基于氣門彈簧設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)的計算與校核

孫輝國，韋靜思，呂偉，梁明曦，占文鋒

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

氣門彈簧是發(fā)動機配氣機構(gòu)最重要的零部件之一，是保證氣門及整個配氣機構(gòu)能夠平穩(wěn)運行的關(guān)鍵零部件。在凸輪運行在基圓部分時，保證氣門與氣門座圈密封緊閉，不發(fā)生二次開啟；在凸輪運行在開啟部分時，確保凸輪與從動件之間不發(fā)生脫離；在氣門落座瞬間，保證氣門不發(fā)生過大沖擊。因此氣門彈簧力不宜過小也不宜過大，所以氣門彈簧關(guān)鍵參數(shù)的選擇對發(fā)動機配氣平穩(wěn)運行是至關(guān)重要的[1-2]。

本文作者通過大量的經(jīng)驗和總結(jié)，明確了氣門彈簧關(guān)鍵參數(shù)(F1、F2和工作段平均剛度k)的計算公式及流程?；趶V汽某款發(fā)動機氣門彈簧的選型，在設(shè)計早期正向確定能夠滿足配氣機構(gòu)穩(wěn)定運行的氣門彈簧。并通過配氣機構(gòu)運動學(xué)與動力學(xué)分析，證明文中提到的氣門彈簧選型的方法和流程簡便高效，值得推廣。

1 氣門彈簧相關(guān)參數(shù)的確定

1.1 氣門彈簧預(yù)緊力F1的計算

當(dāng)氣門動作在凸輪基圓階段時，此時氣門是關(guān)閉的。氣缸內(nèi)的氣體壓力較大，對氣門密封有利，但是如果氣道內(nèi)氣體壓力大于氣缸內(nèi)的氣體壓力，氣門兩邊的壓力差會使關(guān)閉的氣門打開，即在發(fā)動機壓縮和膨脹行程時出現(xiàn)氣門關(guān)不嚴(yán)的情況。為了避免這樣的情況發(fā)生，氣門彈簧殘余力(Frs)應(yīng)該滿足以下要求：

Frs=F1×0.85-Fa-Fb-Fc-Fd>30 N

(1)

式中：Frs為氣門彈簧殘余力，N；

Fa為氣門兩側(cè)氣體的壓力差，N；

Fb為氣道壓力循環(huán)波動的力，N；

Fc為氣門受液壓挺柱的頂開力，N；

Fd為氣門反彈時約10g的慣性力，N；

F1×0.85為考慮彈簧的公差以及顫振,取F1的85%。

(1)Fa為氣門兩側(cè)氣體的壓力差[3]，計算公式為

(2)

式中：pp為氣道壓力，MPa；

pc為缸內(nèi)壓力，MPa；

Dv為氣門密封面直徑，mm；

Ds為氣門桿直徑，mm。

(2)Fb為考慮氣道壓力循環(huán)波動對氣門壓力的影響，其中氣道壓力波動值Δp=0.05～0.1 MPa，計算公式為：

(3)

(3)Fc為氣門受液壓挺柱內(nèi)油壓的頂開力，計算公式為

Fc=Fhlif·Lcam/Lvalve

(4)

式中：Fhlif為油壓對挺柱柱塞的推力，N；

Lcam為凸輪側(cè)搖臂力臂長度，mm；

Lvalve為氣門側(cè)搖臂力臂長度，mm。

(4)Fd為氣門反彈時閥面受到的約10g的慣性力，計算公式為

Fd=10×9.8×M

(5)

式中:M為閥系的運動總質(zhì)量，其計算公式為

(6)

式中：mv為氣門質(zhì)量，kg；

mc為氣門上座質(zhì)量，kg；

ml為氣門鎖片質(zhì)量，kg；

ms為氣門彈簧質(zhì)量，kg；

If為搖臂轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；

Lf為搖臂支撐點到氣門中心線的距離，m。

按照以上公式分別確定Fa、Fb、Fc和Fd，由Frs>30 N可以得到F1的理論最小值,這個理論最小值可以確保凸輪運行在基圓部分時，氣門與氣門座圈密封緊閉，不發(fā)生二次開啟。

1.2 氣門最大升程彈簧力F2的計算

一般當(dāng)氣門升程最大時，負(fù)加速度絕對值最大，此時氣門彈簧力F2需要克服閥系運動質(zhì)量的慣性力，避免出現(xiàn)搖臂滾子與凸輪飛脫的情況，同時考慮一定量的彈簧安全系數(shù)t=1.1～1.8，即氣門最大升程彈簧力F2的公式為：

F2>M·a·t

(7)

式中：t為彈簧安全系數(shù)；

a為氣門最大負(fù)加速度絕對值，m/s2，如圖1所示。

圖1 氣門加速度曲線

1.3 氣門彈簧工作段平均剛度k的計算

公式(1)和(7)確定了氣門彈簧的F1和F2，則氣門彈簧工作段的平均剛度k的計算公式為

k=(F1-F2)/Sh

(8)

式中：Sh為氣門開啟最大升程，mm。

1.4 對于F1不宜過小的補充說明

如果F1過小，則會使氣門彈簧工作段的平均剛度太大，導(dǎo)致彈簧設(shè)計困難。同時F1過小，在氣門開啟初期，彈簧力過小無法克服氣門的慣性力，導(dǎo)致凸輪與從動件發(fā)生飛脫現(xiàn)象。

2 氣門彈簧的選型計算

文中基于廣汽某款機型運用以上計算公式進行氣門彈簧的選型計算。以驗證公式使用的可行性。表1為計算需要輸入的數(shù)據(jù)。

表1 氣門彈簧選型計算輸入

根據(jù)公式(1)，可以得到F1>150 N;根據(jù)公式(7)，可以得到F2>440 N;根據(jù)公式(8)，可以得到氣門彈簧工作段平均剛度k=30.7 N/mm。氣門彈簧供應(yīng)商按照F1和F2的要求，提供氣門彈簧成品。彈簧的具體參數(shù)為：F1=260 N，F(xiàn)2=488 N，工作段平均剛度k=46 N/mm。

3 氣門彈簧校核計算流程

圖2為氣門彈簧校核計算的流程，按照計算流程，通過以上公式可以一次確定配氣機構(gòu)需要的氣門彈簧關(guān)鍵參數(shù)F1、F2和工作段平均剛度k，彈簧供應(yīng)商按照要求的彈簧參數(shù)設(shè)計氣門彈簧。這樣大大減少了仿真和設(shè)計來回校核的工作量，提高了工作效率。

圖2 氣門彈簧校核計算流程

4 氣門彈簧校核計算

氣門彈簧對于配氣機構(gòu)至關(guān)重要，對于整個配氣機構(gòu)的運動學(xué)和動力學(xué)結(jié)果都將產(chǎn)生較大的影響。因此需要對氣門彈簧做更加詳細(xì)的運動學(xué)和動力學(xué)分析，以考察氣門彈簧是否滿足整個配氣機構(gòu)的要求[4]。該發(fā)動機配氣機構(gòu)為典型的指型搖臂結(jié)構(gòu)。文中應(yīng)用AVL-EXCITE軟件來進行配氣機構(gòu)的運動學(xué)和動力學(xué)分析，分析氣門彈簧是否能滿足配氣機構(gòu)的仿真評價標(biāo)準(zhǔn)。通過AVL-EXCITE軟件建立的單閥系分析模型如圖3所示。

圖3 AVL-EXCITE建立的單閥系模型

4.1 運動學(xué)分析結(jié)果

(1)凸輪和從動件是兩個具有曲面的彈性體，在傳遞載荷時，就形成了一個接觸的區(qū)域，并伴隨著產(chǎn)生了接觸應(yīng)力。如果凸輪和從動件之間的接觸應(yīng)力太大，在周期性接觸應(yīng)力的反復(fù)作用下，將引起凸輪或者從動件工作表面的較大損壞。從計算結(jié)果圖4來看，凸輪和從動件的接觸應(yīng)力小于1 100 N/mm2，低于設(shè)計要求的最大許用應(yīng)力[4]。

圖4 凸輪與從動件接觸應(yīng)力結(jié)果

(2)在配氣機構(gòu)運動學(xué)分析中，氣門彈簧裕度是氣門彈簧力與從動件慣性力的比值。氣門彈簧力要保證有一定的余量，否則從動件將從凸輪表面跳開，發(fā)生“飛脫”現(xiàn)象。但是也不能太大，否則產(chǎn)生過大的摩擦功，影響發(fā)動機的性能。從計算結(jié)果圖5來看，氣門彈簧的安全裕度大于t，配氣機構(gòu)不會發(fā)生飛脫現(xiàn)象[2]。

圖5 氣門彈簧安全裕度

(3)為了防止搖臂在運動中從液壓挺柱球頭脫落，配氣機構(gòu)要求搖臂對液壓挺柱軸向力大于100 N、液壓挺柱軸線垂直方向力小于600 N。從計算結(jié)果圖6來看，液壓挺柱軸向和垂直方向的力均滿足要求，搖臂不會從液壓挺柱球頭脫落[5]。

圖6 液壓挺柱受力結(jié)果

(4)由于氣門桿頭部與搖臂之間是相對滑動的往復(fù)周期運動，當(dāng)兩者之間的相對滑動速度過大，同時兩者之間的接觸應(yīng)力過大時，則會出現(xiàn)氣門桿頭部快速磨損的情況。配氣機構(gòu)要求氣門桿頭部與搖臂相對速度下的接觸應(yīng)力在閾值線以下。從計算結(jié)果圖7來看，氣門桿頭部與搖臂之間的相對運動不會引起氣門桿的快速磨損[5]。

圖7 氣門桿頭部與搖臂相對速度下接觸應(yīng)力

4.2 動力學(xué)分析結(jié)果

(1)氣門落座的好壞對氣門座可靠工作影響很大，當(dāng)氣門落座速度比較大時，會增加氣門閥面的磨損，同時產(chǎn)生較大的噪聲。圖8為氣門閥面的運動曲線，從計算結(jié)果來看，氣門閥面的落座速度小于1 m/s，配氣機構(gòu)不會產(chǎn)生較大的噪聲[6]。

圖8 氣門運動速度

(2)氣門關(guān)閉時的落座力不應(yīng)太大，否則會引起氣門反跳，導(dǎo)致氣門二次開啟。通常情況下要求氣門閥門落座力小于6倍彈簧預(yù)緊力。圖9為氣門閥面的落座力，從計算結(jié)果圖來看，氣門閥面的落座力小于6倍的彈簧預(yù)緊力，氣門不會發(fā)生反跳現(xiàn)象[6]。

圖9 氣門閥面受力

(3)圖10為凸輪與從動件之間的接觸力結(jié)果，從計算結(jié)果可以看到在凸輪工作段區(qū)域，未發(fā)生凸輪與從動件之間接觸力為0的情況，說明凸輪與從動件未發(fā)生飛脫現(xiàn)象[7-8]。

圖10 凸輪與從動件接觸力

(4)圖11為氣門彈簧各質(zhì)量點的受力結(jié)果，從計算結(jié)果可以看到在凸輪工作段區(qū)域，未發(fā)生彈簧質(zhì)量點受力突變的情況，說明彈簧未發(fā)生并圈現(xiàn)象。

圖11 氣門彈簧各質(zhì)量點受力

5 結(jié)束語

按照氣門彈簧校核計算的流程，通過理論計算以及運動學(xué)和動力學(xué)的分析，新的氣門彈簧符合配氣機構(gòu)仿真的各項評價指標(biāo)，氣門彈簧滿足發(fā)動機配氣機構(gòu)穩(wěn)定工作的需要。

通過氣門彈簧關(guān)鍵參數(shù)的確定，可以在配氣機構(gòu)設(shè)計早期，快速地進行氣門彈簧的選型，減少了仿真和設(shè)計之間來回校核繁瑣的工作量，大大地提高了工作效率。文中提出的氣門彈簧選型的流程方法簡便易行，是一種值得推廣的高效的氣門彈簧選型方法。