气门弹簧

展开

1气门弹簧工具介绍气门弹簧位于气缸盖和气门杆末端的弹簧座之间。气门弹簧的作用是保证气门在关闭时能紧紧地贴在气门座或气门座圈上，并在气门开启时克服气门机构产生的惯性力，使传动部件始终受凸轮控制而不相互分离。气门弹簧多由优质合金钢丝制成，并经过热处理以提高其疲劳强度。为了避免弹簧腐蚀，弹簧表面应该镀锌和磷化。弹簧的两个端面必须磨平，并垂直于弹簧的轴线，以防止弹簧在工作过程中歪斜。大多数气门弹簧是圆柱形螺旋弹簧。当气门弹簧的工作频率等于或为其固有频率的整数倍时，气门弹簧会发生共振，断裂的概率会增大。为了防止共振，可以使用变螺距弹簧。目前大部分发动机采用同心双弹簧。内外弹簧的旋转方向相反，外弹簧的刚度大于内弹簧的刚度。双弹簧不仅可以防止共振，还可以缩短弹簧的长度。并且当其中一个弹簧断裂时，另一个弹簧可以继续工作，防止气门落入气缸。2气门弹簧的设计方法气门弹簧的设计对发动机系统性能的重要性不亚于凸轮的设计。气门弹簧的作用包括防止气门在气压载荷下跳离气门座，控制气门运动以避免配气机构分离。气门弹簧设计影响凸轮应力、气门机构摩擦和弹簧颤动。发动机气门弹簧通常是两端封闭的开放式螺旋压缩弹簧。大多数发动机使用恒刚度弹簧，尽管有些发动机使用变刚度弹簧。对于低速柴油机，单弹簧设计通常足以满足要求，但有时需要带阻尼弹簧或内弹簧的双弹簧设计，以降低气门弹簧颤振的严重程度。气门弹簧的设计是一项非常复杂的工作。它可以作为一个例子来说明发动机系统设计的原则，原因有两三个。首先，解析弹簧设计方法显示了部件的设计参数和系统的设计参数之间的联系。其次，解析弹簧设计法表明，对于同一个设计问题，可以有两种不同的数学构造方法：一种是作为确定性解来处理，另一种是作为优化问题来求解。在优化问题的数学构造上，目标函数和约束函数都用显式函数列为例子。需要注意的是，在发动机系统设计的其他领域(如循环性能、凸轮设计、配气机构动力学)。用于优化构造的函数通常是更复杂的隐函数。第三，解析弹簧设计法给出了用图解设计法构造参数扫描设计图的实例。这些典型的参数图可以用来处理柴油机系统设计中经常遇到的多维设计问题。在气门弹簧设计中，已知的输入数据包括以下内容：最大气门升程；给定弹簧安装长度；弹簧所需的预紧力；所需的弹簧刚度。需要注意的是，弹簧的预紧力和刚度是发动机系统的设计参数，需要满足最大允许弹簧力和凸轮应力、排气门不跳浮、配气机构不飞脱等要求。气门弹簧设计和凸轮设计之间有很强的相互作用。如果在弹簧设计中很难找到解决方案，则必须修改这些输入数据。气门弹簧设计中，以下参数为计算输出数据：基本或独立弹簧设计参数(即平均弹簧直径、弹簧圈线径、工作圈数)；导出的设计参数(如弹簧的自由长度、最大压缩长度、压缩长度、线圈间的自由间隙、最大压缩时线圈间的实体间隙、弹簧的固有频率和颤振阶数、最大弹簧载荷、弹簧的最大扭力)。弹簧的基本设计参数决定了弹簧的刚度。一些输出参数受到设计约束的限制。例如，安装长度和平均直径 弹簧在最大压缩和压紧长度下的扭转应力受到弹簧的疲劳寿命、强度和最大容许应力极限的限制。弹簧颤振保护的约束条件通过控制弹簧的物理间隙和固有频率来实现。弹簧颤振的阶次是指弹簧的固有频率与发动机工作频率的比值。以便确保弹簧在操作中不会强烈振动。气门的固有频率通常应至少是发动机的13倍，即弹簧颤振的阶数应高于13。弹簧的固有频率分析表明，如果弹簧对凸轮轮廓的主导谐波之一非常敏感，颤振趋势肯定会存在。在这种情况下，有必要修改凸轮或弹簧的设计。有时，可变刚度或嵌套弹簧可以用来改变弹簧的频率，以帮助缓解颤振问题。弹簧设计是一个多维参数无汁问题，可以用图形化的方式处理，检查参数的灵敏度趋势。气门弹簧设计优化的目的是最大化弹簧的固有频率以减小弹簧的振动，同时满足以下约束条件：发动机系统要求的弹簧预紧力和气门弹簧刚度；最大允许弹簧应力；适当的实体间隙控制弹簧颤振。气门弹簧设计的3个步骤气门弹簧的设计是一个复杂的系统设计课题。良好的弹簧设计可以最大限度地减少配气机构的摩擦和磨损。现将一种基于结构参数灵敏度设计图的气门弹簧设计解析方法总结如下：(1)第一步，通过对车辆下坡行驶性能和发动机制动的分析，确定气门机构飞行速度的设计目标，从而确定所需的气门弹簧预紧力和弹簧刚度；(2)第二步，建立配气机构的动力学模型，以准确预测飞脱，并评估气缸内再压缩压力对飞脱的影响；(3)第三步：通过不同弹簧预紧力和弹簧刚度值的参数扫描计算，构建配气机构动力学参数图，检查它们对配气机构振动的影响。需要在图中画出推杆力、配气机构加速度和弹簧减速度相对于曲柄角的曲线，以表示飞脱的设计裕度，以便于在步骤4中方便、明智地选择弹簧预紧力和弹簧刚度的目标值；(4)第四步：根据排气阀阀头的静力平衡，计算出防止排气阀跳动和浮动所需的弹簧预紧力。为有排气制动和无排气制动的发动机选择排气门弹簧预紧力，使用步骤3中的设计参数表选择匹配的弹簧刚度；(5)第五步：计算设计参数的参数扫描值，用图形设计法构造弹簧设计的参数灵敏度设计图。选择弹簧的平均直径、线圈钢丝直径和圈数，满足弹簧的扭转应力、固有频率和线圈间隙等设计约束。或者可以用解析最优化方法直接求解方程。4折断气门弹簧的方法由于气门弹簧工作时承受扭转，其圆形截面上的应力分布是不均匀的。从靠近中心的原点到边缘点，应力逐渐增大，表面应力最大。就表面各点而言，内表面承受的应力最大，受平面应力影响。因此，气门弹簧表面一旦出现缺陷，最大应力集中就可能出现在缺陷处，从而导致弹簧的早期断裂。