李鹏飞

（舍弗勒贸易（上海）有限公司，上海 201800）

前言

随着国家经济发展与汽车工业的振兴，汽车行业的技术进步也是日新月异。近年来国内汽车零部件规模日益壮大，在最新汽车零部件百强名单中，中国企业再次刷新记录共有七家进入榜单。作为汽车的心脏发动机提供高效的动力输出，而配气结构的技术选择对发动机总体特别是燃油经济性能有着重要影响。配气机构按照各压缩气缸的四冲程点火顺序，定时开启和关闭气缸的进、排气门，使新鲜空气及时进入，废气及时排出[1]。气门正时传动组用于定时驱动气门开闭，连接曲轴扭矩和凸轮轴系统。

配气正时传动主要分为正时齿轮传动、正时链传动和正时带传动三种类型。在特定的应用环境应综合考虑系统层面和零件性能以及成本经济性等指标，选择最合适的配气传动机构[2]。随着国内企业自主创新的不断积累，技术在实际应用中也趋向成熟[3-5]。然而配气机构和正时传动很多零部件还是来自国外汽车零部件公司，国内企业起步较晚，仍处于快速追赶的发展中。

1 配气机构的布置型式

正时传动组件的结构形式主要根据配气机构布置形式进行匹配。配气机构的布置主要分为气门布置型式和凸轮轴布置型式。气门布置有气门顶置式和气门侧置式，由于燃烧室紧凑及进气顺畅和热封性好等优点，顶置式气门受到广泛应用，并趋向于淘汰侧置式型式。而凸轮轴布置型式主要有三种，分别为凸轮轴下置，凸轮轴中置和凸轮轴顶置[1]。凸轮轴下置式(OHV)，凸轮轴与曲轴中心距离近，凸轮轴可以装在曲轴箱内，采用齿轮传动简单可靠传动易于布置。中置型凸轮轴位于发动机气缸体的上部，与下置式配气机构相比，推杆较短或省略了推杆，减轻了配气机构往复运动的质量。顶置式凸轮轴(OHC)位于发动机汽缸盖上，凸轮轴与气门距离最近传动链短，大大降低了往复运动的惯性。凸轮轴顶置式配气机构有单顶置凸轮轴(SOHC)和双顶置凸轮轴(DOHC)形式，广泛应用于各种高速发动机上。双凸轮轴的布置有利于增加气门数量和提高进排气效率，已经成为现代高转速发动机的主流配置方式。

2 正时齿轮传动

配气机构布置为凸轮轴下置时，不适合高速传动，此时可应用正时齿轮传动设计。齿轮传动简单可靠传动噪音小，可实现标准设计成本低。凸轮轴齿轮可直接和曲轴齿轮啮合，也可以根据轴间中心距采用中间惰轮连接，实现同向旋转保证传动比和传动精度。正时齿轮传动一般包括曲轴齿轮、凸轮轴齿轮和惰齿轮。图1 为正时齿轮传动示意，图1(a)中即为曲轴齿轮和凸轮轴齿轮直接啮合。

柴油机排量越大，额定转速一般会设计的越低。在大部分低转扭矩的柴油发动机上，缸体上可布置曲轴和凸轮轴在齿轮箱内，发动机的重心较低。齿轮类型一般选择斜齿轮多于直齿轮，使传动更加平稳噪声小。正时齿轮需要密封和润滑，一般配有齿轮箱盖和密封垫。由于齿轮传动对中心距的精度要求较为严格，在缸体加工中，往往需采用多轴式组合镗床一次定位加工。为保证曲轴与凸轮轴之间有正确的相位关系，方便检查和调整配气正时，正时齿轮上还会打上正时标记点。此外，凸轮轴下置时一般气门数也较少，发动机汽缸盖体积小，方便整机空间布置，有利于整机的推重比。

凸轮轴中置式一般仍根据轴间的中心距采用惰轮连接曲轴齿轮传动扭矩。如图1(b)为正时传动齿轮和中间惰轮的配合布置，通过惰轮传递扭矩到凸和机油泵轴等。随着齿轮系数目增多和中心距的加大，齿轮箱的尺寸和重量也变得更大，齿轮箱变得复杂。此时也可以选用链/带传动连接凸轮轴和曲轴的相位运动。

图1 正时齿轮传动示意

3 正时皮带传动

顶置式凸轮轴时，凸轮轴位于缸盖上，凸轮轴与曲轴的中心距大大增加，此时使用增加中间轮的齿轮传动方式已经难以实现。同时凸轮轴气门驱动系统往复运动的质量明显减小，非常适合现代的高转速发动机，尤其是轿车汽油发动机。带和链形式的柔性传动方式更适用于大中心距的传动。图2(a)为典型的正时皮带传动形式。

正时皮带又称为正时齿形带、正时同步带，由玻璃纤维、合成橡胶和尼龙织物制成，传动平稳静音效果好，传动阻力和惯性小，使发动机的NVH 性能、动力加速性能更好，且容易更换。正时带内侧有橡胶齿，齿形带和皮带轮之间通过齿形啮合传递扭矩，带动凸轮轴及水泵等。皮带传动一般包括皮带、曲轴带轮、凸轮轴带轮、皮带张紧轮和导向惰轮等。

正时皮带配置张紧轮提供张紧力，使带轮有一定的包角，保证皮带的张紧状态，并通过导向惰轮改变皮带运行方向，保证传动系统的稳定性和传动的精度。张紧轮和惰轮的合理安排，可以缩短同步带中心距，减小横向振幅改善NVH 性能，并延长使用寿命[3,4]。正时皮带有干式皮带传动和湿式皮带传动类型。干式皮带不需要润滑，一般寿命4～8 万公里。实际用车中往往需要预防性更换，即未到厂家规定期限就需要更换，使用寿命短，更换频率高。对于湿式浸油皮带传动方式，皮带需要和润滑油气接触，其橡胶配方必须经过特殊配置，齿面还有涂层，耐油耐热性以及耐腐蚀性均得到加强，设计寿命能够达到20 万公里以上，甚至与发动机等寿命，终身免维护。湿式皮带可以充分利用发动机机油的润滑，大大改善系统摩擦性能，减少摩擦阻力和噪音，当然成本也更高。已有欧洲车型量产应用案例，国内企业对该技术的研究和应用仍然较少。

图2 正时带传动和正时链传动

4 正时链条传动

顶置式凸轮轴布置还可以使用链条传动方式。链条系统一般包括链条、曲轴链轮、凸轮轴链轮、张紧器和导轨。典型的正时链条系统如图2(b)所示。发动机正时传动使用皮带还是链条取决于设计条件。一般而言，排量较大的发动机，对传送带的应力要求也更高。此时可以选用链条传动方式更为可靠。与传统的皮带传动相比，链条传动耐久可靠，可以达到与发动机等寿命设计，免维护性好。但是链条的质量较皮带大，传动惯性大，系统NVH 性能一般较皮带差。

正时链条有滚子链、套筒链和齿形链（静音链）三种类型。由于编织组成和啮合方式的不同，一般滚子链和套筒链的承载较大，传动可靠不易发生跳齿，但是多边形效应也更明显，噪音较大。齿形链的承载能力相对较小，易发生跳齿，但啮合平顺噪音小，基本能达到跟齿形带传动同一个静音水平，因此也称为静音链。设计上可调整系统布局及零件构造，以弥补链条传动的劣势。如布置正时密封箱，在发动机前端设置正时罩盖形成独立的空间，可以满足传动部件的润滑要求，实现润滑油的冷热循环，和起到隔音和防尘的作用。在负载一定的条件下，系统可以使用静音链条，进一步降低噪音。链轮还可以设计成带包胶式，啮合中链条链板和链轮橡胶先接触，大大降低了啮合冲击。

5 结语

本文介绍了正时传动的应用布置形式，对不同布置进行了阐述和优化说明。随着汽车新一轮的技术发展，混动技术、新能源电动技术的进步，汽车向着清洁能源的方向发展。由于齿轮、链条传动和皮带传动自身应用上的优势，尚有各自较长的生命周期。如齿轮传动在汽车中型柴油机，工程机械重型柴油机以及船用柴油机上仍是相当长时间内难以替代的技术方案。带传动在低排量轻型汽油发动机上也具有较大的应用优势，皮带在满足应力和扭矩传动的条件下，能够提供较好的NVH 性能和成本优势。链条传动则逐渐在直列发动机和V 型大功率发动机上成为首选，也有在很多应用中和皮带正面竞争并呈现取代之势。