GATES(皮带)同步带正时皮带传动及其在发动机的经济性

GATES(皮带)同步带正时皮带传动及其在发动机的经济性和NVH特性方面的优势

用于该研究的试验台的中心距离是可变的，这样就可以分别测量皮带传动系统有无张紧轮和链条传动系统有无导轨条件下的摩擦损失，由此可以进行下列评价：

－传动中的摩擦损失总和

－气门机构的摩擦损失(A)

－驱动轴的轴承摩擦以及皮带/链条啮合的摩擦损失(B)

－张紧轮/导轨的摩擦损失(C)

3.2 声学研究的测试概念

        声学对比试验是在发动机冷拖台架上进行的，使用的是一台量产的4缸1.2升四气门***机。该发动机被进行了一系列的改动以便能够安装皮带或者链条凸轮轴驱动系统；拆除了活塞和连杆，并在全转速范围内实现机油温度和压力的控制。

        测量之前需要做一些准备工作，皮带传动系统的松边由一个特殊设计的导轨来导向和张紧，一个紧边惰轮用来改变皮带走向，见图4。

在这个研究中，节距为8mm、宽为20mm的皮带和21个齿的曲轴正时皮带轮被用来与标准的量产滚子链条和齿数为20的曲轴正时链轮进行比较。两种配置都是在采用定张紧轮的条件下（冷态下安装张力150N）进行测量的。

        所有的测试都是在半消声室内进行的，通过一个离驱动系统1m远的人工头和一个离驱动中心10cm的近场麦克风同步进行测量。

4 摩擦损失的研究

        传动系统的摩擦损失通常被定义为传动的平均扭矩与0值之间的差值。平均扭矩是由测得的驱动扭矩曲线下的面积积分而得到的，见图5。

在3气缸发动机上进行的摩擦损失研究，对下列几种状态进行了对比：

-    节距8.00mm的正时皮带传动，固定张紧轮和三种张力的自动机械张紧轮；

-    节距8.00mm的滚子链传动，设置在预置水平的液压自动张紧轮；

-    节距6.35mm的静音链传动，设置在预置水平的液压自动张紧轮。

4.1 皮带传动的安装张力对摩擦损失的影响

        安装张力的范围从50N到300N，正时皮带系统的摩擦损失受到安装张力的影响：***大安装张力使得摩擦损失在发动机低速时增加了0.75Nm, 在发动机中高速时增加了0.5Nm，见图6。这些增大的摩擦损失可以解释为皮带与带轮之间摩擦的增加和张紧轮轴承的额外损失。

4.2 传动类型对摩擦损失的影响

        在发动机转速范围内，分别测量静音链系统和滚子链系统的***大摩擦损失。测得的***值在3.9Nm到4.3Nm之间，两个链条系统的差值可达到0.3Nm。

        正时皮带系统的测量结果是***佳的，***值***小为2.6Nm，***大为3.4Nm。因此，***好的链系统与对比的皮带系统的差异约为0.9Nm～1.1Nm，见图6。

4.3 导轨/张紧轮的摩擦损失比较

        链传动系统中由导轨/张紧轮产生的摩擦损失是皮带传动系统中张紧轮的4到5倍。显然，这是由于链系统是滑动摩擦而皮带系统是滚动摩擦。试验中没有测量张力增大的影响。

4.4 皮带传动系统中张紧轮类型对摩擦损失的影响

        在低安装张力下，采用自动张紧轮的皮带传动系统与采用固定张紧轮的系统相比并没有明显的改善。但当安装张力增加时，在发动机不同的转速下，自动张紧轮会有0.3到1.0Nm的改善。

4.5 摩擦损失的总体比较

        在2000rpm时，轴承的摩擦损失占整个气门机构驱动系统总摩擦损失的50%，这在正时皮带和链传动系统中都得到了证实。在皮带系统中，张紧轮的摩擦损失可以降到7%甚至更低，而在链传动系统中，导轨/张紧器的摩擦损失在15%-20%之间。

        从整体上讲，皮带传动系统的摩擦损失比链传动要低30%，见图7。

4.6 改善燃油耗的计算

        评估燃油消耗量的公式见图8。

        基于气门机构与正时传动系统的摩擦损失之和占整个发动机的总摩擦损失的20％[2]的假设，可以得到燃油耗下降2％的结果。这种燃油耗的改善，加上皮带传动系统耐久后的延伸量很小——皮带传动在发动机整个寿命期内的正时***度大大优于链传动系统，意味着采用皮带驱动凸轮轴的发动机设计，与链传动的发动机相比较，还能在整个寿命期内有效改善排放。

5 声学对比的结果

        声学对比试验不是在摩擦损失试验台上，而是在前面提到过的4缸冷拖发动机上进行的。

        两种配置的频谱图见图9。对于链传动系统，啮合阶次（20阶）及其谐波（40阶和60阶）很明显。对于正时皮带传动系统的测量结果，没有明显的啮合阶次（21阶）或谐波（42阶和63阶）。

图9对应于发动机转速的噪音傅立叶分析

        在进行声学研究的同时，也对噪音特性进行了主观评价，其结果是，链传动系统比正时皮带传动有着更大的金属噪音，并且发出一种很高的“啸叫”噪音让人更难忍受。这种噪音反映在频谱图上就是在高频下出现的高声压值。

        通常，链传动的整体噪音水平比皮带传动高2～5 dB(A)。人工头和近场麦克风的测量结果都证实了这个结论。不过需要注意的是，这个研究是在没有燃烧噪音的电机冷拖发动机上进行的。如果考虑到燃烧噪音，由于整体噪音的增大，测得的2～5 dB(A)的差异将会略小一些。

6 结论

        随着发动机的设计者和制造者追求更高的发动机效率以及排放***的日益严格，越来越多的数据和测试结果证实了上面的研究结果，即对于凸轮轴的驱动，正时皮带传动比链传动更具有优势。在降低燃油消耗量的同时，发动机的NVH性能也显著提高，发动机的正时相位和排放在整个寿命期内都可以得到更好的保持。从发动机性能和声学方面来看，皮带传动系统的内在阻尼特性与可调整的刚度对于设计和模拟工程师而言也是它的优势。

        皮带传动系统的这些特点都已经被广泛应用。今日，一个合理设计的皮带传动系统可以达到或超过300,000km的设计寿命，同时能有效降低排放和提高燃油经济性，以及获得更佳的NVH性能。