（动力机械及工程专业论文）469q汽油机正时传动机构的设计研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 4 6 9 0 汽油机正时传动机构的设计研究 摘要 本论文主要对4 6 9 q 汽油机正时传动机构进行设计研究。 发动机的升功率、升扭矩、比油耗、排放指标、可靠性及 性价比是当今国际汽车发动机竞争的焦点。气门凸轮机构是直 接影响上述指标的关键因素之一，而正时传动机构又是保证气 门凸轮机构正常：作的关键。 本文研究了配气机构的结构形式对发动机正时传动机构的 影响；通过4 6 9 ( j 汽油机双顶置凸轮轴正时传动机构的设计研 究，开发了一种有效的发动机正时同步带传动机构的设计计算 方法，对发动机正时传动机构的设计具有重要参考价值；提出 了一种快捷的正时标记的计算方法；对发动机正时传动机构的 防护装置进行了设计。 通过对正时同步带传动横向振动的原因进行理论分析研究 及试验验证，提出多边效应是引起同步带横向振动的主要原因。 通过对正时同步带传动横向振动进行理论分析和试验研 究，提出同步带振幅与同步带跨距、同步带节距、同步带轮的 转速有关。 关键词：正时同步；带传动，横向振动，设计计算，正时相位 奎堕堡三叁兰堡主坚塞生堂垡丝苎 b e e np u tf o n v a r d t 1 1 r ( m g ht h et h e o r e t i c a la n a l y s ea i l ds t u d ya n d 也e e x p e r i m e n t a lv e r j f i c a t i o na b o u tt h et i m i n g b e l tl a t e r a lv i b r a t i o ni n t h i sp a p e r t h a tt h et i m i n gb e l tc r o s sa m p l i t u d eo fv i b r a t i o ni sr e l e v a n t t ot h el e n g t ho fs p a no ft i m i n gb e l t ，t h ep i t c ho ft i m i n gb e l t ，t h e r o t a t i o n a ls p e e do ft i m i n gb e l tp u l l e yh a sb e e nr a i s e d ，m r o u g hm e t h e o r e t i c a l a n a l y s ea n ds t u d ya n dt h ee x p e r i m e n t a l v e r i f i c a t i o n a b o u tt h et i m i n g b e l tl a t e r a lv i b r a t i o ni nt h i sp 印e r k e yw a r d s ： s ) 7 n c h r o n o u sb e l td r i v e ，l a t e r a lv i b r a t i o n ，d e s i g n c a l c u l a t i o n ，t i m i n gp h a s e i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章概述 点燃式四冲程冈燃机于1 8 7 6 年投入运行后，很快投入工业应用而形 成内燃机工业。在市场竞争中，动力性能( 升功率、升扭矩) 、经济性能 ( 燃油消耗率、制造成本) 及可靠性首先成为内燃机产品竞争的主要指标， 随着国际对环境保扩t 的立法，排气污染、噪音也成为近代内燃机追求的指 标。为适应市场竞争的：需要，内燃机产品在不断地改进、提高。 由于内燃机运转工作时，换气过程中已燃气体是否排尽以及进入气缸 的新鲜充量是否充分是影响内燃机性能指标的重要因素，因而内燃机的换 气过程由配气系统羟制，也是内燃机研究改进的重点之一。点燃式内燃机 在一百多年的发展过程中，其结构改进发展的特征，在一定程度上说，主 要体现在配气系统的改进，但是配气系统的工作过程必须通过正时传动机 构来完成，同时配气系统的结构也直接影响正时传动机构的布置。 1 1 配气系统发展过程中的典型机构 点燃式内燃机j e 气系统包括气门凸轮机构与正时传动机构两部分。 1 1 1 配气系统气门凸轮结构 气门凸轮机构控制气门启闭的工作规律，是排气效率与进气效率高低 的决定性因素，因而国内外对凸轮气门机构进行了大量的研究，有关气门 凸轮机构的研究论文、技术资料较多，先后开发出多种气门凸轮机构，随 着点燃式内燃机的发展，先后在生产中大量应用的典型气门凸轮机构主要 有：侧置气门侧置凸轮轴机构、( o h v ) 顶置气门侧置凸轮轴机构、( o h c ) 顶置气门单顶置凸轮轴；阢构、( d o h c ) 顶置气门双顶置凸轮轴机构。 太原理 ：大学硕士研究生学位论文 1 ) 侧置气门侧置凸轮轴机构 早期点燃式四冲程内燃机都采用了侧置气门侧置凸轮轴机构( 图 卜1 ) 。我国的解放c a l 0 b 型汽油机、南京跃进n j l 3 0 型汽车发动机都采 用了这种气门凸轮结构。其结构简单、可靠，但现因充气效率低、燃烧室 容面比较小、抗爆性差、燃烧效率低、h c 排放高而被淘汰。 2 ) 顶置气门侧置凸轮轴( o i ) 机构 内燃机产业早期提i 葡点燃式四冲程内燃机效率的第一重大改进是把 侧置气门侧置凸轮轴机构的进气门设置到燃烧室的顶面( 气缸盖上) 如图 l 一2 所示。与侧置气门机构相对比增大了燃烧室的容面比，提高了抗爆性 与热效率，使点燃式四冲程发动机的动力性与经济性能指标有很大提高。 我国现在c a 6 】o o q 汽油机基础上设计的e q 6 1 0 0 q 汽油机及b j 4 9 2 q 汽油 机都采用了这种结构。 这种顶置气门侧置凸轮轴的机构因系统零件多、质量大、刚性差，难 以适应汽油机高速运转的要求。但在柴油机( 转速较汽油机低) 中仍广泛 应用。 3 ) 顶置气门单顶置凸轮轴( 0 h c ) 机构 内燃机产业对点燃式四冲程的内燃机的第二项重大改进是把早期下 置的凸轮轴改为顶置的凸轮轴，产生了顶置气门单顶置凸轮轴机构，如图 1 3 所示。由于传动零件少、高速性好，在现代汽油机和柴油机中应用广 泛。 单顶置凸轮轴经过挺杼或摇臂驱动进、排气门，并且随着内燃机工业 的发展，气门的数量也由原来的单进单排，发展成后来的在一个燃烧室顶 面设置两个进气门，一个或两个排气门。如图l - 4 所示。 太原理工大学硕士研究生学位论文 图卜1解放c l0 b 型汽圭发动机 图1 2 6 10 2 q 一1 发动机顶置气门 侧置气门下置凸培轴配气机构侧置凸轮轴武配气机构 f i g f 卜ls i d e v 8 l v ea 州s i d e ca i l i f i g 卜2o v e r _ h e a dv a l v ea n ds i d e c 鲫 a d m is s i o ng e a ro fj i e f a n ga d m i s s i o ng e a ro f6 1 0 2 q l c a l o bg a s o l i n ee n g i n e e n 9 1 n e 卜气缸盖；2 气缸垫；3 一气门；4 一气1 一气缸盖；2 一气门导管；3 一气门；4 一气门主 门导管；5 一气缸体；6 一气门弹簧；7 一弹簧：5 一气门副弹簧；6 一气门弹簧座；7 一锁 气缸壁；8 一气门弹簧座；9 一锁铺；1 0 一片；8 一气门室罩；9 一播臂轴：1 0 一摇臂；1 1 一 调整螺钉；1 1 一锁孵螺母；1 2 一挺杆；锁紧螺母：l2 一整螺钉；13 一推杆；1 4 一挺杆 1 3 一挺杆导管：一凸轮轴 15 一凸轮轴 太原理 ：大学硕士研究生学位论文 图l 一3s h i3o 一4 ，o q 璺汽油机顶置气门单顶置凸轮轴配气机构 f i g 1 3 o v e r h e a dv a l ，e n ds i n g l eo v e r h e 8 dc 鲫a d m i s s i o ng e a ro f s h l 3 0 一4 9 0 qg a s 0 1 i n ee n g i n e 卜气门室罩；2 一凸轮轴；3 一调整螺钉；4 一凸轮轴支座；5 一摇臂：6 一摇臂轴；7 一 摇臂轴支座；8 一气门弹簧上座；9 一锁片；1o 一棒胶挡油罩；1 1 一气门；1 2 一气门柱 弹簧；13 一气门副弹簧；1 4 一气n 导管定位卡圈；15 一气门导管；16 一火花塞；1 7 一 气门座圈：18 一缸盖 顶置多气门单顶置凸轮轴结构，不仅具有顶置两气门单顶置凸轮轴机 构的全部优点，而且由于增加了气门数目，增大了进气与排气断面积，减 小了进气与排气阻力，进气充量大，提高了发动机的动力性指标。后来成 为发动机普遍采用的一种气门凸轮机构。但要把火花塞布置到燃烧室中心 4 太原理1 = 大学硕士研究生学位论文 个进气门可以很好地组织汽缸内的进气滚流，改进燃烧，采用双上置凸轮 轴的内燃机具有很好的动力性和燃油经济性。 图卜5 顶置气门双项置凸轮轴配气机构 f i g 卜50 v e r 咄e a dv a l 、ea n ( id o u b l eo v e r 柏e a dc 鲫s h a fa d m i s s i o ng e ”o f 4 6 9 qg a s o li n ee n 异i n e 1 1 2 配气系统正时传动机构 点燃式四冲程内燃机凸轮轴由曲轴通过传动机构驱动，并且必须保证 凸轮轴相对曲轴保持一定的相位关系，以保证气门适时启闭。因此这一保 证凸轮轴与曲轴相对相位关系的机构称为正时传动机构。 正时传动机构一般布置在缸体前端，因为这里安装与维修接近性好， 拆装方便。而且曲轴前端轴颈较细，主动轮可以做的较小，使整个传动机 构结构紧凑。但也有的内燃机把正时传动机构布置在曲轴后端的缸体与飞 轮之间。 三时传动机构的传动形式受凸轮轴相对于曲轴的位置的影响。 6 太原理1 ：大学硕士研究生学位论文 机构替代。 b ) 同步齿形带传动机构 同步齿形带传动机构，如图t 9 所示，主要由正时同步带、齿形带轮 和张紧轮等组成。齿形带传动具有工作可靠性好、噪声小、质量轻、不需 润滑等由于链传动的特点。在顶置凸轮轴式发动机上被广泛应用。 图卜7东风e q 6 l o o q 汽洄机齿轮传动 机构 f j g 1 7t i m i n g g e a rd r i v i n g s y s t e mo fd o n g f e n gg a s 0 1i n ee n g i n e 卜凸轮轴正时齿轮；2 、3 ，6 、9 一中坚 持论；4 一水泵齿轮：5 一机油泵传动齿轮； 7 一法兰：8 一曲轴正时齿轮 8 图1 9 夏利轿车正时同步带传动 机构 f i g 1 9 t i m i n g b e l td r i v i n g s y s t e mo fx i a l ig a s o l i n ee n g i n e 太原理 ：大学硕士研究生学位论文 4 ) 顶置多气门双顶簧凸轮轴的典型正时传动机构 双顶置凸轮轴典型的传动机构有正时链条传动机构与同步齿形带传 动机构。一般两个凸轮轴川同一链条或同一同步齿形带传动。如图1 1 0 所示。也有采用链条或同步齿形带驱动一根凸轮轴，再由这一凸轮轴经过 链条或齿轮驱动另一根凸轮轴的机构。如图1 1 l 所示。此外福特( f o r d ) d h a 型、f h f 型、f x d a ，c 型汽油机；陆虎( r 0 v e r ) 2 0 t 4 型汽油机： 凌志( l e x u s ) 2 j z g e 型汽油机；丰田( t o y o t a ) 4 a g e 、7 a g e l 型等 现代先进的汽油机也都采用了典型的双顶置凸轮轴同步带正时传动机构。 图1 一l04 6 9 q 汽油机正时传动图卜1 l 丰田y 系列发动机正时链传动机构 机构f i g 卜1 1t i m i n g t r a i nd r i v i n gs y s t e mo f f i g 卜1 0t i m i n gd r i v i n gt y o t a g a s 0 1i n ee n g i n e s y s t e m卜凸轮轴正时链轮；2 一张紧导板；3 一机油泵链 轮；4 一曲轴正时链轮：5 一张紧轮；6 一正时链 1 0 太原理工人学硕士研究生学位论文 1 2 本课题的选题意义 发动机的升功率、升扭矩、比油耗、排放指标、可靠性及性价比是当 今囡际汽车发动机竞争的焦点。 气门凸轮机构是直接影响上述指标的关键因素，因而对气门凸轮机构 的研究与改进已成为当今国际汽车发动机新产品结构研究与改进的主要 方向之一。但是气门凸轮机构的正常工作必须通过正时传动机构来保障。 j e 时传动机构的发展直接受气门凸轮结构布置的影响。早期发动机采 用正时齿轮传动机f ：；j ，随着配气机构的改进，其正时传动机构也相应地从 齿轮传动向链传动发展，又从链传动向同步齿形带发展。近两年同步齿形 带传动和链传动呈并举发展的趋势。 通过调查研究发现：与对气门凸轮机构的研究相对比，对正时传动机 构的研究相对不足，：有关正时传动机构的研究资料比较少。 本论文旨在对拍9 g 汽油机正时传动机构进行研究设计。但是在设计 过程中，由于缺乏相关的设计资料，有必要对当今发动机正时传动机构进 行分析研究，总结发动机正时传动机构结构设计的必要参数和理论设计方 法，用于4 6 9 q 汽油发动机正时传动机构的设计。同时，为以后汽车发动 机正时传动机构设计提供依据。 1 3 本课题的研究内容 本课题主要对4 6 9 q 汽油机双顶置凸轮轴正时传动机构进行分析、研 究及设计，开发汽车发动机正时传动机构理论设计计算的基本方法等。 课题的主要研究内容有： i ) 研究配气机构的结构形式对发动机正时传动结构的影响。 太原理j ：大学硕士研究生学位论文 2 ) 研究正时同步带传动的运动特性，分析同步带横向摆动的原因， 同时进行试验研究。 3 ) 对正时同步带传动的横向摆动进行理论分析。 4 ) 进行发动机同步带传动的横向摆动试验，分析其影响因素，为正 时传动机构设计提供! 必要的设计依据。 5 ) 以4 6 9 q 发动机的诈时同步带传动进行实例设计计算，开发正时同 步带传动的设计计算方法。 6 ) 研究正时相位关系及正时相位标记方法。 7 ) 通过整机试验验证4 ( ；9 q 发动机正时皮带传动设计计算的合理性。 8 ) 研究设计正时传动机构的防护装置。 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章4 6 9 q 汽油机正时传动机构的确定 2 1 4 6 9 q 汽油机气门凸轮机构的确定 为了获得好的动力性、经济性及排放指标，4 6 9 q 汽油机总体结构设 计采用火花塞中置的顶置4 气门帐篷形燃烧室结构，如图2 1 所示这种燃 烧室结构紧凑、有较好的火焰面积，火焰向燃烧室壁的传热损失最小。同 时应用进气滚流、涡流及压缩挤流的相互作用产生强湍流，提高燃烧速度 和燃烧效率。 此种燃烧室结构和气门布置决定了必须采用双顶置凸轮轴驱动气门 工作。两凸轮轴分别经过直动式液压挺杆驱动进气门和排气门。如图2 2 所示。 辫烬僦 r 图2 1 帐篷影燃烧室 f i g 2 - lt e n t s h a p eb 】a s t ：h 枷b l e 图2 2 直接气门驱动机构 f i 露2 - 2 d i r e c td r i v i n gv a l v ec o n s t r u c t i o n 2 24 6 9 q 汽油机正时传动机构的确定 由于4 6 9 q 型汽油机的两根凸轮轴布置在气缸盖顶端，凸轮轴与曲轴 1 3 太原理1 ：火学硕士研究生学位论文 距离较大。不宜采用齿轮传动机构，应该采用同步带传动或链传动。 目前国内顶曼凸轮聋白配气机构基本都是采用同步带或正时链驱动凸 轮轴。由于同步齿形带综含了带、链和齿轮的传动优点，其工作面呈齿形， 与同步带轮齿槽啮合传动，传动比准确、对轴作用力较链小、结构紧凑、 耐磨损、抗老化性能好、传动效率可达9 0 9 9 5 。现有的和新牌号的 排气量在3 l 以下的汽车发动机大都采用同步带，不需润滑，结构简单。 目前在日本几乎为1 0 0 采用同步带传动，欧洲有8 0 的轿车、美国有 4 0 均采用同步带传动。国内从1 9 8 3 年以后投产的车用发动机( 如北京 内燃机厂的b j 4 8 2 q 、长沙发动机厂的c f 4 7 5 q 、太原内燃机厂的 t n 4 8 0 q a 、一汽的c a 4 躲q 、广州本田雅阁、一汽捷达王、微车用4 6 2 q 、 4 6 5 q 、3 6 8 q 等) 也普遍采用同步带传动机构。 由于4 6 9 q 汽油机传动功率较大缸径发动机小，同时为了保证4 6 9 q 汽油机的可靠性、通用性与低成本，最终决定采用正时同步带传动机构。 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章发动机正时同步带设计技术要求 3 1 同步带材料与结构 同步带一般使目橡胶( 包括聚氨酯弹性体) 做背胶和齿胶。抗拉体使 用芯绳或合成纤维等。齿面包布使用锦纶布或其它织物( 聚氨酯带无包 布) ，其经线和纬线的密度均匀。 同步带有一般： 业用同步带与汽车同步带。其齿形有梯形齿和圆弧 齿。同步带在我国起步较晚，但发展较快，己形成一定生产规模。国内梯 形齿同步带生产技术已经成熟，出台了汽车行业的设计标准和生产工艺标 准。目前圆弧齿同步带尽管已经有许多厂家投入生产，但是还处于技术引 进阶段，没有制定瞄相关汽车行业设计与生产标准。虽然弧齿同步带工作 面为弧齿，传动性自e 和承载能力较好，但考虑到生产成本低，技术成熟， 目前国内大多数发动机还采用梯形齿同步带传动。而多数进口发动机采用 圆弧齿同步带。 汽车同步带有聚氨酯同步带和氯丁橡胶同步带。聚氨酯同步带由带 背、带齿、抗拉层三部分组成。带背和带齿材料为聚氨酯，抗拉层采用钢 丝绳，适用于环境温度为2 0 + 8 0 的中小功率的高速运转场合；氯丁橡 胶同步带由带背、带齿、抗拉层和包布层组成，带背、带齿材料为氯丁橡 胶，其耐久性和挠性好，抗拉层采用玻璃纤维，抗冲击能力强，传动功率 范围大( 特别在大功率传动中，优于聚氨酯同步带) ，适用工作温度3 4 1 0 0 。如3 6 8 q 、4 6 9 q 、c a 4 8 8 q 等型号汽油机同步带都采用氯丁橡胶同步 带传动( 同步带结陶如图3 1 ) 。 1 5 太原理1 ：大学硕士研究生学位论文 图3 1同步带的结构 3 2 同步带的物理机械性能 同步怡的物理机械t 确直接影响同步带的寿命。所以圈家埘各型同步 带的物理机械性能做出i 5 规怒，其麻符台襄3 一l 的规定。 表：一1汽车简步带的物理机械性能 1 a b 3 一lt h e9 i y s i e 1 1p r o p e r t yo f t h el i m i n gb e l t 蕊漆。标 掣号 目 x llhx i jx x h 拉伸强度，k n c m o 7 71 0 52 6 73 6 7哇2 5 橡胶和聚氯 参考力，k n 0 6 20 8 42 1 吐2 9 43 4 0 f j 阿步带 参考力伸k 率 4 齿势切强度k n ? c n l椽股同步带 o 2 0o 3 5o 4 5o 5 5 3 3 汽车正时同步带设计要求 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 3 1 汽车同步带型号与节距 汽车同步带分为两科t 型号： a 、z a 犁( j f j 于较轻负衙) ； 1 ) 、z i j 型( 刚r 较重负荷) 。 两种型号带的管距：匈为9 i ：5 舢。蜞区别在于带齿尺寸。 3 3 2 汽车间步带标记 用字母和数字陔以下顺序表示带的标记 a 、表示齿数的数字； b 、表示节距自丁手母； c 、表示齿形的手母； d 、表示以毫水为单位的宽度。 例如 = f ) 个惝、1 9 m m 宽、z a 型带的标记如l 、 塑 l 衡数 注：b 、与c 、合称为型号。 3 3 3 汽车同步带尺寸要求 图3 2 带齿尺寸 j 、i g 3 2 s c a l eo ft h eb e l tt o o t h 1 7 馆一i 般形皇ii齿z i i 奸4 下 太原理工大学硕士研究生学位论文 炙3 3汽车同步带节线长极限偏差 t a h 3 3 r l e ：【i i t e dd e v l a t i o no ft i m i n gb e llp i t c hl n l el e n t h 。_ 。_ 。_ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一_ 。- 。_ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - 。- 。_ 。- _ - 。- _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - 。- 。- - - 。_ 。_ 。一 j ，线k l i * 表3 4汽车同步带带宽极限偏差 【a b 3 4f r h oi i 口j t p dd e v i a t o no fl i l n j n gb e l tp i t c hl j n ew i d l h 不同i 辂线长。( 或带荫数z ) 范围对应的带宽极限偏差 带宽6 。 正。 8 4 0 ( = 8 9 ) 饥 4 0 0 8 o 8 + o 8 6 ，4 0 1 3 3 4 汽车正时同步带轮设计技术要求 3 4 1 汽车正时同步带轮的型号 t 9 太原理丁：大学硕士研究生学位论文 汽车同步带轮分为两种型号： z a 型轻负荷汽车同步带轮 z b 型重负荷汽车间步带轮 z a 、z b 型的节距均为9 5 2 5 m m ，其区别仅在于轮齿尺寸不同。 3 4 2 汽车同步带轮的标记 汽车同步带轮标记由乌称、齿数、节距代号、齿形代号、轮宽、标准 号等部分组成。 盘缝盟 兰一 坦鱼璺! q 垒! 垒：2 f1 名称齿数节距9 5 2 5 m m 齿形带宽，m m 标准号 3 4 3 汽车同步带轮轮苗尺寸及极限偏差 汽车同步带轮带轮齿榨形状为渐开线形，如图3 3 和表3 5 所示分别 为同步带轮齿条刀具的形状及其基本尺寸和极限偏差。 表3 一s汽车同步带带轮齿条刀锯参数 i 、a b 3 5+ r h ek n i fes a fp 】a m e t e ro rt j m i n gb e l tw h e e lt o o t l l 齿顶圆齿根圆角两倍节 型带轮节距懈半角齿高齿顶宽 角半径半径根距2 a 号齿数zp b ( m m ) a ( 。)hr ( m m ) b ( m m ) r l ( m m ) n ( m m ) ( m m ) 1 99 5 2 5 2 m b2 1 3 +3 1 0 +0 8 6 z ao 7 l 0 0 31 3 7 2 0 0 0 0 30 1 20 0 50 0 5o 0 3 1 9 z 2 01 0 4 士o 0 3 9 5 2 5 士2 往l2 5 9 +4 2 4 +1 4 7 士 13 7 2 z b0 0 0 0 30 20 0 50 0 50 0 3 z 2 l1 4 2 0 0 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 图3 3 带轮轮廓f i 昌3 3 contourof b e l tw h e e l同步带轮柑邻阳齿同侧州及9 0 。弧内累积的节距极限偏蔗按表：卜6的规定。表3 6汽车同步带轮节距极限偏差【tlb：j一61hcj1ililoddevjatonu l t h ejmingbeiwhcelpjch60一j1001s054301821003闸限偏荐9 0 0 j 5 ：3 积 注：当9 1 1 。弧内包禽的尚数不娃糕数时，按( 吾+ 1 ) 取糗t 再测艟 距的累积编菱同步带轮外径较艰偏差按表3 7 的规定。2 l 太原理】：大学硕士研究生学位论文 袁3 一：汽车同步带带轮外径极限偏差 t ，1 1 1 ：卜7t h e1 i j l l n p dd r 一 1 l i ( ) 10 1 t i m i n gb e i tw h e e le x t e r n a ld i 堋虬e r 外行如 涛数 ： 基本尺寸极限偏芹 + 0 1 0 j g ：j 35 ；2 ：j 9 8 6 8 o + 0 、1 3 ：3 4 5 9“j 1 7 l ，一l7 7 5 l 0 + 0 1 5 6 0 l ( ) 01 8 0 j i 3 0 1 8 2 o 太原理工大学硕士研究生学位论文 第四章正时同步带传动特性的研究 i f 日、同步带传动足具有中间挠性件的啮合传动，其动力是通过齿t j 齿 之间的法向力年1 4 仑街顶部与带齿根部的摩擦力以及带齿的弹性变形来传 递的。同时，正时阿步苻传动又j 具有类似链传动的多边形效应。幽此正时 刚步带传动具有较为复杂的眺质。 要进行j f 时同步带传动机构的设讣，茸先应该对j f 时同步带传动特 。陀、传动规律及影1 1 i 驰运动的辛要因索进行分析研究。本章将卜要从三方 而进行分析研究：第，j 1 i 时同步带传动的运动特性：第二，气门l n i 轮机 构的运动对j 卜时同步带传动的影响；第三，同步带横向振动及影响其振动 的主要因紊。 4 1 正时同步带传动的运动特性与振动原因分析 4 1 1 正时同步带传动多边形效应 图4 1 为正时同步带与正时同步带轮的啮合传动情况。当正时同步带 绕在正时同步带轮上后，两者之间的理想接触状态应是正时同步带的节线 与正时同步带轮的节圆完全吻合，如图4 1 a ) 所示。这时正时同步带与正 时同步带轮的接触相当于半径为r 的平带传动。正时同步带的直线传动等 于正时同步带轮节圆上的圆周运动。 太原理 ：火学硕士研究生学位论文 正时闻捌，节脚 汐伏 r、y v 、 图4 1正时同步带传动运动示意 f i g 4 一lt h ec h a no ft i m i n g - b e l tm o v e m e n t a ) 理论运动 b ) 实际运动 但是由于正时同步蒂轮上齿槽的存在，正时同步带绕在正时同步带轮 上工作时的实际接触情况如图4 1 b ) 所示。在正时同步带轮的齿厚部分， 正时同步带的节线与正时同步带轮的节圆完全吻合；而在正时同步带轮的 齿槽部分，正时同步带在张力作用下变成一直线。我们把前种接触状态下， 正时同步带的运动称：勾圈运动，而后种接触状态下的运动称为弦运动。所 以正时同步带轮的转动实际上是由圆运动和弦运动相互交替进行的啮合 运动，即在正时同步带与难盯同步带轮的整个接触弧内，正时同步带将交 替地以圆弧和直线包绕于f 时同步带轮上的整个接触弧内，形成近似的多 边形形状。变化周期为正时同步带或正时同步带轮的一个节距。正时同步 带的这种运动性质相似于链传动的多边效应。 4 1 2 正时同步带传动过程中皮带振动机理及试验分析 由于正时同步带传动中存在多边形效应，即虽然主动轮作等速度鳓 回转，但正时同步带的线速度v 却在作由小变大，又由大变小的周期性交 化。 太原理工大学硕士研究生学位论文 正时同步带在沿x 轴方向的加速度为： q = 警= = 誓= 丢r 。c 。s 口= 丢r ：他c 。s 。， = 一异l 甜s i n 口= 一只2 嗣s i n 正时同步带在y 轴方向的加速度为 q = 等= 鲁= 丢马qs ；n 口= 丢r ：吐s i n 。， = 尺l 砰c o s 口= r 2 ；c o s 可见，在同步带传动过程中，因多边效应引起同步带线速度变化而产 生了惯性载荷e = m “，从而使同步带产生横向和纵向的加速度，进一步 产生横向和纵向振动。 平带运转试验表明：平带运转平稳，振幅基本为零。证明同步带的振 动是由其本身的几何特性和运动特性( 多边效应) 引起的。 4 2 正时同步带传动机构横向振动分析 由同步带传动特性可知，同步带在传动过程中有横向和纵向的振动。 在发动机正时传动机构没计过程中，同步带的横向振动是影晌传动可靠性 的主要因素。所以，这里主要对其横向振动进行分析研究。 4 2 1 同步带横向振动系统运动方程式的建立 正时同步带传动过程中，同步带以一定的张紧力套在两同步带轮上， 而带又具有一定的弹性。所以，正时同步带传动的横向振动类似于弦振动。 但是，由于同步带横截面上有强力层的作用，使带又具有一定的抗弯刚度。 所以同步带传动的横向振动又具有一定的相似性。现在以横向振动时的平 衡位置为x 轴，以同步带与同步带轮节圆的切点为坐标原点，建立如图 2 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 正时同步带在沿量删麓葡矧蕾甍簦篓i 搿w 囊一震一戳量；器；= ；一攀一蚕釜j 办t s t 荔。；。i i i 一墓i 嘉l ；i ：| 譬埘一萋! 雾：i 莒薹 嚼薯冀剿筛门琶蕊雀耄e m 荟e 一鞴t 鬻* 羹斟鬓i ：鐾鞫一冀垂；矗；i 鉴萎 。；一! 措甓? 囊重亨$ 墓譬蠢薯中毒l 薹 ”强j 强鞠诗峨蹬m 璎够i 曩孺列捕非宠荆醇硼骄幽勒霹纂等廷露 蜷垂 a d s ； 一凸轮轴正时同步诗轮的角速度，r a d s 。 其中：口、角的变化范围： 一三三口三三：一三上口三三 z 、pb z、p b z 1p b z2 p 6 其中：s 一正时同步带的齿厚，m m ； 见一正时同步带的：常距，m m 。 由此可见，正时同步带的线速度在作周期性的变化，变化周期为一个 节距。同时由于口、的交替变化，u 、v 。也在作周期性变化。从而使 正时同步带在运动过程中时上时下( y 轴方向) 和时快时慢( x 轴方向) 变化。从而产生横向( y 轴方向) 和纵向( x 轴方向) 的振动和附加动载 荷。 a ) 当同步带处在圆运动状态时( 图4 2 所示) ： 正时同步带在沿x 轴方向的角加速度为： s = 口，r = o ( 4 5 ) 太原理工大学硕士研究生学位论文 正时同步带在沿x 轴方向的加速度为： q = 警= = 誓= 丢r 。c 。s 口= 丢r ：他c 。s 。， = 一异l 甜s i n 口= 一只2 嗣s i n 正时同步带在y 轴方向的加速度为 q = 等= 鲁= 丢马qs ；n 口= 丢r ：吐s i n 。， = 尺l 砰c o s 口= r 2 ；c o s 可见，在同步带传动过程中，因多边效应引起同步带线速度变化而产 生了惯性载荷e = m “，从而使同步带产生横向和纵向的加速度，进一步 产生横向和纵向振动。 平带运转试验表明：平带运转平稳，振幅基本为零。证明同步带的振 动是由其本身的几何特性和运动特性( 多边效应) 引起的。 4 2 正时同步带传动机构横向振动分析 由同步带传动特性可知，同步带在传动过程中有横向和纵向的振动。 在发动机正时传动机构没计过程中，同步带的横向振动是影晌传动可靠性 的主要因素。所以，这里主要对其横向振动进行分析研究。 4 2 1 同步带横向振动系统运动方程式的建立 正时同步带传动过程中，同步带以一定的张紧力套在两同步带轮上， 而带又具有一定的弹性。所以，正时同步带传动的横向振动类似于弦振动。 但是，由于同步带横截面上有强力层的作用，使带又具有一定的抗弯刚度。 所以同步带传动的横向振动又具有一定的相似性。现在以横向振动时的平 衡位置为x 轴，以同步带与同步带轮节圆的切点为坐标原点，建立如图 2 7 太辱理1 ：大学硕士研究生学位论文 4 4 的坐标系x 缈来对同步带的横向振动进行分析。 图4 4同步带传动的横向振动模型 设r 为i 司步带的张紧力( 相对于每一传动段，为常数) ，p 为i 司步带 单位长度的质量( p ：勾嚣数) ，日为同步带截面抗弯刚度( 同一类型的同 步带口为常数) 。假设同步带的一侧受激励作用后，发生自由振动，在距 圆点距离为x 处截耿一长度为出的微段来进行分析。如图4 4 所示，在此 小段的两端面上作用有剪力( ) 、q d q ，弯矩m 、m + 捌及张力丁，分 别列出其在y 方向及绕箕左截面中点。的平衡方程： q c 。s p ( 工，f ) 一( q + ! 呈矗o c 。s ( x + 出，f ) + 似 一 ( 4 9 ) 蹦n 吣+ 蜘) 一心似u ) = 肚警 ( m + 掣出) 一肘一( q + 挈出) 出：o ( 4 1 0 ) 因为是微小振动，所以有： s i n 口 ，r ) 。掣鲨 ( 4 1 1 ) 矾鲑 。彩 们最 太原理 ：大学硕士研究生学位论文 ( 4 1 8 ) 由于同步带上各点为同步运动，则有 _ y ( x ，f ) = 】，( x ) 7 ( i ) ( 4 一1 9 ) 式中l ，( x ) 确定整条同步带( 单指各振动段) 在空间的形状，与时间 无关；而7 7 ( ，) 确定同步带上各点的位移随时间的变化规律，与空间坐标无 关。代入方程( 4 一1 7 ) ，同时进行变量分离( 同时方程式两边除以j ，( x ) 刁( f ) ) ， 得： 日竺+ 丁! ：口卫( 4 2 0 ) ，y ” 上式左边仅为空间坐标) ：的函数，而右边则为时间，的函数，左右两 边要相等，只有一种可能，即两边均等于某常数。又由于( 4 2 0 ) 同时包 含了弦和梁的信息，所以可设： j ，( 钔 = 】， 埘溉敲釉蝴斛 等= 学= 。 y ( o ，) = y ( 三，f ) = o 】，2 l 了一 此时满足弦的边界条件 ；：暑三： 解得( 1 4 ) 、( 1 5 ) 两式共同的特征函数 ( 4 2 1 ) ( 4 2 2 ) 太原理工大学硕士研究生学位论文 _ c s i n 罕 ( 删、2 、3 )2 3 ) 分别对应的固定值丑= ( ”必) 4 ，= ( ”) 2 。所以如果取 y ( z ) = 匕( x ) ，代八( 1 3 ) 甲，口j 得： 叩v ，+ 等( 警) 4 + 吾( 等) 2 们，= 。 c 4 埘， 记：织2 = 等( 等 4 + 吾( 等) 2 为静态时同步带横向振动的n 阶自振频率： 胖”詹( 警) 2 为静撕阶简支梁的劓颁率； 铲挣等为静态时”阶弦的自振频率。 即有： q 2 = 詈( 警) 4 + 吾( 等) 2 = 纵2 + q ：2 c 4 彩， 方程( 4 2 4 ) 化简为： ，7 ( f ) + 钛2 叩( f ) = 0 ( 4 2 6 ) 解该运动方程得： 刁。0 ) = 彳。c o s 国。，+ 只s i n i 织， ( 4 2 7 ) 式中：4 。，玩为与阶数有关的常数； 根据解的叠加原理运动方程( 4 1 7 ) 的通解为： y ( x ，) = 艺( 爿。c 。s 啦，+ 鼠s 址q r ) s i n 罕 ( 4 2 8 3 l 太原理工大学硕士研究生学位论文 从式( 4 2 5 ) 中可知，同步带的横向自由振动是简支梁自由振动与弦自由 振动的组合。正时同步带【：作时，同步带的横向自振频率与其长度、张力、 材质及质量有关。 4 34 6 9 0 汽油机正时同步带张力的分析计算 由上面分析知道：同步带的横向自振频率与同步带的张力有关，所以 应该对正时同步带张力i 封行分析计算，而同步带工作时，其拉力受气门凸 轮机构运动和配气相位的影响。气门凸轮机构运动分析过程较为复杂，是 本次研究的难点的之一。 4 3 1 正时同步带静止时张力的确定 如果正时同步带静止，则在整根带上的张力处处相等，并且都等于预 紧力。适当的张紧力是保证同步带传动正常工作的重要因素。预紧力不足， 传动不能正常工作，降低了传动的工作能力和效率，加剧了传动带工作面 的磨损，同步带还将因啮台不良而跳出齿，甚至掉带；预紧力过大，会使 带的寿命降低，轴和轴承上的载荷加大，并影响轴承的寿命。预紧力的大 小决定于同步带的齿形、带宽以及同步带类型。 表4 一il 型同步带不同带宽所需的预紧力f t a h 4 1t h ep r e t i 9 1 1 t e n i ：gf l r ( ：e i t h ( 1 e f e r e n tw j d t ho ft h elt i m n gb e l t 带宽( m m ) 1 2 ：71 9 12 5 4 最大值，n 7 6 51 2 4 5 51 7 4 5 推荐值，nj l ，9 8 8 7 2 81 2 2 5 9 4 6 9 q 汽油机正时同步带宽乱= 2 5 4 m m ( 设计过程见第五章) ，所以取 预紧力f = 1 2 2 5 9 n ( 由于z a 型同步带的尺寸和工业用l 型正时同步带 太原理工大学硕士研究生学位论文 相同，所以参考l 型同步带的参数进行设计) 。 4 3 2 正时同步带工作拉力受气门凸轮机构影响的分析计算 正时同步带传动的主要作用是驱动气门凸轮机构可靠工作。即通过同 步带驱动同步带轮，同步带轮带动凸轮轴，由凸轮轴来驱动气门弹簧组工 作，完成发动机的换气过程。因此，驱动进、排气门工作所需的同步带拉 力将直接受到进、排气凸轮型线及配气相位的影响。 在分析气门凸轮机构对正时同步带工作拉力的影响过程中，首先应该 对单组气门弹簧工作时，同步带拉力变化进行分析；再按配气相位进行全 部气门弹簧工作对同步带拉力的影响分析。 由于凸轮轴和液压挺杆表面之间有润滑油，摩擦系数仅为o o l ，所以， 在分析配气机构对同步带工作拉力的影响时，暂不考虑摩擦力的影响。 1 ) 驱动单组气门弹簧工作时，同步带拉力变化分析 a ) 气门凸轮升程曲线方程拟合 图4 54 6 9 q 汽油机凸轮升程 f i g 4 5 t h e1 i f t i n gr 且n g eo f4 6 9 qe n g i n e 要分析驱动气门弹簧组工作对同步带拉力的影响，首先应该知道凸轮 升程( 气门开启程度) ，所以对4 6 9 q 汽油机凸轮升程曲线利用多项式方程 进行拟合。 3 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 讧2 2 6 5 4 o 。 由公式( 4 2 5 ) 。捌粥内f 爨糍誊蚓热涟霄捌鲋鞋堑f 铂j 引甄耋：；j 书i ；2 j i ；。1 4 n 奉l j ；髓l 5 l 目j ”x ：1 5 ：自”二目g 目- i 。烈l l i ? 窿孽j 瞄主睾。参鸡距划i 毒嗵；! 二圣矍；墓零瞒i i i 二? 邑i e 靖堕耋垂i 主皇h i l i ； 毫。i ；。i i i i 、晓攀；j ，i j ；蓉| 线及配气相位的影响。 在分析气门凸轮机构对正时同步带工作拉力的影响过程中，首先应该 对单组气门弹簧工作时，同步带拉力变化进行分析；再按配气相位进行全 部气门弹簧工作对同步带拉力的影响分析。 由于凸轮轴和液压挺杆表面之间有润滑油，摩擦系数仅为o o l ，所以， 在分析配气机构对同步带工作拉力的影响时，暂不考虑摩擦力的影响。 1 ) 驱动单组气门弹簧工作时，同步带拉力变化分析 a ) 气门凸轮升程曲线方程拟合 图4 5 4 6 9q 汽油机凸轮升程 f i g 4 5 t h e1 i f t i n gr 且n g eo f4 6 9 qe n g i n e 要分析驱动气门弹簧组工作对同步带拉力的影响，首先应该知道凸轮 升程( 气门开启程度) ，所以对4 6 9 q 汽油机凸轮升程曲线利用多项式方程 进行拟合。 3 3 。 太原理 ：大学硕士研究生学位论文 以第一缸进气凸轮为计算基准，取无因次量声= ( 中哆( 上升阶段) 或万= p 一哆，( 下降阶段_ ) 作为自变量，其中妒为凸轮转角，中为上 升阶段凸轮升程达到最：女：的： 作角；o7 为下将阶段凸轮升程达到最大的 工作角( 对于给定的发动机凸轮轴，中、m 7 是常数，如图4 5 所示。4 6 9 q 汽油机o = 6 r ，巾= 6 6 。：，显然p o ，1 2 7 。 则： ( a ) 第一缸进气凸轮升程拟合方程： 上升阶段( o 。口6 1 0 ) ： = 岛+ c l + c 2 2 + c ；卢6 + c 4 o + c 5 1 2 下降阶段( 6 1 。p 1 2 7 。) ： 五= i + i 万+ i 万2 + i 万6 + i 万”+ 和” ( 4 2 9 ) 其中：c ，( f = l ，2 ，3 ，4 ，5 ) 为：宁程待定系数，为常数。 ( b ) 方程边界条件 升程始点：妒= 0 卢= l ，厅= o ； 最大升程；妒：= 6 l 。，卢= o ， = 7 4 3 2 l ； 升程终点：妒= 1 2 7 。，卢= l ，_ l l = o 。 从4 6 9 q 汽油机凸轮升程曲线可知： 上升阶段：妒= 1 8 。，= 0 7 0 4 9 ， = 2 5 4 6 1 ： 妒= 3 0 。，= o j 0 8 2 ，矗= 4 8 2 6 2 ； 尹= 4 0 。，z 7 ：0 ：3 4 4 3 ，厅= 6 2 4 3 2 ； 伊= 5 0 。，= o 1 8 3 3 ，厅= 7 1 0 8 8 。 下降阶段： p = 7 6 。，；o 2 1 7 4 ， = 7 0 2 3 l ； 一奎堕里