发动机正时套筒链磨损性能的研究

分类号 TH132.45 单位代码 10183

密级 内 部 研究生学号 2200315

吉 林 大 学 硕士学位论文

发动机正时套筒链磨损性能的研究 STUDY ON WEAR CHARACTERRISTICS OF TIMING BUSH CHAIN OF ENGINE

作者姓名： 侯普东 专 业： 机械设计及理论 导师姓名 及职称 ：

论文起止年月： 2001 年 10 月至2003 年 2 月 杨 刚 副研究员 吉林大学硕士学位论文

・III・ 提 要

本文在研究发动机正时系统用套筒链磨损机理的基础上，利用试验优化技术建立了试验方案，对不同因素水平的正时链样品进行了台架磨损试验。并对某些试验数据进行了一元二次正交回归处理,建立了显著的回归方程。试验结果和理论分析表明： 1、发动机正时链在油池润滑状态下，是兼有弹性流体润滑和边界润滑，其主要磨损形式为疲劳磨损，并伴有粘着磨损。对套筒链疲劳磨损来说,裂纹的形成和扩展是影响疲劳磨损寿命的主要因素 2、套筒和销轴零件的初始表面硬度较高，有利于改善其耐磨性。 3、套筒链经过预拉以及对内链节挤孔，能够改善链条的结构和表面机械性能,并在套筒内表面形成表面压缩初应力。经过预拉和挤孔的套筒链的磨损性能都有明显的提高。 4、经过润滑脂预润滑的套筒链的初始磨损性能较好，粘度较高的润滑油有利于提高链条的抗疲劳磨损的能力。 通过试验，探讨了发动机正时用套筒链的磨损机理，磨损形式与磨损机制。研究销轴和套筒的表面硬度、润滑等因素以及挤孔、预拉等强化处理对链条磨损性能的影响。为提高套筒链产品质量提供了可靠的数据及理论依据。

关键词：正时链，磨损性能，表面硬度，预拉，挤孔，润滑油 目 录 第一章 绪论……………………………………………1 第二章 磨损理论概述…………………………………4

2.1摩擦系统分析和描述 …………………………………...4 2.2 摩擦学过程对机械系统结构的影响 …………………..5 2.3 磨损的分类………………………………………………9 2.4 基本磨损类型简介…………………………………… ..10 2.5 表面品质与磨损……………………………………….17 2.6 磨损的转化与复合……………………………………...18 第三章 发动机配气机构和正时链系统 …………….19 3.1配气机构…………………………………………………19 3.2 正时链系统……………………………………………...20 第四章 发动机正时链磨损试验……………………...24 4.1 试验方法…………………………………………….… 24 4.2 模拟试验的真实性……………………………………..28 第五章 正时链磨损机理及影响因素的分析…….….29 5.1 铰链副的润滑状态……………………………………..29 5.2 正时套筒链的磨损形式和过程………………………..29 5.3 关于表面硬度的磨损试验……………………………..30 5.4关于对内链节挤孔处理的磨损试验…………………...36 5.5关于预拉的磨损试验…………………………………...39 5.6 关于润滑油的磨损试验………………………………..41 5.7 和随机装配的链条的磨损的比较……………………..43

第六章 结论…………………………………………...45

致谢……………………………………………………...46 吉林大学硕士学位论文 ・V・ 参考书目………………………………………………...47 第一章 绪 论 1.1课题提出的背景及意义 链条是一种很重要的机械基础件，由于链传动兼有齿轮和带传动的共同特点，因此在传动、输送及其他特殊场合应用极其广泛。汽车和摩托车的发动机的正时系统多采用链传动，其中又以套筒链为主。 套筒链的主要失效形式有疲劳破坏、铰链磨损、铰链胶合和静强度破断[1]，而对于发动机正时链条其铰链磨损是最常见的失效形式，约占80%以上。由于国产摩托车汽车链条的过早失效,全国每年耗资近亿元,浪费钢材数千吨。套筒链的正常磨损关键出现在套筒和销轴这对摩擦副之间，当链轮转动时，各链节啮入啮出链轮时，相邻链节则相对往复摆动一定的角度，这样套筒和销轴即构成往复摆动式的铰链副。当它们出现磨损时，引起链条伸长，轻则导致正时误差，严重时可使链条铰链爬高、跳齿，产生附加冲击载荷，引起链条断裂等早日失效，直接影响链传动工作的可靠性。图1-2显示了链条磨损前后的链条的位置的变化。

图1-1 磨损前后链条位置比较 由于链条的伸长对链条运转的重要影响，所以评价套筒链耐磨性能的指标和摩擦学中常用的指标不同，而是采用相对磨损伸长率ε（ε=ΔL/L，其中ΔL是链条吉林大学硕士学位论文 ・VII・ 的磨损伸长量，L是初始链长）。 正时链对极限磨损伸长率要求极高，国外的一些工业发达国家已将链条的相对磨损伸长率ε控制在0.8%~1.5%之内[2]，而我国链条目前的平均相对磨损伸长率基本为3.0%，由此可见我国的发动机用正时链的质量和国外名牌产品还有一定的差距。深入系统地研究摩托车正时链的磨损机制和磨损特性，寻求提高国产链条耐磨性的措施,不仅具有重要的学术价值，而且具有重要的实用意义。 1.2 国内外研究现状

经检验，国外名牌链条的磨损性能普遍较好，但能检索到的相关论文较少。德国在1986 年已经采用针对套筒径缩的钢球过孔工艺，在国内虽有链条生产厂家涉猎，但研究工作尚肤浅。未能从理论分析和实践研究取得有效成果。从检索到的资料可以看到日本的链条质量较高，他们的正时套筒链的相对磨损伸长率已降低到ε≤0.5%[13][14]，大大低于国内的3.0%的水平。

在国内吉林大学链传动研究所是国内链条产品的技术归口单位，他们的研究代表了国内的最高水平。他们在机械工业部科技计划项目的资助下，针对不 同行走机械上的传动用滚子链，在不同的工况下做了大量的对比试验和了理论分析，取得阶段性的研究成果，提出了指导性的建议[3][4][5][6][7][9][10][15]。 1、他们指出对于传动用滚子链在刷油润滑条件下，传动链铰链副的主要磨损形式是磨粒磨损，并伴有疲劳磨损；在油池润滑条件下链条的主要磨损机理是疲劳磨损，裂纹的形成和扩展是影响磨损寿命的主要原因。 2、同时还建议了不同工况下链条销轴和套筒的表面硬度值，在以磨粒磨损为主的机制下，他们建议设计套筒与销轴的表面硬度分别为:HR15N90.5～92，HR15N91～

92.5；在以疲劳磨损为主的机制下，他们建议设计套筒和销轴的表面硬度分别为:HR15N88.5～90.0，HR15N90.0～91.5。

3、他们还就链条运转过程中套筒和销轴的表面的循环硬化和循环软化及链条的高速性能进行了研究，指出套筒和销轴零件的初始表面硬度较高时,表

面层产生循环软化；相反，表面层产生循环硬化，循环软化与循环硬化是一个动态过程。 4、同时还分析了链条装配后套筒径缩形状和尺寸，重新设计了套筒扁丝的剖面形状，指出L/4形套筒的初期磨损伸长量最小。 5、另外还对链条的套筒和销轴的渗层和金相组织进行了研究，认为渗碳套筒与销轴的渗层组织以细针状马氏体+少量碳化物和残余奥氏体为佳，而较佳心部组织是板条状马氏体+少量铁素体。 他们的这些工作主要是针对传动用滚子链所做的研究，而对发动机正时系统用套筒链研究较少。 1.3 本文研究内容

本课题在以往研究成果的基础上，从研究套筒链的销轴和套筒这对摩擦副的磨损机理入手，通过对采用不同影响因素的套筒链做大量的台架对比试验，定性分析一些影响因素以及提出提高耐磨性的措施。具体如下： 1） 在台架磨损试验的基础上，研究套筒链的销轴和套筒摩擦副系统的磨损机理及磨损规律，并利用扫描电镜对磨损前后套筒和销轴的表面形貌进行微观分析。 2） 利用试验优化技术，通过对不同表面硬度的套筒和销轴的相对磨损伸长率的分析，以寻找套筒和销轴的较好的表面硬度值。 3） 润滑作为影响磨损的一个基本因素，以前关于链条磨损的论文主要分析润滑形式的影响，很少有关于润滑油品质的研究。本文拟对此做初步的研究，探讨不同润滑油对磨损伸长率的影响。 4） 用钢球挤孔来解决因内链节装配而产生的颈缩问题的一种措施，本文拟选用不同直径的钢球对内链节进行挤孔工艺处理，并进行台架磨损试验，分析钢球过孔工艺对链条磨损性能的影响，并提出合理的建议。 5） 预拉一般作为提高链条疲劳性能的重要手段，本文把预拉作为一个因素，来分析预拉对磨损的影响。 吉林大学硕士学位论文

・IX・ 第二章 磨损理论概述

磨损是摩擦副表面做相对运动时，由于机械与（或）化学作用所发生的材料脱落现象，它是伴随摩擦而产生的必然结果，是摩擦学的一个主要方面。研究磨损的目的在于通过对各种磨损现象的观察和分析，找到它们的变化规律和影响因素，从而寻求控制磨损和提高耐磨性的措施。 根据统计，机械零件的失效主要有磨损、断裂和腐蚀等三种方式，而磨损失效却占60~80%[17]。英美等国近年来对各自国家摩擦学状况的调查结果表明：由于材

料磨损失效所造成的损失估计每年都在上千亿美元；改善润滑、降低磨损可能带来的经济效益约占各国国民生产总值的2%以上[18]。我国由于技术落后、设备老化等

多方面的原因，实际情况还要严重。因此，对于开展材料磨损机理、失效分析和失效防治技术的研究，各国都十分重视。

2.1摩擦系统分析和描述 当材料发生磨损时，人们一般把它作为一个系统来进行研究。材料副的摩擦和磨损并不是材料的固有特性，而是与系统有关并有相互作用的特性。任何一个摩擦学系统，都是多个学科行为间强耦合的结果，具有固有的复杂性。对摩擦学问题的任何正确分析都需要考虑许多参数和影响因素。 一个典型的摩擦学系统如下：

图2-1摩擦系统的描述 工作变量的输入通过系统结构变换成技术上有用的输出，即有用输出。同时，

运转变系统结构 S={A，P，R} A：元素 有用输损耗输出