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机械学院硕士学位论文

文献阅读综述报告

论文名称:基于AVL的汽车发动机正时齿形链系统的动态特性研究

姓名:所福亮

学号:2016412083

专业:机械设计及理论

所属院系:机械科学与工程学院

指导老师:冯增铭

文献阅读综述报告

齿形链传动研究概述

链条是一种应用广泛的重要机械基础件.文献记载表明,我国是链条制造和使用最早的国家之一[1].近代链条基本机构的设想起源于欧洲文艺复兴时代的科学家和艺术家达·芬奇(DaVinci),此后法国的伽尔和英国杰姆斯·司莱泰于1832年和1864年先后发明了销轴链和无套筒滚子链.由于这些链条结构不够合理,使用寿命较短,汉斯·瑞诺德(HansRenold)ANSIASMEB29.2M-1982,行业标准有JB/T10348-2002摩托车用齿形链条[3].国外发达工业国家的标准有:美国ASMEB29.2M-1982传动用齿形链和链轮[4],俄罗斯ГOCT13552-1981齿形传动链和ГOCT13576-1981齿形链链轮,德国DIN8190-198830°压力角滚动铰接式齿形链[5]和DIN8191-1998齿形链链轮齿形[6].其中美国ANSI标准的特点是遵循最大自由度原则,在保证互换性及使用性能的前提下,尽量放宽对其它尺寸的限制甚至根本不做具体的规定.俄罗斯ГOCT标准的特点是技术条件规定的比较全面,有利于指导设计和制造.德国DIN标准介于上述两者之间.目前采用的标准都是在20世纪后期制定的,均为普通外啮合圆销式齿形链和外啮合Hy-Vo齿形链的结构以及互换性尺寸和性能要求,对于近年来广泛使用的新型内-外复合啮合齿形链及多种啮合机制的齿形链等都未涉及.

目前对于齿形链的研究主要集中在啮合机理的研究,运动动力学的分析以及实验测量技术的应用方面

齿形链的啮合机理

外啮合是以工作链板的外侧直线齿廓与链轮齿接触,内啮合是以工作链板的内侧曲线齿廓与链轮齿接触.通常外啮合与链轮直线齿形的接触定位是在瞬时完成的,因而多边形效应较严重,冲击和振动较大,噪声较大,但定位相对稳定,内啮合与链轮直线齿形的接触与定位是在啮合过程中逐渐实现的,由于减小了多边形效应,因而冲击和振动较小,但定位不如外啮合稳定[7].

外啮合齿形链以链板的外侧直线齿廓与链轮齿接触的啮合机制已无法进一步满足汽车,摩托车等发动机正时链在高速且变速工况下的低噪声,轻磨损越来越高的可靠性要求,基于此,冯增铭等提出了新型齿形链的啮合机理,新型齿形链的啮合是一种内外复合啮合,齿形链传动过程中与主动链轮啮入时,外凸的内侧曲线齿廓首先实现的是与其一个轮齿的内啮合,随着与这一轮齿的进一步啮入,由于相邻链节之间的相对转动,则这一轮齿逐渐与相邻链节的工作链板的外侧齿廓接触,实现了外啮合,直至工作链板外啮合定位在链轮齿槽之上,完成了一个啮入过程,在由从动链轮啮出时,与链轮齿的啮合却是由外啮合逐渐过渡到内啮合的,从而完成一个啮出过程,这种新型齿形链兼容了内,外啮合齿形链的主要优点,特别适用于高速且变速的工况,减小了多边形效应,减小了冲击与振动,降低了噪声,减轻了磨损[8].

由于内,外啮合的逐渐过渡,使工作链板内,外侧齿廓和工作链板孔的两侧表面交替承载,与工作链板孔配合的销轴两侧表面也交替承载,不仅减轻了齿形链链板工作齿面,工作链板孔和销轴的磨损,减小了齿形链的磨损伸长,而且也减轻了链轮齿的磨损(链轮在与齿形链啮合的工作齿面的轴向全宽上也交替承载).

1.2齿形链传动系统的动态特性研究

针对不同的啮合方式,不同啮合机理和啮合过程齿形链系统,国内外一些专家学者在动力学分析方面和实验测量方面做了大量的研究.

近年来,我国学者包括台湾国立成功大学的黄金沺,吉林大学的孟繁忠,冯增铭,山东大学的王勇等学者对齿形链的啮合机理,多冲特性,磨损特性,噪声特性等进行了深入研究.

台湾成功大学的黄金沺课题组对圆销式和滚销式齿形链都进行了深入的啮合分析,通过对齿形链作啮合运动分析,将其归类为多刚体连接的接触运动,根据二维的啮合理论来进行链片和链轮的齿面接触分析(ToothContactAnalysis,TCA),建立了齿形链啮合分析的数学模型,得出了链片定位时的高度及节圆半径,两定位链板的夹角,求出两种链片假设固定模式接触的初始点与三个不同的链片运动阶段[9],在分析了齿形链啮合运动情况后,设定适当的目标函数,列出正确的等式

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或不等式拘束方程式,得出了链片定位在链轮上的受力情况,并利用有限元软件对链片进行应力分析[10],对于滚销式齿形链在不考虑磨损和公差的条件下,针对内啮合滚销式齿形链的啮合运动分析,研究发现了一个或者最两个链板同时与链轮轮齿进行啮合等两种状态,并将啮合过程划分为紧边阶段,啮合阶段,暂时固定阶段,悬浮阶段和啮合定位阶段,由于外啮合齿形链与链轮接触即定位故无啮合过程[11],链条固有的多边形效应直接影响着链条传动的精度,根据啮合曲面理论进行静音链的运动分析,搭配几何拘束和力量平衡限制条件,计算出主,从动轮传递误差[12],并结合动力学分析得出接触力数据和有限元软件计算链条的应力和变形量,最后计算因变形位移后所产生之声学响应值,探讨链条的声强分布[13].

吉林大学链传动研究所的孟繁忠,冯增铭等人对齿形链的内-外复合啮合机理进行了深入的研究,对齿形链的耐磨特性,运动学及动力学特性尤其是内-外复合啮合机制的转换过程等做了一系列研究工作[14-17],同时,对噪声特性,齿形链中心距计算及测量技术等内容进行了研究[18-22].

山东大学的王勇,薛云娜等人对双面啮合圆销式齿形链进行了研究,讨论了双面啮合齿形链的设计方法,齿形链多边形效应,振动,噪声的试验测试,渐开线链轮的加工等.此外,他们还采用ADAMS软件对双面啮合齿形链进行了运动学仿真分析[23-26].然而,他们采用的仿真模型将链板与销轴视为一个整体部件,再将其用旋转副连接,由于只定义了链节与链轮之间的接触力关系,无法对链节内部,即链板与销轴之间接触力特性进行深入研究.

对减小链传动过程中的多边形效应,减小冲击和振动,减轻磨损,降低噪声方面,国外学者做了大量分析,哥伦比亚大学的BucknorN.K分析了外啮合机制的Hy-Vo齿形链的静力学和运动学,考虑了外啮合滚销式齿形链链节间隙对准静态方程的影响,得出了链板和销轴一系列参数对Hy-Vo链传动性能的影响[27,28].

Ariartnam.S.T等将紧边链条模型转化为具有边界且与链轮耦合的弹性弦,用此模型可对链传动进行稳定性分析[29].Wickert.J.A等给出了发动机正时链的完整模型,运用该模型可知链条的动力学特性以及链条的纵向振动和链条链轮的耦合运动.对于减小多边形效应,ChintienHuang等对正时链传动系统的液压张紧器的动态效应进行分析,建立了测试张紧装置的动态效应的方法,提高整个链传动模拟的质量和效率[30].

2.发动机正时系统研究概述

发动机正时链传动系统的研究与应用最早始于早在上世纪50年代,但由于当时的链条设计与制造技术很落后,尤其是滚子和套筒的加工工艺不成熟,致使滚子和套筒过早发生破碎,其碎片又影响到其它工作部件的正常工作,很难适应发动机的性能要求,因此,在后来的相当长的一段时期内,齿形带正时传动系统一直占据发动机正时传动系统的主导地位[31].

随着链条产业的发展和链条工艺的不断改进,发动机中使用正时链条的趋势逐年增加,链传动以其结构紧凑,可靠性高,耐磨性好等特点,显示了链传动方式广阔的应用前景,而且大有替代正时齿形带传动的趋势.

近年来,汽车链的研发正朝向小节距,高转速,多品种和高性能指标的方向发展.如GM,Ford,Chrysler,Benz,BMW,Audi,VW等汽车公司均采用链传动作为其轿车产品发动机的正时传动系统和机油泵传动系统.目前,德国Benz有75个型号,BMW有45个型号,Ford有15个型号的发动机,Chrysler,Rover,Renault,Saab,Nisson,Toyota等都有10个型号以上的发动机采用了正时链传动.目前,国外汽车链传动产品生产厂商主要有德国IWIS,美国Morse,法国SACHS,英国Renold,日本椿本,DID等公司,国内企业主要有浙江湖州双狮链传动有限公司(湖州求精汽车链传动有限公司),杭州东华链条集团公司,台湾桂盟等.

德国对发动机正时系统的设计比较完善,不仅有一整套的设计与试验方案,还详细给出了V形发动机设计方案.在HeinzHeisiler的Advancedenginetechnology中详细的分析了凸轮轴驱动的设计布置方案,张紧器安装的位置以及油泵驱动链条的设计方案及凸轮轴链条的安装示意图.同时张紧器的结构也是多种多样的,不仅有机械与油缸共同来压紧张紧器,还有中间链轮与弹簧,油缸共同工作的方式,发动机机体外设置可调节张紧器工作行程的张紧器等.

澳大利亚SopouchM等人详细的研究了小型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[38],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,使发动机达到更好的工作状态,最小的链传动工作噪音.

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奥地利开发了发动机正时链传动系统的设计软件,该软件可以根据设计者的要求自行定义不同的参数,可以将不同的摩擦系数,工作方式代入仿真中,以求得最佳的设计方案.

美国产的克莱斯勒Chrysler有数十种发动机采用正时链系统,也有部分汽车的发动机还保留了齿轮正时系统传动方式,福特Ford汽车目前多采用正时链传动系统,而且多采用三轴的正时链传动方式,卡迪拉克Cadillac,别克Buick,林肯Lincoln等品牌车基本都采用滚子链为发动机正时链,卡迪拉克等一些品牌发动机目前已经采用齿形链,而且研究的范围也比较广泛[39].

阿尔法·罗米欧AlfaRomeo,雪铁龙Citroen,菲亚特Fiat,标志Peugeot,美洲虎Jaguar,路虎Rover,雷诺Renault,大众Volkswagen,欧宝Vauxhall-Opel,沃尔沃Volvo,绅宝Saab,宝马BMW,斯柯达Skoda等车的大功率发动机一般都采用多级链传动正时系统,设计方案也比较复杂.一些发动机进排气机构的驱动采用3级链传动作为正时系统.

亚洲的日本马自达Mazda,三菱Mitsubishi,日产Nissan,铃木Suzuki,丰田Toyota,以及韩国的大宇Daewoo,双龙Ssangyong等车型,不仅汽油发动机采用正时链传动系统,包括柴油机也采用正时链,共轨泵链等传动系统[39,40].

奥地利的AVL,德国的INA,FEV公司主要设计正时链系统,而美国的Morse公司,德国IWIS,英国RENOLD,法国SACHS,日本椿本和DID等公司不仅在研发汽车链正时系统同时还生产链条.

在但上述发达国家关于汽车发动机正时

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