汽车用滚子链产品的设计优化

5.1.2.1概述

近年来，汽车发动机的正时传动、机油泵传动、平衡轴传动等越来越广泛地采用了链传动系统，因其具有结构紧凑、传递功率高、可靠性与耐磨性高、设计形式多样、终身免维护等显著优点，克服了齿轮传动和带传动性能上的某些不足，并给汽车最终用户增添了新的使用价值，日益显示出其广阔的市场应用前景。

采用链条进行正时传动已经在世界范围内得到广泛应用，作为用于乘用车和轻型客、货车上的汽油和柴油发动机，链传动的使用量持续增长。新型的链传动与需要定期维护和环境保护的传统传动带正时传动相比有着诸多不同的优点：链条系统本身几乎不需要维护，其设计寿命与整车相一致。

汽车发动机链条（见图5-20）按照用途可分为：正时链、机油泵链、高压泵链、共轨泵链、平衡轴链、变速器驱动链等；按照结构型式可分为：滚子链、套筒链、齿形链；按照排数可分为：单排链、双排链、多排链。本节主要讨论汽车发动机用滚子链的有关设计方法。

5.1.2.2汽车用滚子链的结构型式、基本参数和主要尺寸

1.结构型式

滚子链由内链板1、套筒2、滚子3、外链板4和销轴5组成（见图5-21）。内链板与套筒间、外链板与销轴间均为过盈配合，套筒与销轴间则为间隙配合，形成动连接。工作时内、外链节间可以相对挠曲，销轴则绕套筒转动。滚子安装在套筒外表面，能作360°自由转动，与链轮啮合时滚子沿链轮齿廓滚动，以减小链条与链轮轮齿间的磨损。作为汽车发动机用滚子链，由于在链条外侧边安装有定轨和动轨。内、外链板一般均制成直板形，为了有效减轻滑轨的磨损，降低噪声，对内外链板侧边粗糙度提出了较高要求。

图5-20 汽车发动机链条

图5-21 汽车用滚子链结构型式

2.基本参数

链条相邻两个滚子同侧母线之间的距离为测量节距，用p表示，它是滚子链的主要参数（见图5-22）。节距p越大，链条的各零件的尺寸也随之增大，其相应的承载能力也越高，但重量也增加，冲击和振动也随之加大。因此，传递功率较大时，为减小链传动的外廓尺寸，减小冲击、振动，可采用双排链。但作为汽车用链条其排数一般不超过双排。为了使链条形成封闭环状，同时确保其使用可靠性，链条的两端应用铆接的方式，而且组成链的总链节数为偶数，无奇数节。

图5-22 汽车用滚子链基本参数

汽车用滚子链06BT的产品图样如图5-23所示。

3.链条正时标记

发动机用滚子链条上的正时标记，是用来保证发动机机械正时的，和凸轮轴、曲轴上的正时记号同时配合以有效保证发动机正时。其实我们平时所说的“正时”有两种含义，即点火正时与配气正时（配气相位）。过去传统的发动机，点火正时和配气相位均是由机械传递特性来保证的；现在的电控发动机，虽然喷油时刻和点火时间都是由电子控制，但是配气相位（也就是进、排气门开闭时间）却还是由发动机的机械传递特性来保证，所以，在正时链条仍然要做上正时标记，在安装至曲轴、凸轮轴上的时候要保证发动机配气相位的机械位置不能变化。当然，现在很多先进的发动机技术同样可以在一定范围内进行配气相位和气门升程等的变化，但是，即便如此，基础的机械位置依然需要保证。

链条的正时标记最常见的有三处，其间隔方式是由发动机的配气相位角决定，其标记方法是对外链板的颜色进行特殊设计（见图5-24），通常的方法为表面发蓝、发黄、镀铜或涂漆等。

5.1.2.3汽车用滚子链的使用工况及其失效形式

1.汽车滚子链的使用工况

汽车滚子链的使用工况不同于普通的传动用滚子链，其传递的功率远大于普通传动用滚子链，如汽车用单排滚子链06B-1在z₁=19，n₁=5000r/min时所传递的功率P可达10kW，其工作点已远超出由GB/T 18150—2006（ISO 10823：2004）《滚子链传动选择指导》的额定功率曲线所限定的普通传动用滚子链06B-1的传动功率之外。通常，汽车滚子链主动链轮的工作转速n₁=750～6500r/min，有的甚至已超过8000r/min。汽车发动机起动频繁的运行特征，表明了汽车链使用工况的严酷，其主要特征包括：①高速多冲；②大载荷；③速度与载荷的瞬间交变。由于上述三重效应，因而对链条多次冲击抗力和耐磨损能力提出了更加苛刻的要求，其中速度与载荷的瞬间交变特性尤为突出，从而使链条失效机理和失效形式发生了根本变化。

通常，汽车发动机正时链系统的紧边装设有定轨、松边装设有动轨和张紧器，为确保定轨和动轨的耐磨可靠寿命，对汽车链链板的两个直边侧面的表面粗糙度提出了严格的要求，这点也不同于普通传动链条，因而在模具设计与制造工艺上也要做大的调整。

图5-2306BT滚子链产品图

图5-24 汽车链正时标记

汽车链的耐磨性能也不同于普通传动链条，普通传动链条的允许磨损伸长率ε=3%，而汽车链的允许磨损伸长率，对于名牌汽车链产品，ε=0.8%，对于一般汽车链产品，ε=1%，以确保汽车链正时系统的工作可靠性。为适应汽车链高速且变速的使用工况，汽车链的链长制造精度也高于普通传动链条，普通链条的链长制造精度为+0.15%，而汽车链的链长制造精度为+0.10%，而且汽车链采用中心距a来测量链条的链长精度，同时汽车链还对链长的中心距变动量ΔT提出了明确要求（见图5-25），以控制汽车链节距的均匀性，确保传动平稳性，降低噪声。

图5-25 汽车链中心距

2.汽车用滚子链的失效形式

汽车链的主要失效形式包括：链条的磨损失效、链条的断裂失效、滚子或套筒的破裂失效、链条的死节失效。

1）磨损失效。汽车用滚子链安装于发动机内，有充足润滑，由于转数较高，其主要磨损机制为疲劳磨损，并伴有磨粒磨损，有时还产生黏着磨损。在链条的安装后使用初期，也就是发动机的磨合期，由于套筒零件过盈压入内链板孔后套筒内径产生的颈缩和整链的框架歪斜以及销轴、套筒零件制造过程中产生的毛刺等原因，其伸长相对较快。过了发动机的磨合期后，链条的磨损伸长逐步趋于稳定，但由于销轴与套筒做往复的旋转摩擦，并伴有冲击，致使销轴表面与套筒内壁产生疲劳裂纹、进而扩展，直至剥落的一个动态过程。磨损剥落周期越长，其耐磨性能越高。

由于链条高速、多冲、交变循环载荷的使用特征，将导致销轴与外链板、套筒与内链板的连接牢固度（压出力或松动转矩）会出现不同程度的衰减，销轴与外链板、套筒与内链板之间产生了微动磨损，微动磨损产生的磨屑作为第三体的磨料进入销轴与套筒铰链副之间，加之链条疲劳磨损剥落及其他相关零部件磨损产生的微细颗粒，使汽车链以疲劳磨损为主要磨损机制的状况发生了变化，伴有越来越严重的磨粒磨损。在微观分析下，销轴、套筒的磨损表面形貌除了疲劳剥落坑以外，还产生了深浅不一但方向一致的犁沟，从而加剧了链条的磨损。

2）链板断裂失效。汽车链链板的断裂失效，对于单排链条并不是主要的失效形式，虽然有时也发生这种现象，但概率不大。但对于双排链，出现链板断裂失效的情况却比较多，主要表现在双排链由于在高速多冲交变循环载荷作用下，由于中链板与销轴常为间隙配合的结构型式所限，其销轴与外链板、套筒与内链板的连接牢固度（压出力或松动转矩）的衰减程度要比单排链严重得多，当连接牢固度衰减至一定程度后，导致外链板向外移出销轴并断裂失效，这就是所谓的链条散架现象。而正常的疲劳断裂常发生在内链板上。

3）滚子破裂失效。汽车链工作时，滚子（或套筒）的冲击疲劳破裂是其主要的失效形式，滚子作为链条与链轮的啮合元件，在啮入过程中，由于多边形效应而产生一个由啮入冲击引起的动载荷，啮入冲击首先由滚子承受，然后再传递给套筒、销轴、链板。这样滚子和套筒在受到反复多次冲击循环应力的作用下，在滚子的应力集中区即滚子端部会萌生疲劳裂纹，并逐渐向滚子中部扩展，当滚子的制造工艺与加工质量达不到要求时，裂纹不断扩展并导致端部掉块或整体破裂（见图5-26）。当产生破裂的滚子达到一定数量时，由于与链轮处于非正常啮合状态，工作张力急剧增加，最终导致链条断裂。

图5-26 滚子碎裂形式

4）链条死节失效。通常，汽车发动机用滚子链、套筒链发生死节失效主要是由于套筒与内链板的连接牢固度的衰减导致内链板与套筒出现松动，致使内链板外移与外链板内侧接触而出现死节现象。5.1.2.4汽车链传动选择指导

目前，GB/T18150—2006（ISO10823：2004）“滚子链传动选择指导”所规定的额定功率曲线（z₁=19）不适用于汽车链产品系列，虽然其中的某些链号，如05B、06B等与汽车链产品的链号相同，但其所传递的功率和转速均远小于汽车链产品。可供汽车链参照选用的05BT、06BT的额定功率曲线如图5-27所示。其他链号的汽车链额定功率曲线可咨询相关汽车链条公司。

图5-27 05BT和06BT汽车链额定功率曲线（z₁=19）

汽车链的润滑方式可参阅GB/T18150—2006（ISO10823：2004）。

汽车链传动选择计算时，通常已知：传动功率P，主动链轮转速n₁，从动链轮转速n₂，则传动比i=n₁/n₂。

对于汽车链这样的高速链传动，在空间尺寸允许的条件下，建议主动链轮齿数z_1min≥21，并取奇数齿，则z₂=iz₁。

汽车链传动的计算功率为

P_C=Pf₁f₂/f₅（5-46）

式中：f₁为工作情况系数（见表5-19）；f₂为齿数系数（见表5-20）；f₅为排数系数（见表5-21）。

表5-19 工作情况系数f1

表5-20 齿数系数f2

表5-21 排数系数f5

由计算得到的P_C值和已知的n₁值，在汽车链额定功率曲线图上选择相应的链号，此时汽车链的工作点（n₁、P_C）应位于所选择链号的额定功率曲线以下。(www.xing528.com)

应该指出，对于没有额定功率曲线或额定功率表可供参照选用的汽车链传动选择计算时，可通过静强度的安全系数方法来进行验算，这在工程设计中是可行的。

汽车链静强度的安全系数 n=F_umin/F（其中，F_umin为汽车链的最小抗拉强度；F为汽车链紧边张力，，d₁为主动链轮分度圆直径），统计规律表明，取n=16～20较为适宜。

5.1.2.5汽车链传动系统设计

汽车发动机正时链系统和其他链传动系统相比，由于对振动和噪声有着严格的要求，链传动的松边均安装张紧器，而紧边通常也安装导向器（阻尼器），在这种情况下，普通链传动中心距和垂度的设计计算方法已不适用于汽车链系统。

汽车链系统设计时，链传动的紧边一般应是向内凹的圆弧曲线，而不是普通链传动的紧边通常以相切于主从动链轮分度圆的一段直线来表示。其松边的垂度也不采用普通链传动的设计方法，而且松边的圆弧曲线通常不是向外凸而是向内凹。应该说明，在装设了张紧器之后，松边的悬垂曲线就不是所谓的悬链线了，而是支承和贴附在张紧板的圆弧曲线上。

应该指出，实际设计张紧板或导向板的曲率半径时，其两端部应有一小段曲率半径小于上述计算值的过渡圆弧，以便于链条与张紧板或导向板的摩擦运动的通畅性。当然，这种情况下，紧边或松边的曲线形状也相应有所变化。

对于双凸轮轴之间的双轴链传动，由于空间尺寸小、中心距也较小，如果设计得合理，不安装导向器或张紧器也是可行的，但如果空间尺寸允许，最好在主从动链轮中间安装一个具有张紧和导向功能的复合机构使链条的松紧边分别向外凸，同样起到张紧和导向的作用。

5.1.2.6常用材料及其热处理技术

针对汽车发动机用滚子转速高、起动频繁，承受较大交变载荷的使用工况，为使产品在规定的使用寿命期内能正常运行，汽车发动机用滚子链必须具备足够的抗磨损性能，抗冲击性能和良好的抗疲劳性能，因此，应根据产品各零件的功能及失效形式，科学合理选择各零件材料并采用先进的热处理工艺以满足链条使用要求。具体可参照表5-22和表5-23。

表5-22 汽车发动机用滚子链零件的荐用材料

（续）

注：汽车发动机用滚子链零件材料的选择应根据链条的使用工况及零件的不同制造工艺及热处理方法来进行确定。

表5-23 汽车发动机用滚子链零件的荐用热处理方式及硬度

5.1.2.7汽车发动机用套筒滚子链产品检验

1.链条抗拉强度

抗拉强度是汽车发动机套筒滚子链的一项关键技术指标，一般采用液压式万能材料试验机进行测试。其测试原理如图5-28所示。当一个拉力被施加到链条试样上直至试样被拉断时的强度值应超过规定的最小抗拉强度。试验时载荷应缓慢施加到至少包含5个自由链节的链段的两端，用允许在链条铰链的法平面及链条中心线的两侧可自由运动的夹头连接。链条破坏被认为是发生在当链条伸长增加而不再伴随着载荷增加的第一点上，即载荷-拉伸图的顶点。在此点的拉力值应等于或者大于最小抗拉强度值。若破坏发生在夹头连接处时，则认为该试验无效，有效试验应断裂在中间部位。

应该指出，拉力试验是破坏性试验。尽管链条在经过最小抗拉载荷作用后试样并没产生明显破坏，但链条所受拉力超过了其屈服限，因此经过拉力试验后的链条将不能再使用。

2.连接牢固度

滚子链（套筒链）是由内、外链节串联而成的挠性件，其中内、外链节分别由内链板与套简、外链板与销轴过盈连接而成的矩形框架构成。过盈连接产生的结合力应具有一定的连接牢固度，以保证链条在持续服役过程中框架不松散。然而，随着链条服役时间的延长，链条铰链与轮齿啮合时反复冲击的结果，连接牢固度会持续衰减，最终引起框架过盈联结处的微动磨损，直至造成框架松散，特别是在高速链传动应用领域中，高冲击速度、高冲击频率更会加速连接牢固度的失效。

图5-28 抗拉强度测试原理图

目前，国际上有两种关于链条连接牢固度的检测方法，即链节松动转矩和压出力，分别测试内链板与套简、外链板与销轴之间抵抗轴向转动和轴向移动的能力。事实上，链条框架的松散常常以链板被压出的形式表现出来的，因此压出力更能全面表征链条框架的牢固度。2010年7月我国首次颁布了链条压出力机械行业标准JB/T 10970—2010《链条压出力试验规范》。该标准应用范围较广，对于汽车发动机链条链节压出力的标准制定及检验具有一定的参考价值。压出力检测仪如图5-29所示。

该检测方法是通过旋转手柄使销轴从外链板孔中压出或套筒从内链板中压出，下方的工作平台装有压力传感器，压出力显示在右边的数显表上。

3.链条中心距及其变动量

汽车发动机用套筒滚子链链长精度一般是通过中心距检验来加于评定，其原理如图5-30所示。主动轮为固定链轮，通过电动机进行转动，从动轮可以移动，通过张紧装置来施加不同载荷。使链条旋转一周，数显传感记录其中心距波动量，通过PLC可以判别中心距及变动量是否满足要求。

图5-29 压出力检测仪

图5-30 链条中心距及其变动量测量方法

链长精度应按下列要求进行测量：①测量前链条经过清洗；②将被测链条围在两链轮上，测量时，在链条上施加规定的测量载荷，使链条两边张紧，链条与链轮应保证正常啮合；③判定链条中心距及其变动量是否满足要求。

4.清洁度检测

汽车发动机用滚子链清洁度主要有两大考核指标即污染重量与颗粒度，其原理（见图5-31）采用一层或多层薄膜过滤器，利用真空或加压来过滤，从部件上萃取微粒污染物的所有萃取液体。通过测试前、后薄膜过滤器的质量差来确定部件上污染物的质量。然后通过显微镜鉴别污染物的颗粒数量及其形状大小。

5.疲劳性能

汽车用滚子链疲劳性能测试时，将5节以上有效自由链节的滚子链（两端为内链节）安装在专用的夹具上，并使各链节不承受扭曲、弯曲等附加载荷，然后施加规定的载荷进行试验。一般对单排滚子链来讲其最大载荷为F_max=0.22F_u（F_u为链条的最小抗拉强度），对于双排滚子链其最大载荷为F_max=0.18F_u。

疲劳试验载荷曲线如图5-32所示，取平均载荷（F_m）和载荷幅值（F_a）之比为1.2，对套筒滚子链反复加载，频率在50～80Hz范围内，在循环周次达到5×10⁶之前，链条任一零件不允许出现破坏。

图5-31 链条清洁度检测方法

图5-32 疲劳试验载荷曲线

图5-33 发动机正时链可靠性试验台结构示意图

1—驱动系统 2—传动系统 3—凸轮轴转矩加载系统 4—测控系统

6.耐久性能检测

因正时链条疲劳磨损后会造成链条伸长，使链条与链轮的啮合状态恶化，增大动载荷、振动和噪声，还直接影响到发动机的配气正时，所以正时链的可靠性越来越引起人们的注意。发动机厂一般要进行四种形式的正时链可靠性考核试验，即整车道路试验、发动机全速全负荷试验、发动机变速变负荷试验和台架试验。目前，正时链可靠性台架试验已经越来越多地得到发动机厂和链条生产企业的认可，因为一个能模拟发动机实际工况、具有较少试验时间和物质消耗的试验台是考核汽车发动机套筒滚子链条可靠性的一种有效途径。

发动机正时链可靠性试验台属于开放力流式试验台，主要由驱动系统、传动系统、凸轮轴转矩加载系统和测控系统组成，如图5-33所示。

驱动系统的驱动转速可以在发动机怠速、最大转矩转速、最大功率转速和额定转速之间变化，来模拟发动机的交变转速。传动系统采用发动机双顶置凸轮轴正时链传动系统的结构，张紧器接供油油泵，供油压力随转速变化，来模拟发动机机油泵的供油压力的变化。凸轮轴转矩加载系统可以在不同转速下给凸轮轴加载不同的转矩，来模拟发动机驱动进、排气门的负载转矩的变化。测控系统的主要测控参数包括驱动系统转速、凸轮轴转矩和张紧器供油压力，计算机控制驱动系统按高速或交变转速运行，并自动调节凸轮轴负载转矩和张紧器供油压力的大小，以此来模拟发动机的实际运行工况，考核正时链的可靠性。

为了简化汽车发动机用滚子链耐久性能试验，一般分成高恒速试验和交变试验两种。高恒速试验转数一般选定为5600r/min，交变试验的试验速度变化周期如图5-34所示。

图5-34 交变试验速度变化周期

两种试验的润滑方式均采用喷油润滑，试验用润滑油牌号选择与发动机润滑油牌号相同，试验时润滑油温度在90～100℃，喷油压力在0.3～0.5MPa。

两种试验的试验时间可按发动机的技术要求进行选定，高恒速试验时间一般为500h，而交变试验其试验周次应达到8800个循环以上，试验后链条各零件完好，伸长率不允许超过0.3%。