正时皮带是汽车上需要严格按照设计要求定期更换的部件，车上其他的部件基本都可以用到坏了或者差不多坏了再修再换，而正时皮带则不然，不能图省事省钱拖到坏了再换，否则代价很大。更换正时皮带属于比较大的维护项目，4S店收费不菲。我们来探讨一下什么是正时皮带，为什么需要正时皮带，为什么正时皮带要定期更换以及为什么换正时皮带那么贵等问题。最后是动手换一台丰田4AFE发动机的正时皮带的过程实例，不过实际DIY过程的照片效果并不理想，一是满手油污不好照相，很多都忘了拍，二是实际的车上发动机舱内空间十分狭小光线暗淡，很难拍出像样的照片，所以以前DIY的时候基本没有留下适合发帖的系统性的照片，这一次是有意照了些照片但是大部分效果也不好，很多也没拍，所以帖子里尽量把细节用文字叙述清楚。具体过程有同样型号发动机的朋友可以直接照搬，其他发动机也可以参考。 为什么会有正时皮带这种东西？首先要从内燃机的原理说起。 四冲程内燃机的工作原理很简单，曲轴转两周活塞变换运动方向四次完成一个完整的工作循环。四冲程的发动机都有两套气门，一套负责进气，一套负责出气，两套气门必须配合活塞的位置精确开闭才能保证发动机正确地运转。 气门的运动则是由简单的凸轮轴转动由凸轮顶开的，这种东西在几百年前的蒸汽机时代就发明了： 四冲程发动机的每个气门是一个工作循环只开闭一次，而曲轴每个工作循环则转两周，所以凸轮轴不可能直接用在曲轴上做出凸轮的方法代替，它必须是单独的一个轴（或几个轴）通过2：1的减速装置由曲轴间接驱动。 早期有些发动机气门安装在气缸旁边，而且有比较长的气门杆，凸轮轴则在气缸下部靠近曲轴的地方。这种配置结构简单体积小成本低，而且由于凸轮轴很靠近曲轴，所以两者之间可以方便地通过一对齿数2：1的齿轮来驱动，著名的有纳粹德国宝马R71血统的长江750偏三轮摩托车就是这种结构的发动机。这个年代的发动机是没有正时皮带的： 但是人们很快发现，这种气门布局有很大的缺点，由于气门开在气缸旁边，使气缸容积的死区比较大，也就是活塞扫不到的区域很大，所以这种发动机的压缩比较低，发动机的功率和效率就低。而且气门离活塞较远，进气和出气都要经过较远的距离，进气排气的效率也很低。这种结构对气缸是不对称的，所以也有磨损和润滑的种种问题。在这种发动机的基础上改进的结构复杂一些的就是把气门安装在气缸正上方，可以有效低避免前面那种结构的缺点，提高发动机的功率和效率，这就是顶置气门。顶置气门如果还是采取跟上面那种结构类似的用长气门挺杆通过增加一个摇臂由气缸下部靠近曲轴的凸轮轴来驱动的话就给成为挺杆式顶置凸轮轴。以前这种发动机很常见，现在基本上只能在美式大排量“肌肉车”比如野马跑车上还有一些皮卡越野上还能见到了。
这种结构的发动机凸轮轴和曲轴仍然靠得很近，理论上用齿轮直接驱动就行了，用不着正时皮带。不过现在的挺杆式顶置气门发动机实际上并不用齿轮直驱凸轮轴，原因是齿轮是刚性传动，而凸轮轴的负荷是周期性不均匀的脉冲式的，这个脉冲式的负荷力会使齿轮产生不对称的非均匀磨损和明显的震动，所以现在挺杆式顶置气门美式肌肉车的凸轮轴都是用一条很短的正时链条来驱动的。 挺杆式顶置气门发动机结构简单可靠，体积紧凑，但是缺点是长挺杆的热膨胀变形大，导致气门开闭精度低，而且长气门挺杆和摇臂的重量大惯性大动作慢，所以不适于高速运行。因此挺杆式顶置气门发动机的效率和功率都较低，为了提高功率就需要采用更大的排量。近年来北美之外的国家对大排量汽车都有较高税费方面的限制，所以在北美之外采用挺杆式顶置气门发动机的汽车几乎已经绝迹。 挺杆式顶置气门的进一步改进就是顶置凸轮轴顶置气门，也就是把凸轮轴搬到气缸上方，这样用可以不用摇臂，只用很短的气门杆直接和凸轮轴配合就可以工作了，可以大大提高气门开闭的精密度以及开闭的速度，可以实现发动机的高转速高效率，因此也就被现在几乎所有的汽车所采用。 在顶置凸轮轴的基础上又进行的发动机配气结构改进就是双顶置凸轮轴，在气缸上面安排两根凸轮轴以后就可以增加每个气缸的气门数量，从一个进气门一个排气门（2气门）增加到两个进气门一个排气门（3气门）、或者两个进气门两个排气门（4气门）、甚至三个进气门两个排气门（5气门）。。。气门越多进排气效率越高，发动机效率和功率也越高。不过双凸轮轴从驱动角度来看和单凸轮轴是一样的。现在的汽车几乎全部都是双顶置凸轮轴多气门结构的，英文简称DOHC。 顶置凸轮轴可以提高发动机的效率和功率，但是这样问题就来了，把凸轮轴移到气门上方以后凸轮轴与曲轴的距离就很远了，如果再采用齿轮驱动的话将需要一大串齿轮，不仅重量和成本会大大提高，而且润滑也会很困难，另外前面提到的齿轮刚性传动的性质也会导致凸轮轴非均匀负荷所产生的不均匀磨损和较大的噪声。因此实际上没有厂家用齿轮来做顶置凸轮轴和曲轴之间的传动。人们想到了用轻便的柔性连接来进行顶置凸轮轴和曲轴间的动力传动。这种柔性连接有两种办法，一个是采用皮带，一个是采用链条。和很多人的感觉相反，人类最早使用的凸轮轴柔性连接方式是正时链条，而正时皮带的发明和使用则晚得多，因为用于正时皮带的高性能的合成橡胶的出现比正时链条的钢铁材料要晚得多。正时皮带最开始发明的时候是用于高性能运动型赛车的，因为它有比链条重量轻惯性小摩擦力小等优势，在赛车发动机上反应更快。正时皮带直到70年代才开始在普通汽车上普及广泛采用。
正时链条和正时皮带这两种凸轮轴柔性驱动方法各有优缺点，所以目前都有广泛的使用。皮带重量轻体积小成本低，传动效率高，噪音小，而且不用润滑，皮带的柔韧性好，可以拐很急的弯，路径随便走，所以发动机的设计可以更灵活，但是皮带也有一个显著的缺点，那就是寿命短，因为它主要是用橡胶做的。而用链条来进行顶置凸轮轴和曲轴间的传动则寿命长，但是缺点重量大体积大传动效率低，噪音比较大，对润滑也有严格要求，而且链条不适宜拐很急的弯，对发动机整体设计也造成一定的限制。 未完待续，下面的内容更精彩。[ 此帖被hongo在2014-10-22 21:37重新编辑 ]
