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摘要：发动机正时链传动系统是发动机的重要组成部分，它连接着曲轴端和凸轮轴端，影响着凸轮轴所关联的气门机构、高压油泵系统能否稳定的工作。本论文主要从正时链传动系统的设计角度出发，分别从正时链系统的选型、layout布局、3D数模设计、2D图纸以及模拟仿真等方面进行阐述，初步描述整个系统的设计步骤。
Abstract： The engine timing chain transmission system is an important part of the engine. It connects the crankshaft end and the camshaft end， and affects the stable operation of the valve mechanism and high-pressure oil pump system associated with the camshaft. This thesis mainly starts from the design perspective of the timing chain transmission system， and elaborates on the timing chain system selection， layout， 3D digital model design， 2D drawings and simulation simulation， etc.， and preliminarily describes the design steps of the entire system.
关键词：汽车发动机;正时链传动系统;设计步骤;运行仿真;设计布局
Key words： automobile engine;timing chain transmission system;design steps;operation simulation;design layout
中图分类号：U464.12 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）18-0032-02
0 引言
随着技术的不断进步，正时链传动系统在汽车发动机中的应用越来越广泛。与此同时，汽车发动机开发周期越来越短，正时链系统的设计时间也相应地不断被压缩，所以合理的规划正时链系统的设计步骤尤为重要。依据舍弗勒正时链系统多年的设计经验以及客户的相关要求，初步给出按照选型、設计和仿真三个方面的设计。
1 客户要求和正时链系统的选型
1.1 客户要求
设计之初，客户都会对正时链系统有基础的要求，系统方面比如链条的类型和疲劳极限、链系统噪音的要求、发动机的热效率和正时链系统的摩擦功要求等;具体的设计细节比如曲轴链轮的齿数、液压张紧器的布置、滑轨的材料等。所有这些输入要求都是来自发动机的自身定位和相关的缸体缸盖等边界要求，这些要求都会在正时链系统的选型和具体设计中体现。
1.2 正时链系统选型
正时链系统选型主要包括链条的选型、滑轨材料的选型、液压张紧器的选型、上导轨压入形式的选型等，主要分析如下：
关于正时链条主要有三种类型，齿形链、套筒链和滚子链，齿形链静音效果较好，套筒链抗磨损，而滚子链性能较综合，随着各个主机厂对NVH要求越来越高，当下齿形链应用的越来越普遍。根据不同的应用需求，链条还可以按照节距分为6.35mm、8mm、9.525mm等，考虑到多边形效应目前6.35mm节距应用的较为广泛。
关于滑轨材料，当下较为普遍使用的是PA66、PA46、PA66-PTFE等，主要依据主机厂对链系统摩擦功损失的要求，PA46抗摩擦功损失和抗磨损性能较好，当然成本也高些，目前PA66使用最为广泛。
关于液压张紧器的选择，依据正时链条是否防跳齿分为有棘齿功能和非棘齿功能张紧器，一般来说，选择齿形链正时链条的会搭配棘齿功能张紧器，主要是因为对于齿形链链轮而言，齿根圆和齿顶圆距离较近容易造成跳齿失效。当然，选择时也会综合考虑layout布局时计算的柱塞伸长量，若伸长量较小时可以选择非棘齿功能张紧器。
关于上导轨压入形式的选择，压入式有利于正时链系统动态性能的稳定，非压入式的上导轨则有利于正时链系统摩擦功的损失。当下，提高发动机热效率减小摩擦功损失是重要趋势，很多主机厂更愿意选择非压入式的上导轨。
2 正时链系统的设计
汽车发动机正时链系统的设计是严格按照一定的原则和流程进行的，其具体的设计主要包括三个部分：layout布局、3D设计、2D设计。
2.1 layout布局
在发动机正时端边界的基础上，结合正时链系统的选型而定义的参数进行layout布局，依据运算结果对当前的layout布局进行优化，主要包括链条力和张紧器柱塞力的比值系数，自由链节数、动/定导轨的半径大小等。layout布局是整个正时链系统的基础设计，对正时链系统的动态性能以及耐久磨损具有重要意义。
2.2 3D设计
Layout布局输出正时链系统的型线参数，依据此型线进行3D设计，一般在CreO中完成。3D设计时满足型线是基础要求，同时依据相关经验和计算要保证零部件的力学性能和热胀冷缩对于尺寸的影响，对于塑料件尤为重要。不仅如此，还要依据正时端边界参数来保证正时链系统零部件的安全距离参数。此外，便于生产也是一个重要要求。图1是一个典型的正时传动系统数模。 2.3 2D设计
所有的零部件最终还是得依据2D图纸进行生产和检验，在基于3D数模的基础上，准确的将所有形状用2D展示出来，同时对重要的形状和装配位置进行尺寸和公差的定义。标准公差时不仅要考虑零部件本身还要充分考虑供应商的生产能力，在确保供应商能生产的基础上保证零部件尺寸，否则，无论是过设计抑或设计不足，都会影响到零部件的质量和成本。
3 正时链系统的仿真
正时链系统仿真包括动力學仿真和静力学仿真，是确定正时系统设计方案有效性的重要步骤，通过动力学仿真可以初步判定正时系统的动态性能，如链条力、凸轮轴角振动和液压张紧器柱塞振动位移等;通过静力学仿真可以直观的判断零部件的设计强度和变形量等。
3.1 正时链系统动力学仿真
正时链系统动力学仿真能初步地展示整个系统的动态性能，主要包括系统输入、系统仿真和系统输出三个部分。系统输入包括客户端的激励和链系统供应商端的系统参数，有曲轴的转速不均匀性、凸轮轴驱动扭矩（包含高压油泵、真空泵等）、液压张紧器低压腔的机油压力波动、凸轮轴系统质量和转动惯量;链条参数、液压张紧器参数、动/定导轨质量和转动惯量以及系统的layout布局等。图2是一个典型的动力学仿真输入模型。
系统仿真先是确定高压油泵的相位角，通过叠加效应使得凸轮轴整体的驱动负载最小化和均匀化，然后进行“3X3”组合运算，即三组油温40℃/90℃/120℃和三组液压张紧器卸油间隙参数的组合，尽可能地考虑到不同油温、不同负载工况和液压张紧器组装的变化，充分的模拟实际可能出现的组合和极限情况。
系统输出即正时链系统动态性能参数，包括链条力、凸轮轴角振动和液压张紧器柱塞振动位移等。链条力是最重要的参数，它表征着系统的摩擦功损失和链条伸长率的大小，包括平均链条力和最大链条力，原则上越小越好，最大不超过链条的旋转疲劳极限值;凸轮轴角振动表征着正时传动系统的精度，是保证凸轮轴转角位置的重要参数，一般要求误差±2°曲轴转角;液压张紧器柱塞振动位移表征着系统是否平顺稳定，一般要求在3mm范围内。
3.2 正时链系统静力学仿真
正时链系统的静力学仿真主要判断各个零部件是否满足强度要求，如系统中的动导轨、定导轨、上导轨、曲轴链轮、机油泵链轮、液压张紧器铝壳体等。针对塑料件主要判定在最大链条力作用下的最大应变和最大位移，一般情况下，最大应变不超过0.5%，最大位移不超过2mm，最小安全系统不小于1.5。针对钣金件主要在最大链条力作用下的最大应力不高于屈服应力，且最小安全系数不小于1.5。针对链轮主要判定在最大链条力作用下的齿部的疲劳安全系数，根据链轮的材料选择适应性的系数，一般不小于1.5。
参考文献：
[1]张志香，苏铁熊，郑国璋.469Q汽油机正时传动系统的设计研究[J].机械传动，2011，035（003）：37-39.
[2]赵凡，胡珍珍，侯俊鹏，等.基于MATLAB双顶置同步带正时传动系统参数计算机仿真分析[J].齐齐哈尔大学学报：自然科学版，2020（5）：10-13.
[3]王贵明，王金懿.电动汽车发动机正时链链的理想运行模式探讨[J].汽车工业研究，2011（2）：10-18.
[4]程亚兵，王洋，李磊，等.汽车V型发动机用正时链传动系统的设计[J].吉林大学学报（工学版），2015，45（1）.
[5]王艳华，乔安平，张文丽.469Q汽油机正时同步带传动运动特性的分析研究[J].机械管理开发，2008（01）：6-8.
Abstract： The engine timing chain transmission system is an important part of the engine. It connects the crankshaft end and the camshaft end， and affects the stable operation of the valve mechanism and high-pressure oil pump system associated with the camshaft. This thesis mainly starts from the design perspective of the timing chain transmission system， and elaborates on the timing chain system selection， layout， 3D digital model design， 2D drawings and simulation simulation， etc.， and preliminarily describes the design steps of the entire system.
关键词：汽车发动机;正时链传动系统;设计步骤;运行仿真;设计布局
Key words： automobile engine;timing chain transmission system;design steps;operation simulation;design layout
中图分类号：U464.12 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）18-0032-02
0 引言
随着技术的不断进步，正时链传动系统在汽车发动机中的应用越来越广泛。与此同时，汽车发动机开发周期越来越短，正时链系统的设计时间也相应地不断被压缩，所以合理的规划正时链系统的设计步骤尤为重要。依据舍弗勒正时链系统多年的设计经验以及客户的相关要求，初步给出按照选型、設计和仿真三个方面的设计。
1 客户要求和正时链系统的选型
1.1 客户要求
设计之初，客户都会对正时链系统有基础的要求，系统方面比如链条的类型和疲劳极限、链系统噪音的要求、发动机的热效率和正时链系统的摩擦功要求等;具体的设计细节比如曲轴链轮的齿数、液压张紧器的布置、滑轨的材料等。所有这些输入要求都是来自发动机的自身定位和相关的缸体缸盖等边界要求，这些要求都会在正时链系统的选型和具体设计中体现。
1.2 正时链系统选型
正时链系统选型主要包括链条的选型、滑轨材料的选型、液压张紧器的选型、上导轨压入形式的选型等，主要分析如下：
关于正时链条主要有三种类型，齿形链、套筒链和滚子链，齿形链静音效果较好，套筒链抗磨损，而滚子链性能较综合，随着各个主机厂对NVH要求越来越高，当下齿形链应用的越来越普遍。根据不同的应用需求，链条还可以按照节距分为6.35mm、8mm、9.525mm等，考虑到多边形效应目前6.35mm节距应用的较为广泛。
关于滑轨材料，当下较为普遍使用的是PA66、PA46、PA66-PTFE等，主要依据主机厂对链系统摩擦功损失的要求，PA46抗摩擦功损失和抗磨损性能较好，当然成本也高些，目前PA66使用最为广泛。
关于液压张紧器的选择，依据正时链条是否防跳齿分为有棘齿功能和非棘齿功能张紧器，一般来说，选择齿形链正时链条的会搭配棘齿功能张紧器，主要是因为对于齿形链链轮而言，齿根圆和齿顶圆距离较近容易造成跳齿失效。当然，选择时也会综合考虑layout布局时计算的柱塞伸长量，若伸长量较小时可以选择非棘齿功能张紧器。
关于上导轨压入形式的选择，压入式有利于正时链系统动态性能的稳定，非压入式的上导轨则有利于正时链系统摩擦功的损失。当下，提高发动机热效率减小摩擦功损失是重要趋势，很多主机厂更愿意选择非压入式的上导轨。
2 正时链系统的设计
汽车发动机正时链系统的设计是严格按照一定的原则和流程进行的，其具体的设计主要包括三个部分：layout布局、3D设计、2D设计。
2.1 layout布局
在发动机正时端边界的基础上，结合正时链系统的选型而定义的参数进行layout布局，依据运算结果对当前的layout布局进行优化，主要包括链条力和张紧器柱塞力的比值系数，自由链节数、动/定导轨的半径大小等。layout布局是整个正时链系统的基础设计，对正时链系统的动态性能以及耐久磨损具有重要意义。
2.2 3D设计
Layout布局输出正时链系统的型线参数，依据此型线进行3D设计，一般在CreO中完成。3D设计时满足型线是基础要求，同时依据相关经验和计算要保证零部件的力学性能和热胀冷缩对于尺寸的影响，对于塑料件尤为重要。不仅如此，还要依据正时端边界参数来保证正时链系统零部件的安全距离参数。此外，便于生产也是一个重要要求。图1是一个典型的正时传动系统数模。 2.3 2D设计
所有的零部件最终还是得依据2D图纸进行生产和检验，在基于3D数模的基础上，准确的将所有形状用2D展示出来，同时对重要的形状和装配位置进行尺寸和公差的定义。标准公差时不仅要考虑零部件本身还要充分考虑供应商的生产能力，在确保供应商能生产的基础上保证零部件尺寸，否则，无论是过设计抑或设计不足，都会影响到零部件的质量和成本。
3 正时链系统的仿真
正时链系统仿真包括动力學仿真和静力学仿真，是确定正时系统设计方案有效性的重要步骤，通过动力学仿真可以初步判定正时系统的动态性能，如链条力、凸轮轴角振动和液压张紧器柱塞振动位移等;通过静力学仿真可以直观的判断零部件的设计强度和变形量等。
3.1 正时链系统动力学仿真
正时链系统动力学仿真能初步地展示整个系统的动态性能，主要包括系统输入、系统仿真和系统输出三个部分。系统输入包括客户端的激励和链系统供应商端的系统参数，有曲轴的转速不均匀性、凸轮轴驱动扭矩（包含高压油泵、真空泵等）、液压张紧器低压腔的机油压力波动、凸轮轴系统质量和转动惯量;链条参数、液压张紧器参数、动/定导轨质量和转动惯量以及系统的layout布局等。图2是一个典型的动力学仿真输入模型。
系统仿真先是确定高压油泵的相位角，通过叠加效应使得凸轮轴整体的驱动负载最小化和均匀化，然后进行“3X3”组合运算，即三组油温40℃/90℃/120℃和三组液压张紧器卸油间隙参数的组合，尽可能地考虑到不同油温、不同负载工况和液压张紧器组装的变化，充分的模拟实际可能出现的组合和极限情况。
系统输出即正时链系统动态性能参数，包括链条力、凸轮轴角振动和液压张紧器柱塞振动位移等。链条力是最重要的参数，它表征着系统的摩擦功损失和链条伸长率的大小，包括平均链条力和最大链条力，原则上越小越好，最大不超过链条的旋转疲劳极限值;凸轮轴角振动表征着正时传动系统的精度，是保证凸轮轴转角位置的重要参数，一般要求误差±2°曲轴转角;液压张紧器柱塞振动位移表征着系统是否平顺稳定，一般要求在3mm范围内。
3.2 正时链系统静力学仿真
正时链系统的静力学仿真主要判断各个零部件是否满足强度要求，如系统中的动导轨、定导轨、上导轨、曲轴链轮、机油泵链轮、液压张紧器铝壳体等。针对塑料件主要判定在最大链条力作用下的最大应变和最大位移，一般情况下，最大应变不超过0.5%，最大位移不超过2mm，最小安全系统不小于1.5。针对钣金件主要在最大链条力作用下的最大应力不高于屈服应力，且最小安全系数不小于1.5。针对链轮主要判定在最大链条力作用下的齿部的疲劳安全系数，根据链轮的材料选择适应性的系数，一般不小于1.5。
参考文献：
[1]张志香，苏铁熊，郑国璋.469Q汽油机正时传动系统的设计研究[J].机械传动，2011，035（003）：37-39.
[2]赵凡，胡珍珍，侯俊鹏，等.基于MATLAB双顶置同步带正时传动系统参数计算机仿真分析[J].齐齐哈尔大学学报：自然科学版，2020（5）：10-13.
[3]王贵明，王金懿.电动汽车发动机正时链链的理想运行模式探讨[J].汽车工业研究，2011（2）：10-18.
[4]程亚兵，王洋，李磊，等.汽车V型发动机用正时链传动系统的设计[J].吉林大学学报（工学版），2015，45（1）.
[5]王艳华，乔安平，张文丽.469Q汽油机正时同步带传动运动特性的分析研究[J].机械管理开发，2008（01）：6-8.