金麗君，畢高杰

（青島征和工業(yè)股份有限公司，山東青島 266700）

0 引言

齒形鏈又名靜音鏈，作為發(fā)動機(jī)正時(shí)用關(guān)鍵核心部件，被裝配在發(fā)動機(jī)上，傳輸曲軸轉(zhuǎn)矩至凸輪軸實(shí)現(xiàn)正時(shí)作用，近年來隨著人們生活水平提高，大排量機(jī)車裝配發(fā)動機(jī)廣泛將齒形鏈傳動系統(tǒng)用于其正時(shí)傳動、機(jī)油泵傳動、平衡軸傳動和共軌泵傳動、分動箱傳動、變速箱傳動等，當(dāng)前國內(nèi)多家鏈傳動企業(yè)已具備齒形鏈設(shè)計(jì)、生產(chǎn)能力，為國內(nèi)各大車企穩(wěn)固配套，已結(jié)束部分主機(jī)廠長期依賴國外進(jìn)口鏈條產(chǎn)品的歷史。磨損是齒形鏈的主要失效形式[1]，鏈條工作時(shí)磨損使各元件的鉸鏈配合間隙改變，會導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的沖擊和噪聲增加，過早地出現(xiàn)疲勞裂紋，甚至還會出現(xiàn)跳齒和脫齒現(xiàn)象，使鏈條達(dá)不到預(yù)期的使用壽命，影響鏈條及主機(jī)的使用性能，因此耐磨伸長率成為衡量齒形鏈服役壽命的關(guān)鍵指標(biāo)，為了有效地降低齒形鏈初期伸長，國內(nèi)外學(xué)者基于鏈條服役工況進(jìn)行合理選型，對新型齒形鏈磨損機(jī)制及其溫度和速度特性[2]進(jìn)行研究。在給定的試驗(yàn)條件下，通過對比磨損試驗(yàn)，研究了新型齒形鏈與普通外嚙合齒形鏈的磨損機(jī)制，分析了銷軸的磨損表面形貌，研究了不同油溫和交變速度下新型齒形鏈的磨損特性。結(jié)果表明，新型齒形鏈的耐磨性能明顯優(yōu)于普通外嚙合齒形鏈，新型齒形鏈在交變速度下的磨損伸長率大于非交變速度下的磨損伸長率，并進(jìn)行了大量的科研攻關(guān)，取得了豐碩的成果。在發(fā)動機(jī)用鏈條方面，采用新型齒形鏈完成了服役鏈條的優(yōu)化選型；在加工制造過程中，國內(nèi)外各大鏈條生產(chǎn)企業(yè)在強(qiáng)化鏈條基體性能等方面進(jìn)行了探索，取得了一定成效，但實(shí)際應(yīng)用過程中新型齒形鏈在初期仍舊會產(chǎn)生磨損伸長現(xiàn)象。

為滿足汽車和摩托車發(fā)動機(jī)鏈條在高速交變載荷工況下的輕磨損、低噪聲、高可靠性的要求，有必要研究減輕磨損、降低噪聲的新型齒形鏈，以滿足工程應(yīng)用的需要。為此，本文通過對服役一段時(shí)間后發(fā)生伸長的鏈條進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)板內(nèi)側(cè)被鏈輪齒撞擊、蹭傷形成表面“缺肉”，且在機(jī)油中發(fā)現(xiàn)被撞擊的磨粒殘?jiān)チＪ莾赡p表面中某一表面材料剝落而成[3]。基于這一實(shí)際現(xiàn)象研究撞擊磨粒發(fā)生機(jī)理及對新型齒形鏈磨損伸長的影響，具有重要理論意義和工程實(shí)際指導(dǎo)價(jià)值，期望為降低新型齒形鏈的磨損提供試驗(yàn)依據(jù)。研究結(jié)果表明，新型齒形鏈的嚙合機(jī)制可以減小鏈傳動的磨損[4]。

1 磨損理論分析

如圖1所示，在實(shí)際裝機(jī)服役中，發(fā)動機(jī)用正時(shí)齒形鏈與系統(tǒng)件（張緊板、導(dǎo)軌、張緊器等）一并參與到發(fā)動機(jī)正時(shí)做功中，系統(tǒng)件的存在可以有效避免鏈條傳動過程中的跳齒現(xiàn)象發(fā)生，但當(dāng)正時(shí)鏈條發(fā)生磨損伸長，張緊裝置彈出至最大行程后無法滿足鏈條張緊要求，系統(tǒng)即會產(chǎn)生嚴(yán)重的傳動（鏈輪）轉(zhuǎn)角滯后現(xiàn)象，進(jìn)而增加了鏈系統(tǒng)的噪聲及振動，當(dāng)鏈條磨損伸長至一定程度，無法達(dá)到正常做功要求，即判定正時(shí)鏈條失效。

圖1 發(fā)動機(jī)正時(shí)系統(tǒng)示意圖

通過對失效后的系統(tǒng)進(jìn)行拆解后發(fā)現(xiàn)，新型正時(shí)齒形鏈導(dǎo)板內(nèi)側(cè)發(fā)生了嚴(yán)重的磨損撞擊形成表面“缺肉”（如圖2），經(jīng)過對機(jī)油過濾烘干后發(fā)現(xiàn)清晰的金屬殘?jiān)?，這種零件表層的撞擊剝落為鏈條伸長的主要磨損機(jī)制[5-6]。本文基于這一實(shí)際現(xiàn)象研究新型正時(shí)齒形鏈導(dǎo)板內(nèi)側(cè)撞擊磨粒對整鏈磨損伸長的影響。

圖2 鏈條導(dǎo)板內(nèi)側(cè)磨損

1）正時(shí)齒形鏈主要在發(fā)動機(jī)高速工況下服役，承受怠速、加減速等交變載荷沖擊，服役條件嚴(yán)酷，其主要失效形式為磨損失效、斷裂失效、零件碎裂失效、鏈條死節(jié)失效。在相同服役工況下，磨損失效對于整鏈的耐磨伸長的影響最大，由齒形鏈與鏈輪工作原理[7-11]可知，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)鏈條與鏈輪持續(xù)嚙入嚙出，在交變載荷下，這種持續(xù)的嚙入嚙出及縱向振動會對鏈條導(dǎo)板內(nèi)側(cè)產(chǎn)生撞擊（鏈條導(dǎo)板的工作表面會與鏈輪輪齒齒面相互干涉接觸，鏈條導(dǎo)板內(nèi)側(cè)存在剪切撞擊載荷）。

2）由于鏈條框架歪斜引起的輪齒剪切撞擊將導(dǎo)板內(nèi)表面材料撞擊下來，這種撞擊磨損在初期會循環(huán)往復(fù)，持續(xù)性強(qiáng)，隨導(dǎo)板內(nèi)表面材料的持續(xù)撞擊磨損消耗，導(dǎo)板微觀形狀及尺寸將發(fā)生變化，且被撞擊掉的磨粒進(jìn)入機(jī)油中被油泵吸附并再次噴射注入鏈條鉸鏈間隙內(nèi)形成磨粒磨損，進(jìn)而導(dǎo)致鏈條整體耐磨性能變差，最終導(dǎo)致靜音鏈初期急劇失效。因此提升鏈條框架的裝配質(zhì)量具有重大意義，后續(xù)廣大學(xué)者及工程實(shí)際應(yīng)用人員應(yīng)將新型齒形鏈精密框架組裝作為一項(xiàng)降低新型齒形鏈條磨損伸長的有效手段，通過開發(fā)精密組裝設(shè)備，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品框架裝配質(zhì)量的穩(wěn)定提升。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

1）在自行研制的獨(dú)立潤滑冷卻封閉力流鏈條磨損試驗(yàn)臺（如圖3）上進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)對象為6掛SCL04CF-7靜音鏈，分別標(biāo)記為A1、A2、A3、B1、B2、B3。其中，A1與B1為一組，A2與B2為一組，A3與B3為一組。

圖3 試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)示意圖

2）為保證試驗(yàn)變量的唯一性，試驗(yàn)所使用的耐磨鏈輪、鏈條組裝零件均采用相同制法獲得，包括熱處理硬度等均完全一致，僅鏈條外單節(jié)裝配四點(diǎn)差作為設(shè)定的唯一試驗(yàn)變量。其中A組鏈條外單節(jié)裝配四點(diǎn)差＞0.06 mm（實(shí)際裝配四點(diǎn)差均值為0.08 mm）；B組鏈條外單節(jié)裝配四點(diǎn)差≤0.06 mm（實(shí)際裝配四點(diǎn)差均值為0.04 mm）。

3）試驗(yàn)參數(shù)為：鏈條節(jié)距P=6.35 mm，試驗(yàn)節(jié)數(shù)為130，曲軸鏈輪齒數(shù)Z1=17，轉(zhuǎn)速為7000 r/min，試驗(yàn)轉(zhuǎn)矩為6.0 N·m，進(jìn)排氣凸輪軸鏈輪齒數(shù)Z2=Z3=34，曲軸鏈輪轉(zhuǎn)速v=3000 r/min，每組試驗(yàn)鏈條預(yù)先跑合30 min，后加載曲軸轉(zhuǎn)速至試驗(yàn)轉(zhuǎn)速7000 r/min，每組試驗(yàn)時(shí)間t=6000 min（如圖4），因?yàn)檫^程中潤滑冷卻池獨(dú)立，所以鏈條不再進(jìn)行間隔時(shí)間調(diào)換試驗(yàn)工位工作，試驗(yàn)共進(jìn)行3組（次）。

圖4 試驗(yàn)工況曲線

4）衡量鏈條磨損性能的關(guān)鍵指標(biāo)為耐磨伸長率e，表達(dá)式為e=ΔL/L×100%[12-14]。其中：ΔL=L1-L2，L1為初始中心距，L2為試驗(yàn)后中心距。因此試驗(yàn)前分別記錄每條鏈條初始鏈條中心距L1，待每組試驗(yàn)結(jié)束后取下試驗(yàn)后鏈條測量試驗(yàn)后中心距L2。

5）試驗(yàn)前將A組3掛鏈條進(jìn)行合并稱重并記錄質(zhì)量，同時(shí)對B組3掛鏈條進(jìn)行合并稱重并記錄質(zhì)量。

6）3組試驗(yàn)全部完成后，分別對獨(dú)立潤滑冷卻池中機(jī)油及鏈條進(jìn)行過濾、烘干，并對試驗(yàn)后鏈條進(jìn)行分組合計(jì)稱重，同時(shí)對烘干后殘留濾渣進(jìn)行稱重分析，根據(jù)伸長情況，對鏈條進(jìn)行拆解，查找磨損發(fā)生的位置及對應(yīng)關(guān)系。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

1）鏈條伸長率檢測。對試驗(yàn)后鏈條按照編號（編組）信息分別使用鏈條中心距測量儀（如圖5）進(jìn)行試驗(yàn)后中心距測量，并運(yùn)用公式求得鏈條試驗(yàn)伸長率（如表1）。通過3組試驗(yàn)可以看出鏈條A1→鏈條A2→鏈條A3的磨損伸長率呈逐漸上升趨勢（如圖6），且A組3 輪累計(jì)總體伸長率遠(yuǎn)高于B組（如圖7）。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖5 鏈條中心距測量儀

圖6 單條伸長率統(tǒng)計(jì)

圖7 兩組伸長率統(tǒng)計(jì)（A、B組）

2）磨損表觀形態(tài)檢測。分別對試驗(yàn)后鏈條使用電子顯微鏡觀測鏈條導(dǎo)板內(nèi)表面狀態(tài)，查驗(yàn)有無剪切撞擊內(nèi)表面“缺肉”現(xiàn)象，并分別拍照記錄，通過觀測發(fā)現(xiàn)A組試驗(yàn)后鏈條導(dǎo)板內(nèi)側(cè)磨損（如圖8），B組試驗(yàn)后導(dǎo)板內(nèi)側(cè)未發(fā)生磨損（如圖9），鏈條裝配框架（四點(diǎn)差）精度低會導(dǎo)致鏈條導(dǎo)板內(nèi)側(cè)被持續(xù)嚙合的鏈輪輪齒啃傷。

圖8 A組試驗(yàn)后鏈條導(dǎo)板內(nèi)磨損

圖9 B組試驗(yàn)后鏈條導(dǎo)板內(nèi)未磨損

3）試驗(yàn)后機(jī)油中固體物成分分析。對試驗(yàn)后潤滑冷卻油池中的機(jī)油分別進(jìn)行過濾、清洗、烘干，并對烘干后的成分進(jìn)行目視觀測，為細(xì)小鐵屑（如圖10）。A組機(jī)油中清洗過濾的固體濾渣成分為鏈條導(dǎo)板內(nèi)側(cè)表層啃傷、剝落組織，固體濾渣質(zhì)量占試驗(yàn)后鏈條質(zhì)量減輕比為95.03%（如圖11）。

圖10 A組試驗(yàn)后機(jī)油過濾烘干殘?jiān)胺Q重

圖11 潤滑油池倒出機(jī)油

4）試驗(yàn)后零件磨損分析。通過對表2中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算可得：A組3掛鏈條耐磨伸長率取均值為0.026 5%，計(jì)算可得平均單個(gè)鏈節(jié)的磨損伸長量為1.67×10-3mm。A組試驗(yàn)后鏈條銷軸磨損輪廓最大磨損量為1.3×10-3mm，占平均總磨損伸長量的81.25%，鏈板嚙合處及孔徑綜合磨損量約為0.2×10-3mm，占平均總磨損伸長量的18.75%（如圖12、圖13）。接下來分別對試驗(yàn)后拆解零件進(jìn)行磨損分析（證明磨損發(fā)生位置）。對試驗(yàn)后鏈條拆解后發(fā)現(xiàn)，A組銷軸表面出現(xiàn)比B 組銷軸表面更為嚴(yán)重的磨損“亮痕”（如圖14、圖15）。

表2 試驗(yàn)稱重信息統(tǒng)計(jì)

圖12 A組試驗(yàn)后鏈板磨損影像測繪

圖13 A組試驗(yàn)后銷軸磨損輪廓測繪

圖14 A組試驗(yàn)后拆解銷軸

圖15 B組試驗(yàn)后拆解銷軸

4 結(jié)語

1）通過對比試驗(yàn)，可以得出造成A組鏈條在3輪耐磨對比試驗(yàn)中磨損伸長率比B組明顯攀升的主因：潤滑冷卻機(jī)油中被鏈輪齒撞擊導(dǎo)板內(nèi)側(cè)表面形成的鐵屑落入潤滑機(jī)油中，周而復(fù)始地被油泵注入鏈條鉸鏈，導(dǎo)致鉸鏈間隙件出現(xiàn)磨粒磨損，這種現(xiàn)象加劇了鏈條磨損伸長。該現(xiàn)象發(fā)生的磨損伸長占平均總磨損伸長量的81.25%。

2）通過試驗(yàn)得知，當(dāng)鏈條裝配框架四點(diǎn)差＞0.06 mm時(shí)，鏈條框架存在一定程度的傾斜，無法滿足高速傳動工況的需求，在與鏈輪嚙入傳動瞬間會造成剪切撞擊，產(chǎn)生撞擊磨粒，磨粒隨機(jī)油進(jìn)入鏈條鉸鏈間隙，形成磨粒磨損，造成鏈條初期急劇磨損伸長。

綜合以上研究觀點(diǎn)可知，隨著磨粒的增加，正時(shí)齒形鏈初期磨損伸長加劇。保證鏈條裝配框架精度≤0.06 mm，就可以減少磨粒的出現(xiàn)，從而減小正時(shí)齒形鏈初期伸長。后期通過引入高端組裝設(shè)備來提高鏈條裝配框架精度，從而避免因高速運(yùn)轉(zhuǎn)工況下輪齒對導(dǎo)板內(nèi)側(cè)剪切撞擊而形成磨損磨粒，對降低新型齒形鏈整鏈伸長具有重要作用[15-17]。