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小型发动机渐成潮流链传动系统优势凸显

发布时间:2020-03-27

全球节能减排法规趋严,促使车企都在向小排量发动机方向发展。不论是美国的通用、福☞特,&欧洲的雷诺、BBA、PSA,还是日本的丰田、本田、日产,均有各自♦主打的小排量发动机系列。

发动机小型化的最终目的是为了节能、高效,那么排量减小后依托哪些技术与大排量发动机竞争?一般来说,小排量发动机中都会采用涡轮增压、缸内直喷等技术,使得发动机的升功率提升,并改变其燃烧方式。甚至从前用在大排量发动机上的“停缸”技术也“移植”到了小排量发动机中。在发动机这个结构高度复杂的汽车“心脏”中,任意一项技术都不会独立存在,某个组件的变化使得其他组件要进行相应的调整。

正时链:正时皮带的完美替代方案

拿“停缸”技术来说,实时证明,原来的正时皮带无法承受“停缸”时瞬时动态力的变』化。而在高压缩比、高升功率的发动机中运行工况更为“激烈”,皮带寿命会下降以及系统控制适应性,因此亟需一项替代方案。正时链系统凭借强度、耐久度、成本、NVH和系统控制等多方面的优势成为了一项潜力巨大的可替代技术,下面是皮带与链条的各项性能对比:

1、强度

链条每毫米宽度可承受270牛的力,而皮带每毫米宽度则仅能承受100牛的力。因此,要达到相同强度,皮带相比链条就要更宽,从而占用更多空间,与小型化趋势背道而驰。

2、摩擦性能

2012年,福特、"马勒和英国政府联合制作了一份报告,其中研究指出,链系︼︽︾统只需稍加改善,其传动效率可比皮带高出5%。全球性汽车零部件供应商博格≧华纳也分别在三缸和四缸发动机上进行过试验,结果赛车二维码群 表明:在三缸发动机上,链系统和湿式皮带的摩擦力比较接近,而在链系统进行优化调整云豹系统 后,其摩擦力比湿式皮带№更低;另一台四缸发动机上,干式皮带和链系统的摩擦力对比结果同样表明,¥相对于干式皮带,链系统的摩擦更低。博格华纳有着多项专利技术用来减少链系统的摩擦,这一点后文会详细阐述。‰

3、NVH性能

博格华纳摩斯系统工程师告诉,皮带系统的NVH性并Ⅷ不比链条好。皮带的固有特性ↀ导致了它对张紧器张力水平有太大的限制,具体表现为:张紧力过大,运转过程中就会发生打滑,造成很大的气动噪声,张紧力过小,则会发生跳齿现象。而链系统的噪声则来源于啮合噪声、链条和导轨间的冲击噪声,如果系统控制良好的话,链系统的噪声可以很好控制到符合要求的水平。

4、耐久性能┐

美国IHS公司报┝告指出,72%的采用皮带的发动机,11万公里就需更换皮带,27%在11万-16万公里范围内需要更换,剩余1%为16-19万公里。而链系统的耐久性更加长,更换周期为24万-48万公里,这几乎与发动机本身的寿命相同。

5、控制难度

凸轮轴动态摆动幅度是衡量链系统和皮带系统控制难度的一个参数,摆动幅度大会使゜发动机性能受到影响,气门开启的效率受到影响。据了解,链系统在运行过≤程中的摆动幅度为3°,而皮带系统的摆动幅度为8-11°。

发动机小型化,比如3缸、增▌压技术等,以及其它性能强化技术,如大气门升程、可变相位器等,会增加凸轮轴驱动扭矩;直喷、停缸技术、起停装置、高平均有效压力等,会使曲轴扭转振动大。这些要求对正时驱动系统有很好的控制特性。通常,链系统采用液压张紧器,利用液压的强阻尼′特性,以及不同的张紧器设计可以有效控制系统。

链系统的挑战

缸内直喷技术随着发动机小型化的趋势而普及,混合气燃烧方式从预混合燃烧变成了扩散燃烧。前者燃烧室中的油已经充分分散到空气中,不会发生脱氢,不会聚合成碳颗粒;后者是单点点火扩散燃烧方式,混合气浓度变化比较大,有的地方稀,有的地方浓(甚至形成油颗粒),在高温下,油滴会发生脱氢,就会形成碳颗粒物,也就是PM。

另外,直喷增压发动机燃烧过程中会产生化学产物,比如氮氧化物、硫化物等会变成酸性物质。

对于增压发动机,增压产生的压差会改变发动机通风流动▐路线,因此这些中间产物以及碳颗〤粒物会进入发动机的机油循环系统里,造成机油品质劣化

再者,直喷发动ㄨ机的油在某些工况下会直接喷到发动机缸壁上,或者喷到活塞表面上,在冷机状态、燃烧不充分、或者喷油量不合适的时候,☉燃油会流入机油润滑系统,稀释机油,使得机油无法发挥正常润滑作用。这些对于链系统的pc28微信群 摩擦副都是有害的,例如链板和销子等此类连接处。

以上这些因素结合,就会导致链条伸长。伸长比例过大,超过一定限值链条会发生跳齿。这是发动机小型化以后对链系统的一个非常突出的挑战。针对这一挑战,博格华纳开发了新型链条,才用不同的设‖∠计、表面处理工艺、链▼板冲压方式等技术,来提高链条耐磨损伸长性能,应对发动机小型化等带来的∧要求⊙。

低摩擦链条技术

如果说一辆车从加完油算100%效率的话,那么车辆启动后,60%是热损失,40%是机械损失。机械损失中,机械摩擦损失占32%,其中,发动机摩擦损失占6%,具体如下图。

而正时系统占据发动机摩擦损失的1/6,也就是说,正时系统的摩擦损耗占整车燃油效率损耗的1%。博格华纳工程师告诉,这1%还能再细分,其中包括链板和销子的摩擦、链条┈┉和链轮的摩擦、链条和导轨的摩擦等。而链条和导轨♀的摩擦占据了整个链系统摩擦的大头,因此,博格华纳针对性地开发了链条与导轨的降摩擦技术,通过降低摩擦系数和降低链条张力两个方面

链条和导轨之间的摩擦属于滑动摩擦,存在三种不同的摩擦方式:干摩擦、边界摩擦和油膜摩擦。减少油膜厚度有利于降低摩擦系数,博格华纳设计开发了不同的链板设计,达到了很好的效果,可以降低0.5%-1%的发动机油耗。

针对导轨,博格华纳也有一些技术改善其摩擦,主要通过新材料实现。工程师介绍,他们通过PA66、PA46等尼龙材料,甚至在里◣面加添加剂,通过这些轻量化材料来降低导轨的摩擦系数。当然,不同材料的降摩擦性能也不同、成本也不同。

在降低链系统张力方面,博格华纳开发出了很多不同的技术和产品。◈比如RA链轮

“RA”代表“ResonanceAttenuation”。据了解,它拥有独特的形状(非规则圆),可以抵消链条和轴之间的振动,起到了调谐的作用,避免产生谐振,降低链条张力,达到降低摩擦的效果

此外,博格华纳摩斯系Ⅱ统工程师透露,该公司目前正在研发一款可变力张☠紧器(VFT)。VFT能实现可变张力,让链传动系◁统在尽可能低的张力水平下运作,来降低摩擦损耗,从而实现节油。根据博格华纳的实验数据显示,VFT在发动机中低速运转时可减小链条摩擦20%-30%。