摩托車發(fā)動機排氣門結(jié)構(gòu)改進及有限元分析

吳勇華，徐喬，耿愛農(nóng)，胡小安，溫國坤

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摩托車發(fā)動機排氣門結(jié)構(gòu)改進及有限元分析

吳勇華1，徐喬1，耿愛農(nóng)1，胡小安2，溫國坤1

（1.五邑大學 機電工程學院，廣東 江門 529020；2.江門市長華凱特威摩托車有限公司，廣東 江門 529085）

在分析摩托車發(fā)動機配氣機構(gòu)的功能要求和工作環(huán)境的基礎(chǔ)上，對排氣門進行了改進設(shè)計和有限元分析. 首先運用Pro/E工程軟件的MECHANICA Structure模塊對排氣門進行改進設(shè)計，通過軟件迭代運算功能得到最優(yōu)的基本結(jié)構(gòu)尺寸，然后對最優(yōu)模型進行有限元分析，由此獲得排氣門的應(yīng)力應(yīng)變和溫度分布狀況. 根據(jù)改進前后的數(shù)據(jù)對比和模型的有限元分析結(jié)果可以看到：改進后的排氣門應(yīng)力場及溫度場分布更合理、更科學，在滿足強度條件下，將排氣門的質(zhì)量由減至，減重14%，大大提高了高溫條件下排氣門的性能.

摩托車發(fā)動機；排氣門；有限元分析

摩托車發(fā)動機配氣機構(gòu)是發(fā)動機的重要組成部分，是實現(xiàn)進氣和排氣過程的關(guān)鍵裝置，對發(fā)動機的性能、振動以及噪音影響很大. 氣門（包括進氣門和排氣門）是發(fā)動機配氣機構(gòu)的重要部件，氣門的好壞決定著發(fā)動機工作的可靠程度. 氣門在氣缸中不斷循環(huán)地開啟、關(guān)閉進氣口和排氣口，確保氣缸內(nèi)新鮮空氣吸入和廢氣排出. 由于發(fā)動機的氣門一直處于在高溫、腐蝕、沖擊和交變載荷的工作環(huán)境中，因此，負責排氣任務(wù)的排氣門比進氣門要求更高[1]. 排氣門的設(shè)計、結(jié)構(gòu)、形狀、材料、加工工藝，以及其他相關(guān)零件如氣門座、氣門導管、氣門彈簧、凸輪及冷卻系統(tǒng)等都會影響它的性能和使用壽命[2]. 目前，業(yè)內(nèi)的研究方向一般是發(fā)動機排氣門的失效機理、動力學特性以及材料，這些研究都涉及較多復雜因素. 在氣門材料沒有突破的情況下，目前的重點研究方向是通過改進結(jié)構(gòu)來提高排氣門的性能和使用壽命.

1 排氣門設(shè)計要求與結(jié)構(gòu)簡介

排氣門的作用是通過與氣門座配合對燃燒室進行密封，并按工作循環(huán)的需要定時開啟和關(guān)閉，適時排出廢氣. 排氣門由盤部和桿部兩部分組成. 盤部用來封閉燃燒室的排氣通道，桿部則主要為氣門的運動導向. 與進氣門相比，排氣門的工作條件更加惡劣. 首先，排氣門頂面與氣缸的高溫燃氣室直接接觸，且被排出的高溫廢氣沖刷，冷卻條件很不理想，因此，排氣門受熱嚴重，溫度很高. 其次，排氣門還要承受氣缸內(nèi)燃氣高壓和氣門彈簧力的作用，且在氣門運動組件慣性力的作用下，排氣門也會對氣門座產(chǎn)生沖擊. 此外，排氣門盤部直接與高溫燃氣中的腐蝕性氣體接觸，易受腐蝕. 針對惡劣的工作條件，要求排氣門必須有足夠的強度、剛度、耐熱、耐磨和抗腐蝕能力[3]2.

排氣門設(shè)計既要滿足更好實現(xiàn)換氣的功能，又要兼顧可靠性和耐久性. 由于排氣門與氣缸燃燒室接觸，受熱膨脹時會對排氣門產(chǎn)生較大的壓力，因此，若增加氣門盤底的厚度，則使氣門的總質(zhì)量增加，導致落座的沖擊力和熱容量增大，氣門磨損加劇，同時會產(chǎn)生較大的噪音. 但是，減輕氣門重量又會導致其強度和剛度的不足而引起失效. 綜合以上因素，排氣門的結(jié)構(gòu)設(shè)計為錐形結(jié)構(gòu)，見圖1.

氣門桿徑；氣門頸部圓弧半徑；氣門鎖夾槽圓弧半徑；氣門盤部凹槽半徑

2 排氣門的失效分析

摩托車發(fā)動機出現(xiàn)的故障中，排氣門的失效占一定的比例. 排氣門的失效形式主要有以下幾種：1）由于材料選用不合理，使氣門的強度和硬度達不到要求，導致氣門掉頭、掉塊以及變形；2）由于設(shè)計不合理導致錐面磨損、桿部斷裂[4]33；3）由于選材不良和制造精度不高導致桿部崩落. 由于排氣門在較惡劣的環(huán)境中工作，導致這些失效的原因是復雜的，是多種因素綜合影響的結(jié)果. 因此，排氣門的改進設(shè)計也需要從沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變、高溫產(chǎn)生的溫度場及材料性能等方面綜合分析.

3 排氣門改進設(shè)計

3.1 創(chuàng)建模型

本文采用Pro/MECHANICA模塊對氣門進行改進設(shè)計. 根據(jù)已知的條件建立氣門模型，然后設(shè)定單位和材料屬性，定義約束載荷以及設(shè)計參數(shù)，進行靈敏度分析，再根據(jù)結(jié)果改善模型. 并通過Pro/MECHANICA模塊的全局靈敏度分析確定設(shè)計參數(shù)的范圍，從而進行改進設(shè)計[5].

圖2 排氣門模型

3.2 約束及載荷

排氣門開啟時與氣門座是不發(fā)生任何接觸的，此時不存在接觸應(yīng)力. 排氣門只有在落座后才與氣門座發(fā)生接觸，即排氣門運動位移為零時氣門與氣門座有接觸應(yīng)力，即氣門與氣門座發(fā)生接觸碰撞時是最危險的時刻. 在最高的爆發(fā)壓力下，氣門處于關(guān)閉狀態(tài)，承受的是彈簧預緊力、氣體壓力和沖擊載荷. 因此，需對氣門軸的自由度進行約束，并在氣門盤部加上氣門所受的最大沖擊載荷，以及在氣門端面加上氣體壓力和預緊力等以滿足氣門與氣門座之間所需的接觸應(yīng)力. 本文選用某款摩托車發(fā)動機作為實例，其氣門彈簧的預緊力為，氣體壓力載荷為，沖擊載荷為，并考慮本身的重力[6].

3.3 靈敏度分析

靈敏度分析是研究與分析一個模型的狀態(tài)或輸出變化對系統(tǒng)參數(shù)或周圍條件變化的敏感程度的方法. 在分析過程中，為了能確定重要設(shè)計參數(shù)，并排除那些影響程度很小的設(shè)計參數(shù)，通常定量地表示這種影響程度[7].

3.3.1 局部靈敏度分析

為了得到設(shè)計改進時需要重點考慮的設(shè)計參數(shù)，需通過局部靈敏度分析確定每個設(shè)計參數(shù)對模型性能影響的程度大小. 這里的模型性能指模型應(yīng)力.

根據(jù)局部靈敏度分析曲線圖，可以得出氣門模型的應(yīng)力對氣門桿徑、氣門頸部圓弧半徑和氣門盤部凹槽半徑比較敏感，氣門桿鎖夾槽半徑對模型最大應(yīng)力的影響不大. 因此改進設(shè)計時只需重點考慮對模型應(yīng)力影響較大的參數(shù).

3.3.2 全局靈敏度分析

全局靈敏度分析就是通過對模型性能影響較大的設(shè)計參數(shù)分析，確定用于改進設(shè)計的變化范圍，從這些參數(shù)的變化范圍中尋求最佳的設(shè)計模型.

圖4 各參數(shù)的全局靈敏度分析曲線

圖5 設(shè)計參數(shù)對氣門模型質(zhì)量變化影響

3.4 改進設(shè)計

在保證模型的約束條件前提下，改進設(shè)計應(yīng)盡可能滿足質(zhì)量輕、體積小、形狀合理、成本最低以及力學方面最大限度地減緩過渡區(qū)應(yīng)力集中等目標條件. 因此，排氣門改進設(shè)計的目標函數(shù)設(shè)定為氣門的質(zhì)量最小. 約束條件為氣門的最大強度要小于或等于其許用應(yīng)力. 由此得到其強度不大于.

表1 某型號摩托車排氣門原始值與改進值的比較

4 排氣門有限元分析

改進排氣門結(jié)構(gòu)不僅要考慮動力學因素，也要考慮排氣門在高溫環(huán)境工作時產(chǎn)生的熱應(yīng)力. 在高溫環(huán)境中，需用有限元軟件分析氣門工作時的溫度場分布特征. 對氣門進行熱應(yīng)力分析，需要采用間接耦合分析法，所謂間接耦合分析法就是將熱分析得到的每個節(jié)點的溫度作為載荷施加到應(yīng)力分析中. 通過有限元分析，進一步對比和驗證改進設(shè)計的合理性.

4.1 氣門熱—應(yīng)力耦合分析

本文為了加載和求解的方便，采用在PRO/E直接建模的方式并通過ANSYS軟件接口導入實體模型，建立排氣門實體模型. 在劃分網(wǎng)格時先劃分線條，自動劃分氣門桿、氣門盤部與桿部過渡區(qū)域、氣門盤部和氣門桿端部網(wǎng)格，對氣門盤部與桿部過渡區(qū)域、氣門盤部、氣門桿端部表面進行細劃處理. 有限元模型如圖6所示.

圖6 氣門網(wǎng)格劃分圖

4.2 施加約束條件和載荷

排氣門落座時，需對氣門與氣門座之間沿氣門軸的自由度進行約束后，再對氣門盤部進行分析.由于氣門在工作過程中各個部分的溫度分布不同，因此在熱分析時需要對氣門施加如圖7所示的非線性溫度載荷[3]46.

圖中上部是沿氣門徑向溫度分布圖中右側(cè)是沿氣門軸向溫度分布

氣門落座瞬間承受的是彈簧預緊力、氣體壓力和沖擊載荷. 氣門以很高的頻率開啟和關(guān)閉時，要承受落座沖擊載荷即燃氣壓力給予的靜載荷，這種靜載荷一般為，沖擊載荷約為. 預緊力大小為. 在熱—應(yīng)力耦合分析時，熱應(yīng)力作為載荷加載在氣門上進行進一步的分析[4].

4.3 熱—應(yīng)力耦合分析求解

根據(jù)ANSYS間接分析法的步驟，在進行熱分析之后需再進行穩(wěn)態(tài)分析，但是在結(jié)構(gòu)分析之前需將熱單元轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元，并重新定義材料屬性和邊界條件，通過SOLVE求解計算.

1）溫度分布圖

通過對氣門模型施加溫度，其溫度分布結(jié)果如圖8所示. 由分析結(jié)果可知，達到穩(wěn)態(tài)后，排氣門盤部與氣門桿部的過渡區(qū)溫度最高，達到，氣門桿端的溫度最低，只有，從分布圖可以看出溫度在氣門各部分的分布差異很大. 高溫也會容易使氣門盤部表面發(fā)生燒蝕現(xiàn)象，同時在氣門落座的沖擊載荷下，有可能使氣門盤部出現(xiàn)裂紋；高溫會使氣門錐面的磨損加劇，從而破壞氣門的密封性，使發(fā)動機運轉(zhuǎn)不正常. 從分布圖結(jié)果還可得出，當氣門與氣門座接觸時，氣門座會帶走一定熱量，使得氣門密封錐面區(qū)域的溫度小于最高溫度.

圖8 氣門溫度變化圖

2）氣門變形圖

氣門受到載荷的作用會產(chǎn)生變形，其變形圖如圖9所示. 由分析結(jié)果可知，氣門的最大變形伸長量為，這為氣門間隙的設(shè)置提供了參考. 一般在冷態(tài)時排氣門的間隙為，可避免因熱伸長而導致的氣門關(guān)閉不嚴.

圖9 氣門變形圖

3）氣門等效應(yīng)力圖

通過氣門的熱—應(yīng)力耦合分析得出氣門的等效應(yīng)力圖，如圖10所示. 由分析結(jié)果可知，最大應(yīng)力出現(xiàn)在氣門盤部的錐面上，即最大壓應(yīng)力處在氣門與氣門座之間的接觸處. 這是因為氣門關(guān)閉時，氣門受到較大的落座沖擊力. 此外，在盤部與桿部的過渡處也是應(yīng)力比較集中的地方，易造成氣門斷裂失效. 在氣門桿端鎖夾槽處，由于受到彈簧的預緊力，此處也容易造成應(yīng)力集中[8].

圖10 氣門等效應(yīng)力圖

通過熱—應(yīng)力耦合分析求解，得到了氣門溫度分布、氣門等效應(yīng)力和氣門變形分布，總結(jié)出導致氣門密封錐面失效的主要原因是：氣門密封錐面處存在的較大的應(yīng)力變化、落座沖擊力導致的失效以及氣門鎖夾槽處較大的應(yīng)力導致氣門鎖夾槽的疲勞斷裂.

5 結(jié)束語

摩托車發(fā)動機排氣門是發(fā)動機配氣機構(gòu)中的一個重要部件，通過對某款摩托車排氣門的改進設(shè)計，在滿足基本強度和剛度的條件下，得出氣門桿徑、氣門頸部圓弧半徑和氣門盤部凹槽半徑最佳設(shè)計尺寸，使氣門質(zhì)量減輕了14%，達到了輕量化的目標. 實際量產(chǎn)時，由于制造工藝、材料、熱處理等環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的誤差或差異，其尺寸或結(jié)構(gòu)會有微小調(diào)整.

通過對排氣門的有限元熱—應(yīng)力耦合模型的分析求解，得到了氣門的應(yīng)力、溫度和變形分布規(guī)律. 熱—應(yīng)力耦合分析的結(jié)果比單獨分析氣門在熱負荷、機械負荷作用下的結(jié)果更加接近氣門的實際工作情況. 由此方法得到的氣門的應(yīng)力分布規(guī)律具有一定的實際參考價值，可為排氣門材料的選擇提供參考，并為進一步對氣門的研究提供了理論依據(jù).

[1] 王致釗. 發(fā)動機氣門失效分析及改進策略[D]. 天津：天津大學，2005.

[2] 程紹桐，王致釗，程淑穎. 柴油機氣門失效分析及改進[J]. 內(nèi)燃機，2004, 31(2): 8-9.

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[責任編輯：韋 韜]

Structural Improvement and Finite Element Analysis of Motorcycle Engine Exhaust Valves

WUYong-hua1, XUQiao1, GENGAi-nong1, HUXiao-an2, WENGuo-kun1

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China;2. Jiangmen Changhua Kaitewei Motorcycle Co. Ltd., Jiangmen 529085, China)

Based on an analysis of the functional requirements of and working environment for exhaust valves in motorcycle engines, an improved design is provided for and a finite analysis is made of the exhaust valve. First, a design for improving the exhaust valve is made using the MECHANICA Structure module of Pro/E and the optimal basic structure size is obtained through the software iterative calculation function. Then a finite analysis is made for the optimal model, and the distribution of stress, strain and temperature of the exhaust valve are derived. A comparison of the data before and after the improvement and the finite analysis results show that the stress field and temperature field distribution of the improved valve is more reasonable and more efficient, reducing the mass of the exhaust valve from 32.7g to 28.1g when strength requirements are met, a decrease of 14%, significantly improving the performance of the exhaust valve under high temperature conditions.

motorcycle engines; exhaust valves; finite element analysis

1006-7302（2015）01-0030-07

TK413.4+3

A

2014-09-28

2014年廣東省本科高校教學質(zhì)量與教學改革工程—大學生實踐教學基地項目【粵教高函[2014]97】；五邑大學本科“3+1”培養(yǎng)模式綜合實驗班畢業(yè)設(shè)計課題.

吳勇華（1965—），男，江西井岡山人，副教授，博士，主要從事機械設(shè)計方面的研究.