内燃机正时系统凸轮轴驱动带轮结构

　　在往复式内燃机的前端轮系布局里，这类带轮承担着凸轮轴与曲轴之间的同步传动职责，是配气正时系统里的核心传动零件，直接决定进排气门的开闭相位能否与活塞运动行程精准匹配，一旦传动错位，轻则出现动力不足、怠速抖动，重则引发气门与活塞碰撞的恶性机械故障。从实际装车场景来看，这类带轮多应用在小排量乘用车的双顶置凸轮轴发动机上，也有部分单缸柴油机、通用小型汽油机的正时布局采用同类结构，区别仅在于轮体的辐板造型、齿形参数与安装定位方式。

　　设计这类带轮时，首先要匹配正时皮带的齿形规格，目前主流的正时皮带齿型有圆弧齿、梯形齿两类，轮齿的齿距、齿高、齿顶圆角都要与皮带参数完全吻合，避免啮合过程中出现爬齿、跳齿问题，同时齿面的粗糙度要控制在合理区间，既不能过于粗糙加速皮带磨损，也不能过于光滑导致皮带啮合时打滑。轮体的辐板采用镂空式结构，并非单纯为了减重，更重要的是平衡轮体转动惯量与结构刚度的关系：如果轮体采用实心结构，转动惯量过大会增加曲轴启动负载，也会加剧正时皮带的张紧侧载荷波动；如果镂空面积过大，轮体在高转速下受皮带张紧力作用会出现径向形变，导致齿形啮合错位，因此镂空槽的形状、位置都经过受力仿真优化，图中轮体的三处异形镂空槽，就是在保证轮体径向刚度满足120N张紧力下形变不超过0.05mm的前提下，尽可能去除非受力区域的材料，将轮体重量控制在合理范围。

　　安装边界方面，这类带轮的中心孔与凸轮轴轴端采用小间隙过渡配合，配合公差通常选H7/k6，依靠中心孔端面的定位销孔传递扭矩，避免带轮与轴之间出现相对转动，轮体的轴向定位依靠凸轮轴轴端的锁紧螺栓压紧，安装时要保证带轮的齿形中心面与曲轴正时带轮、张紧轮的中心面共面，平面度误差不能超过0.1mm，否则会导致皮带运行时出现偏磨，大幅缩短皮带使用寿命。轮体的外缘除了啮合正时皮带的齿圈外，部分同类型带轮还会在背侧加工信号齿，配合凸轮轴位置传感器采集相位信号，不过图中这款带轮的信号触发结构集成在辐板的镂空缺口处，通过缺口的位置变化给ECU传递一缸上止点信号，省去了额外的信号轮零件，减少了前端轮系的零件数量与装配工序。

　　从实际使用的工况来看，这类带轮的工作转速通常在0-6000rpm区间，要承受正时皮带的周期性张紧载荷，同时还要耐受发动机舱内-40℃到120℃的温度变化，因此材料多选用粉末冶金烧结成型或者45号钢冲压焊接成型，粉末冶金材质的轮体自身带有一定的自润滑特性，齿面耐磨性更好，适合批量生产的乘用车发动机；冲压焊接结构的带轮成本更低，多用于小批量的通用动力机械。轮体的齿部表面会做氧化处理或者磷化处理，避免长期使用过程中出现锈蚀，锈蚀产生的颗粒会嵌入正时皮带的齿槽内，加速皮带的磨损老化。

　　在建模过程中，首先要确定带轮的分度圆直径，分度圆直径由正时系统的传动比决定，通常凸轮轴的转速是曲轴的1/2，因此凸轮轴带轮的齿数是曲轴带轮齿数的2倍，确定齿数后根据齿形参数绘制单个齿的截面轮廓，通过圆周阵列生成整圈齿形，之后绘制辐板的轮廓，要注意镂空槽的圆角过渡，避免应力集中，在高转速下应力集中的位置容易出现疲劳裂纹，最终导致轮体断裂。中心孔与定位销孔的位置度公差要严格控制，位置度误差过大会导致安装后带轮径向跳动超标，运行时皮带出现周期性抖动，影响正时精度。另外带轮的安装端面要与中心孔轴线保证足够的垂直度，垂直度误差超过0.08mm就会导致皮带压紧后受力不均，出现早期损坏。

　　很多新手工程师在设计这类带轮时，容易忽略轮齿的齿向修形，实际上由于带轮安装时不可避免存在微小的角度误差，加上皮带运行时的横向窜动，齿向做微小的鼓形修形可以让齿面载荷分布更均匀，避免齿端出现偏载磨损。还有辐板与齿圈、轮毂的连接位置要做足够大的过渡圆角，不能采用直角连接，直角位置的应力集中系数是圆角过渡的3倍以上，长期受交变载荷作用很容易出现疲劳失效。在装配关系上，带轮装入凸轮轴后，要保证带轮的轴向位置与张紧轮、曲轴带轮对齐，偏差不能超过0.5mm，否则皮带会在运行过程中逐渐向一侧偏移，最终出现皮带脱轮、正时跳齿的故障。