柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中氣門橫臂結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計

摘 要：柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中的氣門橫臂做上下運(yùn)動，控制氣門的開啟與閉合，是氣門啟閉的重要傳力部件之一。氣門組件上安裝氣門旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以改善氣門的工作狀態(tài)。本文針對氣門橫臂和氣門旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的安裝干涉問題進(jìn)行分析，提出氣門橫臂結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施，并用有限元軟件對設(shè)計方案進(jìn)行力學(xué)分析，通過結(jié)果對比分析，綜合考慮強(qiáng)度、剛度、制造的工藝性及氣門組件的動力性，選擇合理的改進(jìn)方案并裝機(jī)驗證，新的氣門橫臂與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)配合無干涉，且氣門橫臂運(yùn)行良好，工作可靠。

關(guān)鍵詞：氣門橫臂 安裝干涉 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

Abstract：The valve cross arm in the diesel engine gas distribution mechanism moves up and down to control the opening and closing of the valve， which is one of the important force transmission components for valve opening and closing. Installing a valve swivel mechanism on the valve assembly can improve the working condition of the valve. This paper analyzes the installation interference problem of valve cross arm and valve rotating mechanism， puts forward valve cross arm structure improvement measures， and uses finite element software to analyze the mechanical analysis of the design scheme. And through the comparative analysis of the results， the article comprehensively considers the strength， stiffness， manufacturing processability and dynamic nature of the valve assembly， and selects a reasonable improvement scheme and installs it for verification. the new valve cross arm and the rotating mechanism cooperate without interference， and the valve cross arm runs well and works reliably.

Key words：valve crossarm， mounting interference， structural improvement

1 引言

柴油機(jī)在長期運(yùn)行后，特別是長時間在高負(fù)荷或低轉(zhuǎn)速狀態(tài)工作時，由于燃燒不良等情況發(fā)生，氣門錐面會存在積炭，發(fā)生磨損不均等現(xiàn)象，并導(dǎo)致氣門密封不嚴(yán)。而安裝氣門旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使氣門在工作過程中產(chǎn)生緩慢的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，既可使氣門溫度均勻，也可將錐面及氣門桿上的積炭擦掉[1]。不但可以改善氣門桿的潤滑條件，而且對于改善氣門座及導(dǎo)管的導(dǎo)熱性是有利的，避免氣門和座圈的過早磨損和失效。進(jìn)而有提高燃油效率及降低排放[2]的效果。國外先進(jìn)的機(jī)車柴油機(jī)上已安裝氣門旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，隨著節(jié)能減排的要求越來越高，國內(nèi)某大功率機(jī)車柴油機(jī)上正考慮應(yīng)用此技術(shù)。

本文中的氣門旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為保證在現(xiàn)有的安裝空間下和氣門彈簧上座實現(xiàn)互換而設(shè)計的，廠家根據(jù)氣門彈簧上座結(jié)構(gòu)已制造出氣門旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。筆者此時進(jìn)行氣門旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的安裝，在車間組裝時發(fā)現(xiàn)氣門旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與氣門橫臂側(cè)臂下部干涉，無法安裝應(yīng)用。在裝配圖上發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的罩蓋和已有氣門橫臂的兩側(cè)臂干涉，考慮到氣門旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)罩蓋機(jī)構(gòu)更改余地小，為解決干涉問題，本文對氣門橫臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，同時為保證改動后氣門橫臂的強(qiáng)度、剛度與原氣門橫臂相比變化不大，本文用有限元軟件對氣門橫臂進(jìn)行強(qiáng)度模擬計算。

2 氣門橫臂和氣門旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)干涉情況分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

現(xiàn)場組裝時發(fā)現(xiàn)氣門橫臂和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)干涉，導(dǎo)致氣門旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在柴油機(jī)上無法安裝。為深入了解干涉情況，對氣門橫臂和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的裝配圖進(jìn)行校核，下圖1是校核后的裝配圖。

從圖1可見，兩裝配件的最小距離出現(xiàn)在氣門橫臂的側(cè)臂下部和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的上罩蓋附近，間隙值為1.8mm，而氣門橫臂側(cè)臂下部由于拔模斜度而增加的厚度為1.5mm左右，實際裝配間隙只有0.3mm左右，這樣的裝配間隙值無法保證兩裝配件不干涉。

因氣門旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)小且緊湊，且與氣門橫臂干涉的上罩蓋的結(jié)構(gòu)更改余地不大，本文對氣門橫臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，因氣門橫臂與多種零部件配合，需要最少的改動原結(jié)構(gòu)，本文決定僅通過改變氣門橫臂側(cè)臂形狀來滿足配合間隙的要求，同時兼顧優(yōu)化氣門橫臂的結(jié)構(gòu)。經(jīng)過多種設(shè)計方案的對比分析，最后選擇如圖2所示的三種方案。

方案一：用R30的上拱圓弧來增加裝配間隙；方案二：先用R9圓弧，再用直線連接；方案三：先用直線，然后用R15的圓弧，再用直線連接。在裝配圖上分別對三種結(jié)構(gòu)的裝配間隙進(jìn)行校核，考慮拔模斜度后的裝配間隙均在2～3mm左右，根據(jù)裝配經(jīng)驗，間隙尺寸合理，可以保證裝配不干涉。

注：為了下面計算分析方便，三種方案筋板區(qū)均未考慮減重凹槽。

3 氣門橫臂結(jié)構(gòu)仿真分析

為了確定結(jié)構(gòu)改動對氣門橫臂強(qiáng)度、剛度的影響，本文進(jìn)行了相應(yīng)的強(qiáng)度仿真計算，包括：原結(jié)構(gòu)和三種設(shè)計結(jié)構(gòu)方案的強(qiáng)度計算。選擇氣門橫臂受力最大的狀態(tài)進(jìn)行強(qiáng)度分析。此時氣門橫臂頂部受搖臂向下的壓力，橫臂兩端受氣門彈簧向上的回復(fù)力，二者達(dá)到平衡，受力簡圖[3]如圖3所示。在ANSYS中對氣門橫臂進(jìn)行加載計算。原方案和三種設(shè)計方案的強(qiáng)度計算結(jié)果如圖4所示。

為方便對各種設(shè)計方案計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，對主要部位的計算結(jié)果總結(jié)如表1所示。

表1中的左、右臂最大應(yīng)力位置相同，頂部最大應(yīng)力位于頂部圓柱與側(cè)臂的過渡圓角處，最大變形位于右臂的外邊緣處。原設(shè)計總體應(yīng)力較小，局部應(yīng)力大，應(yīng)力集中在右臂斜筋與右邊圓柱相接處。

方案一總體應(yīng)力分布比較均勻，最大應(yīng)力在頂部圓柱與側(cè)臂的過渡圓角處。但此處為壓應(yīng)力，對鍛件來說，受力情況相對比較安全。最大變形值相對不大。方案二應(yīng)力集中在R9圓弧與直線相接處，因此R9圓弧和直線的過渡區(qū)域工藝要求相對較高。方案三應(yīng)力集中在R15圓弧中間部位，有利于分散應(yīng)力，但應(yīng)力值偏大，若在裝配間隙合理情況下對中間圓弧增大半徑，可以使應(yīng)力值下降，但加之此方案側(cè)臂過渡段較多，圓滑過渡要求較高，對工藝要求高。

綜上，從應(yīng)力和工藝方面考慮選擇方案一，同時方案一的變形相對比較小，剛性相對較好，且與原設(shè)計的剛性相差不大。

4 氣門橫臂側(cè)臂部位凹槽結(jié)構(gòu)的考慮

原設(shè)計在側(cè)臂中間過渡區(qū)有凹槽，因而對方案一中側(cè)臂部位加凹槽進(jìn)行仿真計算分析。方案一（帶凹槽結(jié)構(gòu)）的局部視圖如圖5所示，氣門橫臂的左臂和右臂形狀一致。方案一（帶凹槽結(jié)構(gòu)）的應(yīng)力分布如圖6所示，主要部位的計算結(jié)果總結(jié)如表2所示。

表2中的左、右臂最大應(yīng)力位置相同，頂部最大應(yīng)力位于頂部圓柱與側(cè)臂的過渡圓角處，最大變形位于右臂的外邊緣處。對方案一（帶凹槽結(jié)構(gòu)）和方案一的計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，可見帶凹槽結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形均比無凹槽結(jié)構(gòu)的大，說明氣門橫臂的強(qiáng)度和剛度皆因凹槽結(jié)構(gòu)存在而減弱。從工藝方面考慮，由于凹槽結(jié)構(gòu)的圓角尺寸小，對模鍛工藝要求反而高。

同時氣門橫臂受力情況復(fù)雜，在柴油機(jī)工作中一直承受交變載荷，為使設(shè)計改動對部件安全性能影響較小，本文選擇不帶凹槽方案，它的強(qiáng)度、剛度相對較高，同時質(zhì)量與原設(shè)計相差不大，對氣門驅(qū)動機(jī)構(gòu)的整體動力性影響較小。

5 裝機(jī)應(yīng)用情況

該改進(jìn)方案生產(chǎn)組裝應(yīng)用后，機(jī)車柴油機(jī)工作中運(yùn)作狀態(tài)良好，新的氣門橫臂在長期使用中，均能可靠工作。驗證了此結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。新的氣門橫臂裝機(jī)應(yīng)用如圖7所示。且此類結(jié)構(gòu)的氣門橫臂后續(xù)已應(yīng)用在其他機(jī)型的柴油機(jī)上，均工作情況良好，運(yùn)行可靠。

6 結(jié)語

通過對氣門橫臂和氣門旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的裝配干涉進(jìn)行分析，保證裝配間隙合理的情況下，確定初步結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。應(yīng)用強(qiáng)度計算對設(shè)計方案進(jìn)行強(qiáng)度、剛度分析，通過結(jié)果對比分析，同時考慮減少制造工藝的投入及對氣門驅(qū)動機(jī)構(gòu)動力性的影響最小，最終確定改進(jìn)方案，很好地保證了零部件的優(yōu)化設(shè)計，裝機(jī)應(yīng)用驗證了氣門橫臂結(jié)構(gòu)的功能性和可靠性。零件制造的工藝特點需要在設(shè)計時考慮，如本文中原氣門橫臂的拔模斜度引起氣門橫臂厚度的增加，造成原氣門橫臂與氣門旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的干涉問題。該改進(jìn)方案的確定過程綜合考慮了零件的功能性、生產(chǎn)中的工藝性及運(yùn)動中的動力性，最終實現(xiàn)了改進(jìn)結(jié)構(gòu)的可靠工作。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介

張小嬋：（1983.10—），女，漢族，河南南陽人，碩士研究生，工程師。研究方向：機(jī)械設(shè)計。