某汽油機低剛度氣門彈簧的設(shè)計

高宏偉，李東輝，關(guān)　瑩，劉　剛，張　虎，佟　歡

（1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定071000）

某汽油機低剛度氣門彈簧的設(shè)計

高宏偉，李東輝，關(guān)瑩，劉剛，張虎，佟歡

（1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定071000）

氣門彈簧是為了滿足配氣機構(gòu)的需求，保證氣門及時關(guān)閉、平穩(wěn)落座。同時，抵消配氣機構(gòu)在工作過程中的慣性力，防止傳動件之間的脫落。通過設(shè)計低剛度氣門彈簧，可以有效改善配氣機構(gòu)所帶來的振動，提高發(fā)動機的舒適性；改善傳動件之間的受力情況，降低傳動件之間磨損程度；同時也可以降低凸輪驅(qū)動力矩，減小驅(qū)動能耗，保證發(fā)動機輸出更高的有效能量。顯然，氣門彈簧在配氣機構(gòu)中起到了至關(guān)重要的作用。

氣門彈簧低剛度接觸應(yīng)力驅(qū)動力矩

1　前言

配氣機構(gòu)主要是按照各缸進行的工作循環(huán)以及發(fā)火次序的要求，定時開關(guān)進排氣門，以及控制各缸進排門開度的大小，保證新鮮空氣得以進入氣缸以及廢氣及時排出。該機構(gòu)設(shè)計的好壞直接關(guān)系到發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性、排放性、可靠性、舒適性等[1]。然而氣門彈簧作為配氣機構(gòu)重要的零件之一，在發(fā)動機正常工作過程中，受到交變載荷的作用。彈簧力的大小直接影響氣門的受力情況，關(guān)系到氣門落座情況、傳動件之間受力的大小，因而對彈簧力、抗疲勞程度提出了嚴格的要求。伴隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對汽車舒適性、節(jié)能環(huán)保的追求，低剛度氣門彈簧是一種趨勢。所以氣門彈簧對發(fā)動機的影響也是顯而易見的。

2　低剛度氣門彈簧設(shè)計

大家熟知，作為氣門彈簧最重要的2個參數(shù)是預(yù)緊力和剛度。在彈簧設(shè)計過程中，通過對氣門在配氣機構(gòu)中的受力分析，得到配氣機構(gòu)需要彈簧預(yù)緊力的最小值，從而通過調(diào)整彈簧參數(shù)，確定彈簧預(yù)緊力以及控制最低的剛度值。

2.1數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

2.1.1發(fā)動機壓力曲線

圖1和圖2分別是某汽油機的缸內(nèi)壓力曲線和排氣道壓力曲線。通過作用在排氣門上的最大壓力差值，計算得到氣門背壓；尤其增壓機型，應(yīng)重點考察排氣道內(nèi)的壓力。

圖1　缸內(nèi)壓力曲線

圖2　排氣道壓力曲線

2.1.2彈簧預(yù)緊力的計算

為便于實際裝配和降低生產(chǎn)成本，一般把進排氣彈簧統(tǒng)一。為了保證氣門的有效關(guān)閉，通過計算得到，配氣機構(gòu)需要的最小彈簧預(yù)緊力，一般情況只考察排氣彈簧即可。

式中，

F1——彈簧預(yù)緊力

F氣道——氣道壓力對氣門作用力；

F氣缸——缸內(nèi)壓力對氣門作用力。

應(yīng)用此公式可以得到配氣機構(gòu)需要氣門彈簧預(yù)緊力的最小值[1]。

2.2彈簧設(shè)計

2.2.1K·na參數(shù)的確定

根據(jù)選定的彈簧材料，結(jié)合缸蓋上彈簧的布置空間，選取彈簧鋼絲直徑和彈簧中徑數(shù)值，最終得到彈簧剛度K和有效圈數(shù)na的乘積K·na，見圖3[2]。

圖3　K·na值的確定圖

2.2.2彈簧剛度K值的確定

由缸蓋的布置空間決定的氣門彈簧安裝高度L1，調(diào)整彈簧參數(shù)滿足預(yù)緊力大于配氣機構(gòu)需要的最小值，由此確定彈簧剛度，參見圖4。就這樣得到了針對發(fā)動機需要的彈簧預(yù)緊力以及能夠滿足氣門工作過程中的剛度值[2]。

圖4　K值的確定

3　結(jié)果評價

結(jié)果評價主要包含彈簧的結(jié)果評價，以及改進后彈簧對配氣機構(gòu)的影響。

3.1彈簧的結(jié)果評價

一般情況下，氣門彈簧主要評價剪切應(yīng)力、振動情況以及疲勞強度，以及設(shè)計過程中滿足最低的設(shè)計要求。

3.1.1彈簧剪切應(yīng)力的評價

結(jié)合設(shè)計完的彈簧參數(shù)，以及氣門最大開度下的彈簧受力，推導(dǎo)出彈簧的最大剪切應(yīng)力，滿足特定材料的限值，保證一定的安全余量。

3.1.2振動的校核

凸輪轉(zhuǎn)動過程中，加在氣門彈簧上面的力就是氣門彈簧振動的激振力。像其他振動一樣，當(dāng)激振力的頻率與系統(tǒng)固有頻率成一定比例時，彈簧發(fā)生共振。此時彈簧會被施加額外應(yīng)力，導(dǎo)致彈簧很快發(fā)生破壞。所以一般會校核彈簧的固有頻率與發(fā)動機頻率成一定的倍數(shù)，才會保證彈簧不會發(fā)生共振。但是彈簧固有頻率過高，也同樣會導(dǎo)致彈簧內(nèi)應(yīng)力過高，需提高材料的疲勞強度。綜合考慮，要將彈簧固有頻率控制在一定范圍內(nèi)，才能使得彈簧持久有效的工作。

3.1.3彈簧疲勞強度的校核

氣門彈簧在正常工作過程中，受到來自凸輪軸以及氣門的交變載荷的作用，所以，疲勞強度作為評價彈簧的一個重要指標(biāo)。一般應(yīng)用氣門全開和全關(guān)時彈簧所受載荷及相應(yīng)最大最小剪切應(yīng)力來校核彈簧的疲勞強度。

3.2彈簧對配氣機構(gòu)的影響

一般情況下，采用這樣的思路設(shè)計氣門彈簧時，會確定一組滿足彈簧使用條件下的最小彈簧預(yù)緊力以及彈簧剛度。這對減小傳動件之間接觸力以及凸輪軸的驅(qū)動力矩是功不可沒的。下面是某機型的氣門彈簧更改前后的結(jié)果對比。

圖5和圖6分別是氣門彈簧改進前后凸輪與從動件接觸應(yīng)力的仿真結(jié)果。對比結(jié)果，新設(shè)計的低剛度彈簧，接觸應(yīng)力最大值降低8%左右。由此預(yù)計采用新設(shè)計的氣門彈簧可降低磨損。

圖5　改進前凸輪與從動件接觸應(yīng)力

圖6　改進后凸輪與從動件接觸應(yīng)力

圖7和圖8分別是氣門彈簧改進前后凸輪桃子驅(qū)動力矩的仿真結(jié)果。對比結(jié)果顯示，新設(shè)計的低剛度彈簧，單個凸輪桃子驅(qū)動力矩最大值降低4%左右。由此預(yù)計采用新設(shè)計的氣門彈簧可降低凸輪軸的驅(qū)動能耗。

圖7　改進前凸輪桃子驅(qū)動力矩

圖8　改進后凸輪桃子驅(qū)動力矩

4　結(jié)束語

應(yīng)用此種設(shè)計思路進行小型內(nèi)燃機的氣門彈簧設(shè)計，并考慮對配氣機構(gòu)的影響，最終得到滿足評價指標(biāo)的彈簧參數(shù)；同時與更改前的氣門彈簧進行仿真模擬對比，最后得出驅(qū)動元件之間的受力以及凸輪桃子驅(qū)動力矩。更改后的彈簧對配氣機構(gòu)工作有改善，降低了傳動件之間的接觸應(yīng)力；同時也可以實現(xiàn)對凸輪軸材料的更改，達到降成本的目的等等。顯然，低剛度氣門彈簧的設(shè)計對配氣機構(gòu)的改善十分明顯，對發(fā)動機的動力性、可靠性等有很大程度的貢獻。

1陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

2楊連生.內(nèi)燃機設(shè)計[M].北京：中國農(nóng)業(yè)機械出版社，1981.

Design of Low Stiff Valve Spring for a Gasoline Engine

Gao Hongwei,Li Donghui,Guan Ying,Liu Gang,Zhang Hu,Tong Huan
（1.Technology Center of Great Wall Motor Company Limited,Baoding 071000,China; 2.Automobile Engineering and Technology Research Center of Hebei Province,Baoding 071000,China）

The function of a valve spring is to satisfy the requirement of a valve train.The spring can ensure a valve to close on time and seat smoothly.Meanwhile,it can counteract the inertia force during the movement of valve train components and prevent contacting bodies in the system from loosing contact.A low stiff valve spring is designed to improve the valve train of a gasloline engine.The new spring can reduce valve train vibration efficently,making the engine run smoothly,and reduce the system friction loss.In addition,the new spring also can lower cam drive torque,thus decreasing power consumption.Obviously,a valve spring can play an important part in a valve train.

valve spring,low stiffness,contact stress,drive torque

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.01.009

來稿日期：2013-09-29

高宏偉(1989-)，男，學(xué)士，從事發(fā)動機仿真分析工作。