠鏈輪對鏈系統(tǒng)的影響

上一章主要介紹的是包膠鏈輪的設(shè)計(jì)方案及NVH 測試和單體疲勞耐久試驗(yàn)驗(yàn)證情況。在設(shè)計(jì)方案通過NVH 和單體耐久試驗(yàn)驗(yàn)證后，還需要進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性耐久試驗(yàn)驗(yàn)證，并且只有通過發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性耐久驗(yàn)證后，該設(shè)計(jì)方案才可實(shí)施。然而在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)新的問題產(chǎn)生——爬齒。

在常規(guī)的鏈傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，爬齒是指鏈條與鏈輪嚙合過程中，由于鏈條節(jié)距的變化，導(dǎo)致鏈條與鏈輪嚙合的時(shí)候，并非直接落入齒根，如圖13 所示，滾子A 在落入齒根的情況下，由于鏈條節(jié)距變化，滾子B 在未完全嚙合而滾子C 和滾子D 已經(jīng)與鏈輪齒接觸，進(jìn)而再滑入齒根。長期以此方式進(jìn)行嚙合，導(dǎo)致齒部的異常磨損。

圖13 鏈條爬齒情況示意圖

經(jīng)過多種方案的調(diào)整和試驗(yàn)，包膠鏈輪的爬齒問題的原因最終鎖定在鏈系統(tǒng)的張緊力上。包膠鏈輪雖然經(jīng)過單體試驗(yàn)驗(yàn)證，且在試驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)磨損以外的其他問題，但是由于該單體疲勞試驗(yàn)的驗(yàn)證方法只是穩(wěn)態(tài)的疲勞試驗(yàn)，而包膠鏈輪實(shí)際在發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況是動(dòng)態(tài)的，未結(jié)合到鏈系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，鏈系統(tǒng)的受力是時(shí)刻變化的。對于包膠鏈輪而言，由于鏈板與橡膠的干涉量的存在，當(dāng)系統(tǒng)張力不足以壓縮橡膠發(fā)生形變使鏈條正常嚙合時(shí)，同樣會發(fā)生上圖的爬齒現(xiàn)象。這種爬齒問題主要會發(fā)生在系統(tǒng)反力較小的情況下。因此要避免爬齒問題的發(fā)生，必須要通過鏈系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測試試驗(yàn)，確定各個(gè)工況下的系統(tǒng)張力，匹配合理的緊鏈器，從而保證系統(tǒng)的可靠性。

因此我們重新進(jìn)行鏈系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，重新進(jìn)行張緊器的選型，再次進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性試驗(yàn)，進(jìn)行了多輪的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，爬齒的問題徹底解決。

6 結(jié)論

通過以上設(shè)計(jì)及試驗(yàn)，經(jīng)驗(yàn)總結(jié)如下：

1）橡膠與鏈條鏈板的干涉量直接影響到NVH的改善效果，在滿足磨損性能要求的情況下選擇更佳的干涉量，以達(dá)到更好的NVH 效果。

2）橡膠的硬度低，耐磨性能偏低，對于耐久壽命影響較為嚴(yán)重，因此推薦使用高硬度的橡膠作為首選材料。

3）設(shè)計(jì)包膠鏈輪的鏈系統(tǒng)需要進(jìn)行系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測試，以確定系統(tǒng)受力的情況，選擇合適的張緊器，以達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久性能要求。

綜上所述，包膠鏈輪的設(shè)計(jì)對于解決鏈系統(tǒng)的嘯叫問題起到非常關(guān)鍵的作用，本文通過對不同干涉量及不同膠品的NVH 測試和耐久試驗(yàn)驗(yàn)證，推薦了最佳的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)總結(jié)了開發(fā)過程中出現(xiàn)的失效問題及其解決措施，對于國內(nèi)各主機(jī)廠應(yīng)用包膠鏈輪改善發(fā)動(dòng)機(jī)鏈系統(tǒng)的嘯叫問題提供了重要的設(shè)計(jì)依據(jù)和指導(dǎo)。