小型發(fā)動機漸成潮流 鏈傳動系統優(yōu)勢凸顯

        全球節(jié)能減排法規(guī)趨嚴，促使車企都在向小排量發(fā)動機方向發(fā)展。不論是美國的通用、福特，歐洲的雷諾、BBA、PSA，還是日本的豐田、本田、日產，均有各自主打的小排量發(fā)動機系列。

        發(fā)動機小型化的最終目的是為了節(jié)能、高效，那么排量減小后依托哪些技術與大排量發(fā)動機競爭？一般來說，小排量發(fā)動機中都會采用渦輪增壓、缸內直噴等技術，使得發(fā)動機的升功率提升，并改變其燃燒方式。甚至從前用在大排量發(fā)動機上的“停缸”技術也“移植”到了小排量發(fā)動機中。在發(fā)動機這個結構高度復雜的汽車“心臟”中，任意一項技術都不會獨立存在，某個組件的變化使得其他組件要進行相應的調整。

正時鏈：正時皮帶的完美替代方案

        拿“停缸”技術來說，實時證明，原來的正時皮帶無法承受“停缸”時瞬時動態(tài)力的變化。而在高壓縮比、高升功率的發(fā)動機中運行工況更為“激烈”，皮帶壽命會下降以及系統控制適應性，因此亟需一項替代方案。正時鏈系統憑借強度、耐久度、成本、NVH和系統控制等多方面的優(yōu)勢成為了一項潛力巨大的可替代技術，下面是皮帶與鏈條的各項性能對比：

1、強度

        鏈條每毫米寬度可承受270牛的力，而皮帶每毫米寬度則僅能承受100牛的力。因此，要達到相同強度，皮帶相比鏈條就要更寬，從而占用更多空間，與小型化趨勢背道而馳。

2、摩擦性能

        2012年，福特、馬勒和英國政府聯合制作了一份報告，其中研究指出，鏈系統只需稍加改善，其傳動效率可比皮帶高出5%。全球性汽車零部件供應商博格華納也分別在三缸和四缸發(fā)動機上進行過試驗，結果表明：在三缸發(fā)動機上，鏈系統和濕式皮帶的摩擦力比較接近，而在鏈系統進行優(yōu)化調整后，其摩擦力比濕式皮帶更低；另一臺四缸發(fā)動機上，干式皮帶和鏈系統的摩擦力對比結果同樣表明，相對于干式皮帶，鏈系統的摩擦更低。博格華納有著多項專利技術用來減少鏈系統的摩擦，這一點后文會詳細闡述。

3、NVH性能

        博格華納摩斯系統工程師告訴記者，皮帶系統的NVH性并不比鏈條好。皮帶的固有特性導致了它對張緊器張力水平有太大的限制，具體表現為：張緊力過大，運轉過程中就會發(fā)生打滑，造成很大的氣動噪聲，張緊力過小，則會發(fā)生跳齒現象。而鏈系統的噪聲則來源于嚙合噪聲、鏈條和導軌間的沖擊噪聲，如果系統控制良好的話，鏈系統的噪聲可以很好控制到符合要求的水平。

4、耐久性能

        美國IHS公司報告指出，72%的采用皮帶的發(fā)動機，11萬公里就需更換皮帶，27%在11萬-16萬公里范圍內需要更換，剩余1%為16-19萬公里。而鏈系統的耐久性更加長，更換周期為24萬-48萬公里，這幾乎與發(fā)動機本身的壽命相同。

5、控制難度

        凸輪軸動態(tài)擺動幅度是衡量鏈系統和皮帶系統控制難度的一個參數，擺動幅度大會使發(fā)動機性能受到影響，氣門開啟的效率受到影響。據了解，鏈系統在運行過程中的擺動幅度為3°，而皮帶系統的擺動幅度為8-11°。

        發(fā)動機小型化，比如3缸、增壓技術等，以及其它性能強化技術，如大氣門升程、可變相位器等，會增加凸輪軸驅動扭矩；直噴、停缸技術、起停裝置、高平均有效壓力等，會使曲軸扭轉振動大。這些要求對正時驅動系統有很好的控制特性。通常，鏈系統采用液壓張緊器，利用液壓的強阻尼特性，以及不同的張緊器設計可以有效控制系統。

鏈系統的挑戰(zhàn)

        缸內直噴技術隨著發(fā)動機小型化的趨勢而普及，混合氣燃燒方式從預混合燃燒變成了擴散燃燒。前者燃燒室中的油已經充分分散到空氣中，不會發(fā)生脫氫，不會聚合成碳顆粒；后者是單點點火擴散燃燒方式，混合氣濃度變化比較大，有的地方稀，有的地方濃（甚至形成油顆粒），在高溫下，油滴會發(fā)生脫氫，就會形成碳顆粒物，也就是PM。

        另外，直噴增壓發(fā)動機燃燒過程中會產生化學產物，比如氮氧化物、硫化物等會變成酸性物質。

        對于增壓發(fā)動機，增壓產生的壓差會改變發(fā)動機通風流動路線，因此這些中間產物以及碳顆粒物會進入發(fā)動機的機油循環(huán)系統里，造成機油品質劣化

        再者，直噴發(fā)動機的油在某些工況下會直接噴到發(fā)動機缸壁上，或者噴到活塞表面上，在冷機狀態(tài)、燃燒不充分、或者噴油量不合適的時候，燃油會流入機油潤滑系統，稀釋機油，使得機油無法發(fā)揮正常潤滑作用。這些對于鏈系統的摩擦副都是有害的，例如鏈板和銷子等此類連接處。

        以上這些因素結合，就會導致鏈條伸長。伸長比例過大，超過一定限值鏈條會發(fā)生跳齒。這是發(fā)動機小型化以后對鏈系統的一個非常突出的挑戰(zhàn)。針對這一挑戰(zhàn)，博格華納開發(fā)了新型鏈條，才用不同的設計、表面處理工藝、鏈板沖壓方式等技術，來提高鏈條耐磨損伸長性能，應對發(fā)動機小型化等帶來的要求。

低摩擦鏈條技術

        如果說一輛車從加完油算100%效率的話，那么車輛啟動后，60%是熱損失，40%是機械損失。機械損失中，機械摩擦損失占32%，其中，發(fā)動機摩擦損失占6%，具體如下圖。

        而正時系統占據發(fā)動機摩擦損失的1/6，也就是說，正時系統的摩擦損耗占整車燃油效率損耗的1%。博格華納工程師告訴記者，這1%還能再細分，其中包括鏈板和銷子的摩擦、鏈條和鏈輪的摩擦、鏈條和導軌的摩擦等。而鏈條和導軌的摩擦占據了整個鏈系統摩擦的大頭，因此，博格華納針對性地開發(fā)了鏈條與導軌的降摩擦技術，通過降低摩擦系數和降低鏈條張力兩個方面

        鏈條和導軌之間的摩擦屬于滑動摩擦，存在三種不同的摩擦方式：干摩擦、邊界摩擦和油膜摩擦。減少油膜厚度有利于降低摩擦系數，博格華納設計開發(fā)了不同的鏈板設計，達到了很好的效果，可以降低0.5%-1%的發(fā)動機油耗。

        針對導軌，博格華納也有一些技術改善其摩擦，主要通過新材料實現。工程師介紹，他們通過PA66、PA46等尼龍材料，甚至在里面加添加劑，通過這些輕量化材料來降低導軌的摩擦系數。當然，不同材料的降摩擦性能也不同、成本也不同。

        在降低鏈系統張力方面，博格華納開發(fā)出了很多不同的技術和產品。比如RA鏈輪

        “RA”代表“ResonanceAttenuation”。據了解，它擁有獨特的形狀（非規(guī)則圓），可以抵消鏈條和軸之間的振動，起到了調諧的作用，避免產生諧振，降低鏈條張力，達到降低摩擦的效果

        此外，博格華納摩斯系統工程師透露，該公司目前正在研發(fā)一款可變力張緊器（VFT）。VFT能實現可變張力，讓鏈傳動系統在盡可能低的張力水平下運作，來降低摩擦損耗，從而實現節(jié)油。根據博格華納的實驗數據顯示，VFT在發(fā)動機中低速運轉時可減小鏈條摩擦20%-30%。