（机械电子工程专业论文）汽车链的噪声特性及噪声控制技术研究.pdf

权使用规定”，同意长春理1 ：= 大学保留井向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名 导师签名 二马笆 谚i 砷 年月日 摘要 汽车发动机用链传动系统作为链传动的一种重要模式具备了链传动结构紧凑、 可靠性高、耐磨性好等诸多优点，得到了广泛的使用。但是汽车链多在高速、多冲以 及速度与载荷交变的环境下工作，其传递的功率和转速也己远远超出了相同型号的普 通链条的额定值，因此汽车链传动系统的设计方法应不同于普通链传动的设计方法 汽车链的失效形式和失效判定也与普通链传动系统不同。而噪声作为影响汽车链乃至 整车高速性能的重要指标之一成为行业亟待解决的关键技术。开展汽车链的噪声特 性及噪声控制技术研究，对提高汽车链系统的整体设计水平有着重要意义。 本文首先通过常用汽车旋动机滚子链和新型h y v o 齿形链为对象利用理论研究 汽车链在几何参数相同和几何参数不相同情况下工作特性详细分析了滚子链在几何参 数相同时安装相位角为同相位和不同相位的区别以及链轮几何参数不相同传递特性分 析相位角的区别。 其次在动力学、振动力学和噪声学的基础k ，通过对汽车链( 滚子链和新型h y v o 齿形链) 的噪声试验，寻求减小其传动噪声的设计方法。 撂后，论文通过研究汽车链的噪声产生机理得出汽车链的噪声控制技术，提出 四种方案分别是改变链轮的结构、改进链条结构、安装阻尼器和张紧器、采用艰相 传动四种办法。 关键词：汽车链失效形式噪声双向传动 a b s t r a c t t h ec h a i nr o t a t i o ns y s t e mo fa u t o m o b i l ee n g i n ei su s e dw i d e l yw i t hm a n ym e r i t s ，s u c h a st e n s es t r u c t u r e ，h i g h r e l i a b i l i t ya n dw e r i r e s i s t a n c ea n ds oo nh o w e v e r t h ea u t o m o b i l e c h a i n w o r k s m o s tu n d e r t h ee n v i r o n m e n to f t h eh i g h s p e e d a l t e r n a t i n go fs p e e da n d l o a d i t s p o w e ra n ds p e e de x c e e d st h er a t i n go f t h ec o i n m o nc h a i nv d t ht h es a m ep a r e r nt h e r e f o r e t h ed e s i g nm e t h o do f a u t o m o b i l ec h a i ns h o u l db ed i f f e r e n tf r o mt h ec o m m o no n ea sw e l la s t h ef a i l m - em o d ea n dd e t e r m i n a t i o nh o w e v e r n o i s ea so n eo f 【 l e1 m p o r t a n tj n d i c a t u r sw h i c h i n f l u e n c e st h ea u t u m o b d ec h a i ne v e nt h eh i g h - s p e e df o n c t i o no ft h eu h o l ea u t o m o b i l e b e c o m e st h ek e yt e c h n o o v , h i c hn e e d st ob es o l v e d s t a r t i n gt h er e s e a r c ho fn o i s e c h a r a c t e r i s t i c sa n dn o i s ec o n t r o lt e c h n o l o g y o fa u t o m o b i l ec h a i ni sm e a n i n g f u lt oi m p r o v e t h ew h o l ed e s i g n1 e v e lo f a u t o m o b i l ec h a i n f i r s ty , t h i sp a p e rt a k e sc o l i l i n o na u t o m o b i l ee n g i n er o l l e rc h a i na n df l e wh y - v os i l e n t c h a i na sa l lo b j e c t u s e st h e o r y t or e s e a r c ht h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so f a u t o m o b i l ec h a i n u n d e rt h es a m eo rd i f i e r e n tg e o m e t r l cp a r a m e t e r si ta n a l v z e s1 nd e t a i l st h ed i f i e f e n c e s b e t w e e nt h es a m ep h r a s ea n dd i f f e r e n tp h r a s e sw h e nt h ed a m p e ri n s t a l l sp h r a s ea n g l eu n d e r t h es a m eg e o m e t r i cp a r a m e t e r si ta l s oa n a l y z e st h ed i f f e r e n c e so f p h r & s eu n d e rt h ed i f f e r e n t g e o m e t r i cp a r a m e t e r s s e c o n d o nt h eb a s i so fd y n a m i c s m e c h a n i c a lv i b r a t i o na n dn o i s es t u d i e s t h r o u g h t h en o i s et e s to fa u t o m o b i l ec h a i n ( r o l l e rc h a i na n dn e wh y v os i l e n tc h a i n ) i ts e e k st h e d e s i g nm e t h o dt or e d u c et h en o i s e f i n a l l y b y r e s e a r c h i n gt h eg e n e r a t i n gm e c h a n i s mo f a u t o m o b i l ec h a i nn o i s e t h i sp a p e r o b t a i n si t sc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dp u t sf o r w a r df o u rp r o p o s a l s ：t oc h a n g et h es t r u c t u r eo f t h e c h a i nw h e e l ：t oi m p r o v et h es t r u c t u r eo ft h ec h a i n ：t oi n s t a l lt h ed a m p e ra n dt e n s i o n e r ：t o a d o p tb i - d i r e c t i o n a lr o t a t i o n k e 3 o r d s ：a u t o m o b i l ec h a i n f a i l u r em o d en o i s e b i d i r e c t i o n a lr o t a t i o n 摘要 a b s t 鼬c t 目录 第一章绪论 11 本课题研究意义 1 2 国内外研究发展的现状与趋势 i2 1 汽车链失效机理的现状 l22 链传动制造技术发展现状 i 2 3 汽车链产品应用现状 1 3 主要研究内容一 第二章汽车链的工作特性分析 21 汽车链工作特性 211 滚子链 21 2 齿型链 目录 2 2 汽车链工作特性分析 22 】链轮几何参数相同传递特性分析 22 2 链轮几何参数不相同传递特性分析 第三章汽车链的噪声试验及分析 31 噪声的理论基础 3 1 _ 】噪声参数 3 12 噪声测量 3 13 噪声信号处理 32 汽车链噪声试验 32 1 试验仪器及设备 322 滚子链的噪声试验及分析 3 3 新型h v v o 齿形链的噪声试验及分析 3 3 1 噪声测试结果及分析 332 测量结果分析 第四章汽车链的噪声控制技术 4l 汽车链噪声产生机理 42 汽车链噪声的控制技术 421 改变链轮的结构 4 22 改进链条结构 4 23 安装阻尼器和张紧器， 4 24 采用双相传动 第五童结论与展望 致谢 参考文献 ，0：?巧墙o o o o加m纠龃肌艘弱鹊躲鲫踮硒盯弘弘帅驰北蛎柏钉 第一章绪论 i 1 本课题研究意义 汽车发动机的_ l f 时系统、机油泵系统等广泛使用链传动、带传动、齿轮传动等传 动形式，如图1i 所示为齿形带的f 时系统。正时系统的另一个作用是完成气门可变 的开启时间发动机正时系统工作配气角度如图12 所示。早期的汽车发动机正时系统 是采用齿轮为正时传动的，后柬采用橡胶的f 时齿形带传动。难时齿形带的传动特点 有重量轻、成本低、使用方便、价格低廉、维修快捷等因此被广泛应用。 正时齿形带是发动机正时系统中一个非常重要的部件，需要专业人员定期检查其 是否出现了损坏、磨损或松动现象如有损伤、缺陷而未做及时处理最终将会导致 发动机的严重损坏。用来制作正时齿形带的橡胶材料的强度要远比金属材料的强度低， 在工作中由于正时齿形带要承受巨大扭矩和扭曲而很容易导致齿形带破裂、局部挤拉 伸过度、甚至还会出现裂纹甚至导致断裂。在正时齿形带问世的时候，许多人认为金 属制的正时链条在强度、唰久性及运转精确性方面要远远优于正时齿形带，有些专家 认为，当时的_ f 时齿形带只能是一种产品的临时过渡井且还会出现逐渐减少的局面。 但在当时，由于链条在一些方面的h i 足橡胶制品的新技术创造了强度更高、并且持 久耐用的正时齿形带，而其成本只是当时f 时链条的一小部分。因此在相当长的时间 内正时齿形带得到了较为广泛的应用。 齿形带主要的问题是：f 常的磨损比较快、浆性变形较大、横向尺寸较大、耐高 温性较差等；齿轮传动的主要问题是：重量大、不适用大距离传动、占有的空间太， 多数传动受煨制等问题。正是由于上述的原因和局限性而导致了正时齿形带和齿轮正 时系统的使用受到了极大的限制，而随着链条工艺的改进和链条传动技术的快速发展。 正时链条越来越多的替代了正时齿形带和齿轮传动o 】。 圈1i 正时齿形带传动系统旧】2 发动机正时系统j = 作配气示意例 链条产品是一种关系到蝈计民生的量大面广的重要机械传动基础件【3 “，新型汽车 发动机越来越广泛地应用了正时链、机油泵链、平衡轴链。在汽车生产行业的技术指 标中，噪声同益成为一个不可忽视的可题。噪声不仅困扰着驾驶者的神经，它的出现 同时也意味着能量的内耗和零部件的磨损甚至直接从噪声的大小就可以判定出车的 档放和工艺水平。早在应用链传动的初期，链传动的噪声产生和控制等问题就是所有 专家、学者一直研究的重点，所以先后出现丁一些噪声相对较小的链条，像齿形链和 h v 链等相对于滚子链条柬说齿形链噪声要小很多，困而称为“无声链”。但相比之 下，壤予链成熟的设计技术以及成本低廉的优点就更为突出，而且在设有张紧器和阻 尼器之后滚子链与齿形链相比的噪声差异也在减小。因而研究滚子链的噪声及控制 技术就具有极为现实的意义。本文将从滚子链的噪声测量中，研究滚于链噪声产生的 机理，进而提出减小滚子链噪声的方法。 本课题所涉及的学科领域主要有：机械噪声及其控制理论、机械设计及理论，机 械制造技术、摩擦学、声学等。 12 国内外研究发展的现状与趋势 作为重要机械传动之一的链传动，它是一种具有中间挠性件非共轭啮台的传动， 并且还有带传动及齿轮传动的部分特点( 即传动力大、效率高、传动比准确、使用可 靠、成本低廉、维修方便以及寿命长等优点) ，在较恶劣的情况下葚也能正常的使用， 所以它能广泛地应用于石油、汽车船舶、起重运输、农业、印刷、采矿、纺织、化工、 冶金等各种机械动力传动行业中。由于链传动技术的飞速发展且链条产品设计和制造 水平也不断地提高，致使当自滚子链结构技术已几趋完善，用途也不断拓宽。从h 常 生活中的办公机械、复印机等，到工作中的机床、汽车、印刷机械、工程机械乃至万 吨巨轮等，可以说其已经应用于国民经济中的各j 亍各业中。链条产品不但应用到许许 多多主机产品的配套、维修、主机产品升级换代，而且还关系到引进为数众多的机械 装备能否完成配件供应和发挥性能。它的生产即涉及到工业部门的各行业，又和人民 的生活息恳相关。 1 2 1 汽车链失效机理的现状 现在，关于汽车链失效机理研究，在外国还没有详细的资料。但是近些年来我国吉 林大学链传动研究所率先启动了汽车链失效机理的研究，并取得丁阶段性成果”l 。其主 要研究汽车链在一定工况下的销轴，磨损机制以及套简零件的磨损表面的形貌，并详 细探讨了汽车链中各元件的循环硬化及循环软化的特点。初步的研究了汽车链滚子和 套筒零件在高速、变速工况下的多冲疲劳抗力为系统、全面、深入地研究汽车发动 机正时链的失效机理打下了坚实基础。 1 2 2 链传动制造技术发展现状 圈外有关滚子链的设计理论和方法，仅仅用于普通套筒链和滚子链，我国关于汽 车链设计与制造技术的系统研究也刚刚起步。目前为止关于常规滚子链的制造技术 现状主要表现在以下几个方面： 由于各种低碳及优质台盒钢等材料己得到了广泛的应用，使滚子链材质的改进 有了较大的发展，现阶段采用这些材料而生产链条的强度以达到欧美和日本标准的平 均破断负荷。纳米材料在未来几年内预计也将应用于链条行业。 以采用氮气( 或氯氢混舍气) 保护的罩式炉退及先进、快速的连轧和连拉技术来淘 汰落后的煤蝠炉退火方式。 在现有基础上提高整链和零件的制造水平，加快最新的高遽、精密制链专机 的开发与研制：加快链板高速冲孔及销轴高速切断模具销轴超级抛光、硬质合金化、 m r p 预弯法和套筒采用比勒机最优加工、高速链条滚子先进卷制法的生产、大规格链 条机械装配等新工艺、新技术的研究与) 1 = 发；广泛应用和推广国内外的先进工艺技术 及高教精密的工装专机。这其中链板进级式高速冲载和多颗落料工艺在行业中已经取 得了主导的地位。中大规格链板或修孔，或钢球挤孔或二次冲i l ，且后两种都是世 界先进水平。在套筒加工中大规格多用无缝管而中小规格采用卷制，最优洁为比勒 机和m r p 预弯法，重要链条套筒也可用冷挤压方法制造。 广泛采用可控气氛淬火和碳氯共渗、丙烷气渗碳等新技术用以提高热处理技术 水平：为减少对转炉的依赖，厚渗层产品经箱式多用炉或气体井式炉替代：为缓和碳 浓度梯度，改善脆性以硬度梯度取代碳浓度梯度测定；水剂取代油淬火以减少污染。 提高链条检测手段，齐全链条测试设备，注重链条的疲劳试验和汽车、摩托车 时规链的高速磨损试验”m 。 日前滚子链系列产品的多元化趋势满足了市场需求的不断变化。汽车发动机j 下时 链、汽车发动机平衡链、汽车精密滚子链的研制成功填补了我国的空白，并且这些产 品有设计合理、制造技术先进的优点：为满足矿山冶金、机械行业等输送量太且平稳 要求较高的行业采用特殊铆接方法使外链板与销轴连接牢固的挖掘机链条以提高了挖 掘机的使用寿命：设计出了较好的耐磨性能、噪声低的高速变速链条系列产品：出现 了应用于岩石钻探、石场、矿山等领域的疲劳和抗冲击的重载链系列产品：链条节距 除向大、小节距两端延伸外，还在小节距范围内插入丁新的节距使小节距分布紧密t 更适用于不同工矿的传动；在尺寸相同的条件下，衍生出一系列不同疲劳强度、不同 拉仲强度甚至不同磨损性能的变异产品，出现了耐高温、耐腐蚀、耐强力磨损的系列 产品用于服役工况方面。 现在，链传动技术的发展已经朝着维修时间少，可靠性更高、工作寿命更长的方 向发展，并在某些新的领域中丌拓前进，取得了重大进展h 。 123 汽车链产品应用现状 近年来，链传动技术在不断完善，众多的新技术、新材料不断涌现，耐高温、高 精度、高强度、低噪声等已构成了其主要特点而且由此派生出来的品种规格越来越 多，呈现了一种良好的发展势头，构成了新的发展趋势产业链。链传动以其结构紧凑、 良好的耐磨性和可靠性高等特点显示了广阔的应用前景。目前，国外汽车链传动产品 生产厂商主要有德国i w i s 、美国m o r s e 、英国r e n o l d 、日本椿本、d i d 等公司i “q 。 国内企业主要有浙江湖州取狮链传动有限公司( 湖卅l 求精汽车链传动有限公司) 、杭 州东华链条集团公司、青岛征和工业有限公司、深圳桂盟等。 ( 1 ) 国外研究现状 链传动技术在圆外应用非常广泛德国i w i s 公司多生产滚珠链。有0 4 b - 3 2 b 的 单排、双排、三排链。产品广泛应用于汽车引擎、纸张制造机及印刷机械，包装设备 和食品制造业，输送机及相关行业制罐及制桶工业等现代化生产线。英国r e n o l d 公司 生产各种用途的链条联轴器和减速机等动力传动产品。产品广泛应用于建材、矿山、 港口机械电力、起重机械、轻工，化工及环保行业。 以汽车_ f 时链系统为例，美国产的克莱斯勒的发动机有几十种都采用正时链系统 也还有部分汽车菠动机保留了齿轮正时系统的传动方式 目前的福特汽车多采用正时 链传动系统及三轴的正时链传动方式：很多品牌车( 如林肯、剐克、卡迪拉克等) 的 发动机正时链都基本采用滚子链：大功率车( 沃尔沃、路虎、大众、菲亚特、宝马、 欧宝、标志、美洲虎，阿尔法罗米欧、绅宝、雷诺、斯柯达、雪铁龙等) 的发动机一 般都采用多级链传动证时系统。在亚洲正时链传动系统应用于日本的日产、铃木、丰 田、三菱、马白选还有韩国双龙、大宇等车型，不但在汽油发动机中应用而且包括柴 油机也采用正时链、共轨泵链等传动系统。 亚洲的开本也是把链传动应用在汽车发动机上较早的国家之一。在发动机的正时 系统中应用滚子链可以追溯到上世纪的五六十年代由英国希尔曼和奥斯汀两种品牌 汽车开始的。就是从那个时起，日本的有关学者和专家就大量引进外国技术的同时还 智力于研究将滚子链用于高速、变载以及承受多次冲击的自动机械【f 1 的应用特性以_ 及 其改进技术。当时主要研究的问题是滚子链在高速下的振动稳定性、耐久性咀及耐磨 性，并从润滑和结构等方面着手提出了减小噪声的措施。同时，也由于其在润滑系统 的完善、加工精度的提高和生产技术上的进步，致使日本生产的链条产品的噪声和振 动大幅度的减少。 在汽车噪音方面，澳大利亚s o p o u e h m 等人详细的研究了小型汽车发动机中正时 链系统中的链传动的自激励产生的振动及噪音问题用模拟仿真将链条离散成小的质 点来分析正时链系统在不同频率下由于振动产生的噪音并建立数学模型来揭示不同 的高低频率的交变力之间的交互影响，以期使发动机达到更好的工作状态，最小的链 传动工作噪音”。 ( 2 ) 国内研究现状 链条在我国应用的很早。但这些年由于经济和技术的落后，使我国链条产品的研 究和发展受到极大的限制。国内链条在很多方面与工业旋达国家存在巨大的差距，即 耐久、耐磨及可靠性上都很难满足新型产品要求，而对在特殊条件下如高温、高速、 剧烈冲击、强腐蚀、强磨损等情况时所需要的特种链条正处于研制中。最近几年，因 为国内汽车产业飞速发展和市场的大量需求我国的一些生产链条的企业相继从链条 发达国家引进了部分先进技术，这样不仅扩大了产品的数量、提高产品质量并为在学 习国外技术基础的同时开发我国的链条打下了扎实的基础。随着汽车行业发展的日益 壮大，对链条的需求也日益增加因此，我国已经由生产链条的大国向链条生产强国 转变。走具有本行业特色的新型工业化道路，这是今后一段时期中国链条行业发展的 主攻方向陋”】。 汽车重要传动元件之一的正时链，不管是配套，还是维修，都对产品性能和质量 要求很高。与此同时，随着汽车新产品的出现对正时链的品种、规格要求也越束越 多。 浙江湖州双狮链传动有限公司是生产汽车、摩托车用链和各种规格的工业、农机 链条的专业公司，是国内最大的链条专业生产企业之一。公司以主要生产农用滚子链、 齿形链、联合收割机用链条、套简链、s 型和c 型锢制滚子链为主。该公司生产的锐 狮牌摩托车发动机正时链包括套筒链和齿形链两种，其中谁时用齿形链节距为 63 5 m m ，规格有5 片、7 片、8 片和9 片，1 1 片、1 3 片六种组台按q r s 2 0 1 ( 企标) 组织生产。该齿形链具有传动平稳、无噪声、耐磨损、可靠性高等特点，适用于高速 或运动精度要求高的传动。杭州东华链条集团公司是一家全面为用户提供优质链象、 链轮、联轴器、减速机及各种传动解决方案的企业，以各类o e m 系列链轮、同步链轮、 取节距链轮为主。 1 3 主要研究内容 为了提高国产滚子链的高速性能。基于汽车链的工作特性和失效形式，本文主要 从以下四个方面入手提出符合实际汽车链系统的高速特性及其关键的设计参数。 ( 1 ) 通过以常用的汽车发动机滚子链和新型h y - v o 齿形链为对象，利用理论研究汽 车链在几何参数相同和几何参数不相同情况下工作特性： ( 2 ) 研究汽车链( 滚子链和新型h y v o 齿形链) 的噪声试验，寻求减小其传动噪 声的设计方法： ( 3 ) 研究汽车链噪声产生机理，提出不附情况下汽车链的噪声的控制技术。 ( 4 ) 探讨汽车链如何降噪的四种控制技术，即改变链轮的结构、改进链条结构、安 装阻尼器和张紧器、采用双相传动。 第二章汽车链的工作特性分析 2 1 汽车链工作特性 2 1 1 滚子链 链传动是一种具有中间挠性件的啮合传动，由于它具有结构简单、紧凑、尺寸小、 传动功率大、传动效率高、可靠性高、传动比较准确、适台大中心距传动、适应性强 并且易于维修保养等特点同时叉具有正时齿形带的一些优点，因此在汽车发动机正 时系统中得到了广泛的直用。滚于链是多个链节以自身铰链副连接起来的，它整体显 现为柔性而局部以单个链节叉显示为刚性，山于其显著特点目前多应用于汽车发动机 产业二；己称为汽车链。不仅在汽车行业发动机正时系统、机油泵传动十使用，在摩托 车、石油钻机、矿山机械、起重机的叉车、化工、纺织机械、冶盒、造纸、印刷、医 疗机械及各种农机上都有链传动的广泛应用，尤其是在批量大的定型产品自动化连续 生产输送线上更有大量的链传动应用。由于链传动技术的不断发展目| j 寸的链传动的传 递功率能力可从o1 到几百千瓦。传动效率可达9 8 ，线速度甚至超过4 0 米秒，传动 比达到1 0 左右正常工作寿命能够选到1 5 0 0 0 小时。 汽车用的机油泵链、驱动链、平衡链和正时链的基本结构与标准短节距精密滚子 链相同，也是由套简销轴、内链板、滚子、以及外链板组成。汽车滚子链的结构如图 21 所示，其基本尺寸参见表2 - 1 。 滚子链基本r 寸表2 节距排距 f n 缸楹 铺“整链外链节 # 链号 ”* 自自直径高度内贺长噬 p i m m i 尸r d 。、h i 。d m h 一 ，。6 。 0 5 一1856 54630 57 682 51 23 5 0 6 一i95 2 563 557 232 88 j96 5 39 0 6 口r l95 2 563 557 132 88 286 61 25 0 6 口r 一295 2 5 1 0 2 4 63 557 232 88 2 1 89 2 29 6 正时链是发动机内部从曲轴到凸轮轴的传动链，用于完成发动机活塞行程与排汽时间 的严格配台，在闭式油池润滑条件下工作，转速高达每分钟5 0 0 0 转以上，对链条的性能 和磨损有较大的影响。因而对整链在精度、耐磨性、平稳性都有很高的要求，每个链 节中心距的精度平均公差要求在00 1 4 m m 范围内，对整链总长精度要求超过i s o 精密 滚子链链总长精度n 节f 0i s 标准，其整链总精度要求控制在n 节+ o1 2 5 。 普通滚子链在中速和低速区工作情况比较好，但在高速区工作时，由于滚子和套 简的高速冲击而疲劳破坏、铰链副胶合使链条在高速区无法可靠地工作或过早的失 效。 高速滚子链制造过程中，在遵循从设计、制造、润滑等方面在经济性原则的条件 下，尽量使生产的高速链在商速区能够可靠的二l 作| j “。 有关试验结果表明目| i i 研制出的高速链工作寿命已达到了设计要求。采用喷丸工 艺的费用使滚子的成本有所增加，但成本的提高可大幅度提高高速磕的使用寿命。如 果按大批量生产计算，高速链的成本比普通链高2 0 左右而工作寿命成倍增加，因 而是经济合理的。用在汽车生产中其相对的成本虽然增加，但实际在汽车行业中高 速链的成本提高并不意味着成本的支出困难，同时其寿命长的优势足可以使汽车链产 品在越来越多的技动机上取代了正时齿形带传动和正时齿轮传动。 7 2 i 2 齿型链 齿形链是一种应用广泛的链传动形式按结构形式通常分为两大类：圆销式齿形 链和滚销式齿形链( 当链轮齿形为渐开线时，亦称为变节距的h y - v o 链) 。齿形链的典 型结构如图22 所示，其各部分尺寸见表2 2 所示。按照啮合机制的不同，又可分为外 啮台、内啮合和内- 外复合啮合三种。与齿轮的内、外啮合定义不同，齿轮的外啮台指 链轮的轮齿与齿形链工作链板外侧直线齿廓啮合接触荩特点是：链板的工作边是外 侧直线齿廓，啮合时定位比较稳定，但由于岵台定位是在瞬时完成的，因而多边形效 应较严重，冲击、振动、噪声较大，磨损较严重，但定位相对稳定。而内啮合齿形链 是工作链板以内侧齿廓与链轮齿接触的齿形链，其特点是：链板的工作边是内侧外凸 荫廓【1 9 - 2 0 i 。从链轮的端面上看，链轮的轮齿与工作边是点接触，而且接触的点是移动 的由于接触的部分存在较大的相对滑动，接姓面积又较小，所以链轮工作齿面与链 板工作边磨损较大；但由于减少了链条多边形效应中的横向跳动，因而振动减轻，传 动平稳。但由于内啮合齿形链最后的定位是以内侧的齿廓与链轮的轮齿接触定位的 所以定位不稳定。而内外复合啮合的齿形链就兼有内、外啮合机制的优点特别适用 于高速且变速、变载的复杂工况，可以从根本上提高齿形链的高速传动性能1 2 1 - 2 3 。 国内外已经出版了很多有关齿轮啮合原理的专著和文章。在进行齿形链啮台设计 时，虽然有些公式能参考借鉴，但由于齿形链与链轮的啮合定位状卷及其刚一柔传动系 统不同于齿轮传动，囡而齿轮咕台原理厦其设计方法并不适用于齿形链传动系统。所 以一定要研究链轮与齿形链特有的啮合机理，从而得出适用于不同设计方法。 但对于h y v o 齿形链如果所有链节均为内矽 复合啮台机制而且不采取特殊的 设计方法，则会因为非圆异形销在对滚时所产生变节距功能及其链节间数值的积累特 性，而致使部分链节工作的链板与链轮的轮齿产生啮台干涉。 幽2 2 齿形链的结构图 8 表2 - 2 齿形链的荐部分名称及尺寸参数单位：m m 齿形链导扳链讧销轴直释销轴尘宽 链扳厚度 链扳高度 扎心南度 系训 1 7 距p片数纽台r 内宽b 。d 2 。l m th ： 4 5 业5 刈 25j229 5 5 3x 427 8135 l5 4 x 427 8135 15 3 x 435 8156 18 4 x 535 8l j49 7 5 x 439 215 347 0 i 内外复台啮合链节2 外啮台链口 凹2 3 新型齿形链结构示意圉 目前，国内外广泛应用的是外啮台h y - v o 齿形链【“i 。而内外复合啮合的h y v o 链的设计方法还在试验应用研究阶段，但可以预测内一外复台啮合的h y - v o 齿形链必将 得到广泛应用而基于双相传动的齿形链传动也将成为链传动理论研究的重要组成部 分。 2 2 汽车链工作特性分析 链传动是以链条作为中问挠性件并通过链条链节与链轮的啮合进行传动，在传动 过程中由于链传动系统固有的多边形效应使得链条与链轮在啮入过程中呈现交替的 相切和相割现象，同时链条与链轮的啮入和分离垃程均是在某一点瞬时完成的，这些 都将引起在传动过程中链轮的实际转动半径旮勺变化以及链条中心线的转动，从而导致 丁在传动过程中的角速度的波动。 在链传动系统中，链传动的运动学特性主要受链轮的几何参数和链传动系统的结 构参数影响，链轮的几何参数主要包括：链轮的分度圆直径、齿根圆直径、齿顶圆直 径、链轮分度圆节距、链轮作用角等，链传动系统的结构参数：两链轮中心距距离、 两链轮初始安装的相 芝角，以及阻尼导链板和张紧导板的轮廓和安装位鹭等。为了具 体分析某个参数对链传动运动学特性的影响，进行简化，考虑的参数主要包括：链轮 的齿数、链条的节距、两链轮中心距以及两链轮_ | 5 u 始安装的相位角。 9 一“2 m 。p 图2 4 同相位同参数f 传动分析示意图 主动链轮上链条铰接沿链条中心线方向的速度k 1 = 1 c o s ( rt ) = o j l lc 0 s 啦) 主动链轮上链条铰接在垂直于链条中心线方向的速度k l k l = c 0 1 5 s i n ( y 1 ) = l r l s i n ( a ) ( 2 2 ) 从动链轮上链条铰接n 沿链条中心线方向的速度f o i ：! = ：c o s ( y ：) = ，c o s ( 1 3 f 2 一 从动链轮上链条铰接n 在垂直于链条中心线方向的速度 ，= c o m s i d “2 ) = c o ：r 2 s i n ( j ) ( 2 _ 4 ) 式中：l 、7 ：为主从链轮的分度圆半径。n 、口为链条在传动过程中链节铰链与主 从链轮啮台点的相位角其变化范围均为 - 1 8 0 z 1 8 0 z l t 1 0 在链传动过程中，假设链条的m n 段是张紧且刚性的即不考虑横向振动以及弹性 变形的影响，可知，在整个传动过程中，链条的中心线始终与初始安装的链条中心线 是平行的，即y ，= ”，a , a ，且链条铰接质心在a 、处时沿链条中心线方向的速度相 等，即： l c o s ( ) = 2 c o s ( p ) s i n l 8 0 0 c o s ( d ) ：i 三! ! 譬；，； 岛 ( 2 5 )。2 2 葛磊i 两。s i n l 8 0 。c o s ( , b m 一 ) 。 2 5 式中：z 。= ”一_ 缶，得到：r l = r 2 ：a = f 2 5 1 1 1 一 所以：l = 叻 此时，从动链轮角速度不均匀系数为零。 在上述传动情况下，传递过程中从动链轮角速度始终保持恒定即角速度不均匀系 数为零，是链传动中最为理想的传动方式即一同步传动”。但在实际工作中。紧边链条 由于链传动固有的多边形效应以及链条链节与链轮啮入过程中产生的啮入冲击均会使 得链条产生横向和纵向振动，同时链条在经过一段时间的运转之后销轴与套简接触面 均会产生一定的磨损，从而使得链条的节距产生变化。因而理想的同步传动在实际 中并不多见即使在设计的初始设计为同步传动也不能保证在工作一段时间后依然能 维持理想的同步传动状态。 2 2 1 2 初始安装的相位角为非同相位 当主从两链轮的几何参数相同而初始啮合点相位角度不同时其传动比并不能保 持时刻为理想传动比i = z 1 恤= l ，即当主动链轮以均匀角速度l 转动时，从动链轮角速 度存在一定程度上的波动，假定此时两链轮的中心距a 。= m p + a ，初始啮合点相位差 为非零( 可定义为主从链轮的初始啮合点m 轮与从动链轮的初始啮台点的位置不相同 n 与对应的垂线夹角不相等) ，此时主动链 通过调整主从链轮可以调整为如图25 ( a ) 主扶动轮韧始啮合点均在第二象限内和图25 f b ) 主动链轮啮合点在第一象限、从动链轮 啮合点在第二象限两种情况，其中从动链轮韧始啮合点为常规堆低点( 定义为初始啮合 点n 与过从动链轮圆心的垂线央角庐18 0 z ) ，而主动链轮初始啮台点为非常规最低点， 针对此两种情况进行分析。 义为 由于两个链轮中心位于一个水平线上，链条中心线与水平线之间的初始夹角d 可定 s in f6 1 ：j ! 型! ) 二! ! ! ! 盟 m p 两链轮中心距为即 d f j = m p c o s ( 5j r p s i n ( a + s i n ( j 3 两链轮初始啮合点相位角之差为1 3 十d 分析幽25 ( a j 链传动运动特性可得 f 2 - 6 l f 2 7 1 耋i 霎兰l ，= ( 1 ) c o s ( b i 一6 ) ( 2 - 8 ) 主动链轮上链条铰接m 在垂直于链条中心线方向的速度k k 一= ，s i n ( b 【一6 ) ( 2 - 9 ) 从动链轮上链条铰接沿链条中心线方向的速度 一：= ，2c o s ( 旧l 一6 )( 2 1 0 ) 。，：j 型盟二! ) 。+ 一 c o s ( 1 3 8 ) 1 ( 2 1 2 l 在主动链轮旋转过程中，a 与口的角度是随着链条与链轮的啮台点的旋转而变化 的，变化区问均为f 1 8 0 z o 。 分析圈2 - 5 ( b ) 链传动运动特性可得 主动链轮上链条铰接m 沿链条中心线方向的速度k 1 一= 1 c o “bj 十6 )( 2 - 1 3 ) 主动链轮上链条铰接 在垂直于链条中心线方向的速度k f ：一= q 1 5 i n ( 虹卜6 ) 从动链轮上链条铰接n 沿链条中心线方向的速度r n = ：c 0 蚓p 一6 ) 从动链轮上链条铰接n 在垂直于链条中心线方向的速度 二= 二s i n ( 1 1 3j 一6 ) 在分析中同样需要保证质点吖、 处沿链条中心线方向的速度相等 】= f ：! l c o s ( 扛i + 8 ) = ：c o s ( 川一6 j f 2 - 1 4 1 ( 2 - 1 5 ) r 2 - 1 6 1 即： c o s f b i + 6 1 吐2 丢赫q ( 2 - 1 7 ) 在主动链轮旋转过程中口与口的角度是随着链条与链轮的啮合点的旋转而变化 的，其中d 变化区间在 0 ，+ 1 8 0 z 】范围内，卢变化区间在【一1 8 0 z o 范i n 内。 由于链条在传动过程中的啮台点位置是交替变化的，即在如图2 - 5 ( a ) 所示的初始位 置情况下，随着主动链轮的旋转，将会出现主动链轮的啮合点在第一象限，从动链轮 的啮合点在第二象限的情况，随若主动链轮的继续旋转，就有可能出现主动链轮和从 动链轮的啮合点同时在第一象限的情况及主动链轮啮合点在第二象限而从动链轮啮合 点在第一象限的情况。 同样分析可知，如图25 ( b ) 所示的初始位置情况下，同样会经历如上所述的匹| 种情 况，只是经历的顺序不一样。 现对另外的两种情况下运动特性进行分析，其中主动链轮和从动链轮的啮合点均 在第一象限的情况如下固2 6 所示。 d ，3 目2 6 同几何参数下土从链轮啮音点均在第一象限 分析图2 6 链传动运动特性可得 主动链轮上链条铰接m 沿链条中心线方向的速度i ，x l l = i c o s ( h l + 5 ) 主动链轮上链条铰接在垂直于链条中心线方向的速度“- 。= c 0 1 r , s i n ( a i + 5 ) 从动链轮上链条铰接沿链条中心线方向的速度 = 吐 c o s ( 11 3 【+ 6 ) 4 ( 2 - 18 ( 2 1 9 f 2 2 c l 0 。= m d + 崮27 同几何参数r 啮台点分别在第二和第一象限 分析图27 链传动运动特性可得： 主动链轮上链条铰接m 沿链条中心线方向的速度k i - ：l = 1 r lc o s ( b l 一6 )( 2 2 3 主动链轮上链条铰接m 在垂直于链条中心线方向的速度k t i = ，r , s i n ( h c , l 一6j 从动链轮上链条铰接沿链条中心线方向的速度 = ：tc o s ( 1 1 3j + 6 ) 从动链轮上链条铰接在垂直于链条中心线方向的速度i j ： ( 2 2 4 ) f 二2 5 ) = 2 t s m ( 吲+ 6 ) ( 2 2 6 ) 在链传动过程中，质点m 、n 处沿链条中心线方向的速度相等，即： ，= 2 j c o s ( b + 6 ) = 2 屯c o s ( 旧十6 ) 。，：竺氅喜粤q ( 2 - 2 7 ) 吐2 i 萄可面q “ 在传动过程中d 与口的角度是随着链条与链轮的啮合点的旋转而变化的，其中n 变化区间在卜1 8 0 z ，0 范围内，卢变化区间在 0 + 1 8 0 z 】范围内。 在主动链轮以角速度蛳匀速转到的情况下，分析从动链轮的角速度变化情况t 并用丘柬表示角速度不均系数： 耳；生皿二竺血k ：2 里丑生g l( 2 2 8 ) ：2 口x + 2 从动链轮的角速度不均匀系数直接体现链传动系统的传动平稳性。反映了链传动 固有的多边形效应对传动精确的影响目前已有多种方法用柬减弱链传动的多边形效 应的方法，如选用小节距谜条、采用具备交错齿的多挂单排链条以及利用变节距链条 如齿形链中的h y v o 链条等。 2 2 2 链轮几何参数不相同传递特性分析 2 2 2 1 初始安装的相位角为近似同相位 当链传动系统的主动链轮的几何参数不相同时，两链轮的水平中心距a 。= m p 主 从链轮的韧始啮合点相位差相对为零( 主从链轮的初始啮台点m 、n 与对应过链轮圆心 的垂线夹角为一1 8 0 0 ，：，也可定义为主从链轮的初始啮合点m ，n 与对应垂线的夹角 均为零) ，为了便于分析，选取第一种定义方法，呵调整主动链轮和从动链轮的两个初 始啮合点均处于水平位置，此时主从链轮均更换啮合齿，具有较好的传动稳定性。当 主动链轮以等角速度i 匀速转动时，分析如图2 1 8 所示当链条与主从链轮的啮合链节 铰接位于a ，a 位置的运动特性。 6 一旦一一一 脚2 8 不同儿 口参数近似l 司相位情况f 传动分析而恿幽 此时主从链轮在垂直方向的距离6 = c o s ( 1 8 0 。z ) 一c o s ( 1 8 0 。z ) 主动链轮和从动链轮中心距离为a o - - d j + 61 ，主动链轮与从动链轮的扫j 始啮合点 分别为m 与n ，当主动链轮转过一定角度后其啮台点位置为a 点，从动链轮啮台点位 置为a 点，由于主动链轮与从动链轮几何参数不同使得链条中心线与水平线产生了夹 角j ，在继续的旋转过程中可以看到，当主动链轮的啮台点角度d 为霉时，从动链轮的 啮台点角度口已经位于第一象限中，继续旋转，主从啮合点位置则均在第一象限中。 因此可毗把此种啮合传递过程分解为三个阶段： 第一阶段：主从链轮的啮合点位置均在第二象限中，此时从动链轮瞬时角速度为 ”竺掣要讪( 2 - 2 9 ) 吐2 i 面再面讪 第二阶段：主链轮的啮合点位置在第二象限中，从动链轮的啮合点位置在第一象 限中，此时从动链轮瞬时角速度为 ：坐唉尝q ( 2 - 3 0 ) 吡2 i 丽币可q 第三阶段：主从链轮的啮合点位置均在第一象限中此时从动链轮瞬时角速度为 ，：竺竺氅磐q ( 2 剖) 吐2 i 丽q u ”1 2 2 2 2 初始安装的相位角为非近似同相位 当链传动系统的主动链轮的几何参数不相同而且初始安装相位角为非近似同相位 f ，= m p + a ( b ) 土从链轮啮台点分别在在第一# l 第一象限 刚2 9 不同参数不同相位传动初始状态 由于两个链轮轮心不在一个水平线上，设其垂直距离为6 8 6 = c 。s ( 1 2 8 0 ，。) - 6c o s ( 1 2 8 0 ，。) 两个啮台点连线与水平线之i 臼j 的初始夹角为d s i n ( 6 l =! 101 1 墅坚) 二垒! ! 型e ! 妒 两链轮水平中心距离为乩 ( 2 - 3 2 ) f 2 - 3 3 1 口o = m p c o s ( e ) 一 s i n ( o ) + s i n ( b ) ( 2 3 4 ) 两链轮中心距为o o ： a o - a ；- + 矿 ( 2 - 3 5 ) 两链轮初始相位角之差为川+ a 分析如图29 f a ) 运动特性可得，主从链轮的啮合点位置均在第二象限中，此时从动 链轮瞬时角速度为 吐2 i 五前面q 分析如图2 9 c o ) 运动特性可得，当主链轮的啮合点位簧在第 啮合点位置在第二象限中此时从动链轮瞬时角速度为 c o s ( b + 6 )