第26卷第22期
视点·专题
CHINARUBBER
·21·
汽车零配件
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
展进
盖茨公司动力传动部一直从事汽车皮带传动系统的研发和制造，其正时皮带传动技术处于世界领先地位。基于正时皮带传动系统分别处于干燥和油雾两种环境状况下的燃油经济性和声学特性的对比研究，本文着重介绍了正时皮带传动系统相对于链传动系统在发动机燃油经济性和NVH方面的优势，以及减少摩擦损失的优势和更佳的声学表现。
潘利群
胶和高拉伸模量的玻纤线绳组成。这些材料的组合所形成的产品的特性，能够承受很大的动态冲击载荷而不造成永久性的延伸和磨损。相反的，对于由很多金属连接而成的链条，其刚度高但阻尼小，因此在承受大的动态冲击载荷时必定会产生磨损或永久性的延伸。链条由于长时间的磨损而产生的延伸（比皮带大10倍）对于发动机排放控制是非常不利的。在“泵喷嘴”柴油机上应用正时皮带就是一个很好的例子，对于这种高动态和高载荷的系统，链条技术是无法和正时皮带相竞争的。
布置在松边的张紧器起到保持系统张力的作用，并且可以补偿皮带或链条在系统寿命期内的磨损与延伸。在皮带传动系统中，张力是由液压或弹簧加载装置通过采用球轴承的塑料带轮或者铁带轮提供，所有的皮带张紧装置都能够完全独立于发动机的机油润滑系统工作。而链传动系统中的张力是由液压张紧器提供，并且绝大多数是通过塑料材质的摩擦导轨来施加的；链条张紧器必须直接连接到发动机的机油润滑系统。
链传动要求所有的皮带股都有附加导轨进行导向，以减小链条股的抖动。皮带传动系统只是在皮带股很长或者皮带有可能与周围发动机零件碰到的情况下才需要增加附加惰轮。
最近，能在机油环境下工作的正时皮带被作为优先考虑的方案，该情况下，正时皮带被用于发动机内典型的链条环境中。这可能是出于布置上的原因，但同时也是为了充分利用皮带传动的优势，例如更佳的
一、介绍
目前，欧洲现代发动机顶置凸轮轴的驱动，应用最为广泛的技术是同步皮带传动。近年来，盖茨公司在材料开发和传动系统优化设计等方面投入了大量的精力，研究可以达到与发动机等寿命的正时皮带传动系统。最近几年，已经有许多可以与发动机等寿命的正时皮带传动系统成功地进入了市场。
与链传动相比，正时皮带传动有着显著的优势。如优秀的延伸性能和良好的阻尼特性，保证了正时皮带在发动机整个寿命期间都能对凸轮轴的相位进行精确的控制，确保了发动机在燃油经济性和排放等方面处于最佳状态。另一个重要的方面是，皮带传动系统可以通过一条皮带同时传动其他轮系辅件，如水泵和喷油泵等，这对轮系布置是个很明显的优势。
二、功能定义
不论是正时皮带传动还是正时链传动，其主要作用都是使发动机的凸轮轴与曲轴同步运动。凸轮轴与曲轴间的任何相位误差都会导致燃油消耗增加和排放恶化。两种技术的基本设计要求是一致的，都要求持久耐用、结构紧凑、静音、高效、最优化的系统成本和保养成本。
汽车同步皮带是由耐热尼龙帆布、耐热合成橡
NVH性能以及减少摩擦损失从而改善燃油经济性。
三、试验设置
盖茨公司和它在日本的兄弟公司———盖茨优
·专题·22·视点
汽车零配件CHINARUBBER霓塔亚洲公司，在皮带传动系统和链传动系统的摩擦损失对比方面进行了一系列研究。在研究过程中，考虑到了张力大小或张紧轮种类等因素造成的影响，并且在两种传动系统之间进行了对比。另一个研究是进行了正时皮带传动和链传动在声学性能上的对比。
第26卷第22期
1.摩擦损失研究的试验概念
摩擦损失研究是在一个允许安装不同气缸盖的试验台架上进行的，见图1。该试验台架包括一个电动马达，它通过皮带驱动主轴，主轴上贴有测量驱动扭矩的应变片。气缸盖安装在测试机顶部的加工平面上，凸轮轴通过驱动系统连接到主轴上。
为了控制测试环境，在试验台架的前端面装有一个罩住整个被测试系统的加热箱，加热箱内的温度控制在100℃。
试验台还包括一个可加热的压力机油系统，为气缸盖提供润滑，并给链传动系统的张紧器提供压力机油。机油的温整以模拟发动机真实机油系统的状况。
试验机是一个三缸三气门的汽油机。进行的对比试验包括不同种类的张紧装置的影响，以及两种不同类型的链条———滚子链和静音链，见图2。链传动的测试是在普通工况有油润滑的环境下进行的，正时皮带传动的测试只在干燥无油的工况下进行。
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：（1）传动中的摩擦损失总和；（2）气门机构的摩擦损失（A）；（3）驱动轴的轴承摩擦以及皮带/链条啮合的摩擦损失（B）；（4）张紧轮/导轨的摩擦损失（C）。详见图3。
图2
研究摩擦损失的三缸三气门发动机的驱动布局图1
研究摩擦损失的测试台架
度控制在100℃，实时监控机油压力并对它进行调的，使用的是一台量产的4缸1.2升四气门汽油机。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
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
10cm的近场麦克风同步进行测量。
第26卷第22期
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·23·
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注：①通过对驱动扭矩曲线的角度积分可以得到摩擦损耗值；②上述的损耗包含了配气机构间的摩擦。
图3
摩擦损失的分类
图5
摩擦损失的定义
图4声学研究的试验轮系
四、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：（1）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；（2）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；（3）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。
图6摩擦损失的对比
正时皮带系统的测量结果是最佳的，绝对值最小为2.6Nm，最大为3.4Nm。因此，最好的链系统与对比的皮带系统的差异约为0.9Nm～1.1Nm。
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4～5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.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0.3～1.0Nm的改善。
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～300N，正时皮带系统的摩擦损失受到安装张力的影响：最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。由图6可见，摩擦损失量的次序为：静音链≥滚子链>正时皮带；正时皮带摩擦的损耗量伴随着皮带张力的降低而降低。
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%。
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。由图可见，气门机构的摩擦损失占整个系统损失量的50%；带传动中张紧轮的摩擦损失最大为0.3Nm；链传动中张紧系统的摩擦损
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最大摩擦损失。测得的绝对值在3.9Nm～
4.3Nm之间，两个链条系统的差值可达到0.3Nm。
·专题·24·视点
汽车零配件CHINARUBBER失最大达到0.8Nm。
第26卷第22期
在前面提到过的4缸冷拖发动机上进行的。
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）。
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～
图72000rpm结果汇总
6.改善燃油消耗的计算
评估燃油消耗量的公式见图8。
5分贝（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分贝（A）的差异将会略小一些。
六、结论
随着发动机的设计者和制造者追求更高的发
图8
燃油消耗改善的计算
动机效率以及排放法规的日益严格，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。一个合理设计的皮带传动系统可以达到或超过30万km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。□
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％的假设，可以得到燃油耗下降2％的结果。这种燃油消耗的改善，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精确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。
五、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
AdvantagesoftimingbeltdrivesystemintheenginefueleconomyandNVH
characters
ZhanJin,PanLi-Qun
Abstract:Comparedwiththechaindrive,timingbeltdrivehasasignificantadvantage.Forinstance,goodextensionanddampingcharacteristicsensurethatthetimingbeltaccuratelycontrolsthephaseofcamshaftduringtheentirelifeofenginetomaketheengineatitsbestinfueleconomyandemissions,etc.Thetimingbeltdrivesystemwasbasedoncomparativestudiesoffueleconomyandacousticcharacteristicsunderbothdryandoilmistenvironmentalconditions.Thisarticlefocusesontheadvantagesoftimingbeltdrivesystemrelativetothechainoftransmissionintheenginefueleconomy,NVHcharacters,reducingfrictionlossesandprovidingbetteracousticperformance.
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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
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潘利群
胶和高拉伸模量的玻纤线绳组成。这些材料的组合所形成的产品的特性，能够承受很大的动态冲击载荷而不造成永久性的延伸和磨损。相反的，对于由很多金属连接而成的链条，其刚度高但阻尼小，因此在承受大的动态冲击载荷时必定会产生磨损或永久性的延伸。链条由于长时间的磨损而产生的延伸（比皮带大10倍）对于发动机排放控制是非常不利的。在“泵喷嘴”柴油机上应用正时皮带就是一个很好的例子，对于这种高动态和高载荷的系统，链条技术是无法和正时皮带相竞争的。
布置在松边的张紧器起到保持系统张力的作用，并且可以补偿皮带或链条在系统寿命期内的磨损与延伸。在皮带传动系统中，张力是由液压或弹簧加载装置通过采用球轴承的塑料带轮或者铁带轮提供，所有的皮带张紧装置都能够完全独立于发动机的机油润滑系统工作。而链传动系统中的张力是由液压张紧器提供，并且绝大多数是通过塑料材质的摩擦导轨来施加的；链条张紧器必须直接连接到发动机的机油润滑系统。
链传动要求所有的皮带股都有附加导轨进行导向，以减小链条股的抖动。皮带传动系统只是在皮带股很长或者皮带有可能与周围发动机零件碰到的情况下才需要增加附加惰轮。
最近，能在机油环境下工作的正时皮带被作为优先考虑的方案，该情况下，正时皮带被用于发动机内典型的链条环境中。这可能是出于布置上的原因，但同时也是为了充分利用皮带传动的优势，例如更佳的
一、介绍
目前，欧洲现代发动机顶置凸轮轴的驱动，应用最为广泛的技术是同步皮带传动。近年来，盖茨公司在材料开发和传动系统优化设计等方面投入了大量的精力，研究可以达到与发动机等寿命的正时皮带传动系统。最近几年，已经有许多可以与发动机等寿命的正时皮带传动系统成功地进入了市场。
与链传动相比，正时皮带传动有着显著的优势。如优秀的延伸性能和良好的阻尼特性，保证了正时皮带在发动机整个寿命期间都能对凸轮轴的相位进行精确的控制，确保了发动机在燃油经济性和排放等方面处于最佳状态。另一个重要的方面是，皮带传动系统可以通过一条皮带同时传动其他轮系辅件，如水泵和喷油泵等，这对轮系布置是个很明显的优势。
二、功能定义
不论是正时皮带传动还是正时链传动，其主要作用都是使发动机的凸轮轴与曲轴同步运动。凸轮轴与曲轴间的任何相位误差都会导致燃油消耗增加和排放恶化。两种技术的基本设计要求是一致的，都要求持久耐用、结构紧凑、静音、高效、最优化的系统成本和保养成本。
汽车同步皮带是由耐热尼龙帆布、耐热合成橡
NVH性能以及减少摩擦损失从而改善燃油经济性。
三、试验设置
盖茨公司和它在日本的兄弟公司———盖茨优
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汽车零配件CHINARUBBER霓塔亚洲公司，在皮带传动系统和链传动系统的摩擦损失对比方面进行了一系列研究。在研究过程中，考虑到了张力大小或张紧轮种类等因素造成的影响，并且在两种传动系统之间进行了对比。另一个研究是进行了正时皮带传动和链传动在声学性能上的对比。
第26卷第22期
1.摩擦损失研究的试验概念
摩擦损失研究是在一个允许安装不同气缸盖的试验台架上进行的，见图1。该试验台架包括一个电动马达，它通过皮带驱动主轴，主轴上贴有测量驱动扭矩的应变片。气缸盖安装在测试机顶部的加工平面上，凸轮轴通过驱动系统连接到主轴上。
为了控制测试环境，在试验台架的前端面装有一个罩住整个被测试系统的加热箱，加热箱内的温度控制在100℃。
试验台还包括一个可加热的压力机油系统，为气缸盖提供润滑，并给链传动系统的张紧器提供压力机油。机油的温整以模拟发动机真实机油系统的状况。
试验机是一个三缸三气门的汽油机。进行的对比试验包括不同种类的张紧装置的影响，以及两种不同类型的链条———滚子链和静音链，见图2。链传动的测试是在普通工况有油润滑的环境下进行的，正时皮带传动的测试只在干燥无油的工况下进行。
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：（1）传动中的摩擦损失总和；（2）气门机构的摩擦损失（A）；（3）驱动轴的轴承摩擦以及皮带/链条啮合的摩擦损失（B）；（4）张紧轮/导轨的摩擦损失（C）。详见图3。
图2
研究摩擦损失的三缸三气门发动机的驱动布局图1
研究摩擦损失的测试台架
度控制在100℃，实时监控机油压力并对它进行调的，使用的是一台量产的4缸1.2升四气门汽油机。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
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
10cm的近场麦克风同步进行测量。
第26卷第22期
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注：①通过对驱动扭矩曲线的角度积分可以得到摩擦损耗值；②上述的损耗包含了配气机构间的摩擦。
图3
摩擦损失的分类
图5
摩擦损失的定义
图4声学研究的试验轮系
四、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：（1）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；（2）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；（3）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。
图6摩擦损失的对比
正时皮带系统的测量结果是最佳的，绝对值最小为2.6Nm，最大为3.4Nm。因此，最好的链系统与对比的皮带系统的差异约为0.9Nm～1.1Nm。
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4～5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.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0.3～1.0Nm的改善。
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～300N，正时皮带系统的摩擦损失受到安装张力的影响：最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。由图6可见，摩擦损失量的次序为：静音链≥滚子链>正时皮带；正时皮带摩擦的损耗量伴随着皮带张力的降低而降低。
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%。
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。由图可见，气门机构的摩擦损失占整个系统损失量的50%；带传动中张紧轮的摩擦损失最大为0.3Nm；链传动中张紧系统的摩擦损
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最大摩擦损失。测得的绝对值在3.9Nm～
4.3Nm之间，两个链条系统的差值可达到0.3Nm。
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第26卷第22期
在前面提到过的4缸冷拖发动机上进行的。
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）。
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～
图72000rpm结果汇总
6.改善燃油消耗的计算
评估燃油消耗量的公式见图8。
5分贝（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分贝（A）的差异将会略小一些。
六、结论
随着发动机的设计者和制造者追求更高的发
图8
燃油消耗改善的计算
动机效率以及排放法规的日益严格，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。一个合理设计的皮带传动系统可以达到或超过30万km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。□
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％的假设，可以得到燃油耗下降2％的结果。这种燃油消耗的改善，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精确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。
五、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
AdvantagesoftimingbeltdrivesystemintheenginefueleconomyandNVH
characters
ZhanJin,PanLi-Qun
Abstract:Comparedwiththechaindrive,timingbeltdrivehasasignificantadvantage.Forinstance,goodextensionanddampingcharacteristicsensurethatthetimingbeltaccuratelycontrolsthephaseofcamshaftduringtheentirelifeofenginetomaketheengineatitsbestinfueleconomyandemissions,etc.Thetimingbeltdrivesystemwasbasedoncomparativestudiesoffueleconomyandacousticcharacteristicsunderbothdryandoilmistenvironmentalconditions.Thisarticlefocusesontheadvantagesoftimingbeltdrivesystemrelativetothechainoftransmissionintheenginefueleconomy,NVHcharacters,reducingfrictionlossesandprovidingbetteracousticperformance.