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氣門彈簧工具介紹

氣門彈簧位于氣缸蓋與氣門桿尾端彈簧座之間。氣門彈簧的功用是保證氣門關(guān)閉時(shí)能緊密地與氣門座或氣門座圈貼合，并克服在氣門開啟時(shí)配氣機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的慣性力，使傳動(dòng)件始終受凸輪控制而不相互脫離。
氣門彈簧多采用優(yōu)質(zhì)合金鋼絲制成，并經(jīng)熱處理，提高其疲勞強(qiáng)度。為了避免彈簧銹蝕，彈簧表面應(yīng)鍍鋅、磷化。彈簧的兩端面必須磨平并與彈簧軸線相垂直，以防止工作中彈簧產(chǎn)生歪斜。
氣門彈簧多為圓柱形螺旋彈簧。當(dāng)氣門彈簧的工作頻率與其固有頻率相等或成整數(shù)倍時(shí)，氣門彈簧就會(huì)發(fā)生共振而使折斷的幾率增加。為了防止共振的發(fā)生，可采用變螺距彈簧，目前大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)采用同心安裝的雙彈簧。內(nèi)、外兩根彈簧的旋向相反，外彈簧剛度比內(nèi)彈簧大。雙彈簧不但可以防止共振，還可以縮短彈簧長度．并且在其中一根彈簧折斷時(shí)，另一根彈簧還可以繼續(xù)工作，不使氣門落入氣缸中。

氣門彈簧設(shè)計(jì)方法

氣門彈簧設(shè)汁與凸輪設(shè)計(jì)一樣，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)性能具有同等重要性。氣門彈簧的功能包括防止氣門在氣壓載荷下跳浮離開氣門座，以及控制氣門運(yùn)動(dòng)以避免配氣機(jī)構(gòu)分離。氣門彈簧設(shè)計(jì)影響凸輪應(yīng)力、配氣機(jī)構(gòu)摩擦和彈簧顫振。發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門彈簧通常是兩端封閉的開圈螺旋壓縮彈簧。大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)使用定剛度彈簧，雖然有些使用變剛度彈簧。對(duì)于轉(zhuǎn)速較低的柴油機(jī)來講，使用單彈簧設(shè)計(jì)通常足以滿足要求，但有時(shí)也需要使用帶一個(gè)阻尼彈簧或內(nèi)簧的雙彈簧設(shè)計(jì)，以減小氣門彈簧顫振的嚴(yán)重程度。氣門彈簧設(shè)計(jì)是個(gè)非常復(fù)雜的任務(wù)。它可以作為一個(gè)范例來說明發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則，原因有二三。首先，分析式彈簧設(shè)計(jì)方法展示了在部件沒計(jì)參數(shù)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)之間的鏈接。第二，分析式彈簧設(shè)計(jì)方法展示了對(duì)于同一個(gè)設(shè)計(jì)問題，可以有兩種不同的數(shù)學(xué)構(gòu)造方法：一種是作為確定性的解來處理，另一種是作為優(yōu)化問題來求解。在優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)構(gòu)造上，目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)均以顯式函數(shù)作為示例列出。需要注意的是，在發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的其他領(lǐng)域（例如循環(huán)性能、凸輪設(shè)計(jì)、配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)）。用于優(yōu)化構(gòu)造的函數(shù)通常是更為復(fù)雜的隱式函數(shù)。第三，分析式彈簧設(shè)計(jì)方法給出了使用圖形設(shè)計(jì)法來構(gòu)造參變量掃值設(shè)計(jì)圖的一個(gè)范例。這些典型的參數(shù)圖可以川來處理在柴油機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到的多維設(shè)計(jì)問題。
在氣門彈簧設(shè)計(jì)中，已知的輸人數(shù)據(jù)包括以下內(nèi)容：①最大氣門升程；②給定的彈簧安裝長度；③所需的彈簧預(yù)緊力；④所需的彈簧剛度。需要注意的是，彈簧的預(yù)緊力和剛度是發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)層面的設(shè)計(jì)參數(shù)，需要滿足所允許的最大彈簧力和凸輪應(yīng)力、排氣門不跳浮、配氣機(jī)構(gòu)不飛脫等要求。氣門彈簧設(shè)計(jì)凸輪設(shè)計(jì)之間存在著強(qiáng)烈的相互作用。如果在彈簧設(shè)計(jì)上很難找到解決方案，就必須修改這些輸入數(shù)據(jù)。
在氣門彈簧設(shè)計(jì)中，以下參數(shù)是計(jì)算輸出數(shù)據(jù)：①基本或獨(dú)立的彈簧設(shè)計(jì)參數(shù)（即彈簧平均直徑、彈簧線圈鋼絲直徑、工作線圈數(shù)目）；②導(dǎo)出的設(shè)計(jì)參數(shù)（例如彈簧的自由長度、最大壓縮長度、壓實(shí)長度、線圈之間的自由間隙、在最大壓縮時(shí)線圈之間的實(shí)體間隙、彈簧的固有頻率和顫振階數(shù)、最大彈簧載簡、最大彈簧扭轉(zhuǎn)成力）?；镜膹椈稍O(shè)計(jì)參數(shù)決定了彈簧的剛度。
一些輸出參數(shù)受設(shè)計(jì)約束條件限制。例如，安裝長度和彈簧平均直徑受包裝空間限制。在最大彈簧壓縮量和在壓實(shí)長度下的彈簧扭轉(zhuǎn)應(yīng)力受彈簧疲勞壽命、強(qiáng)度和最大允許應(yīng)力極限限制。關(guān)于彈簧顫振保護(hù)的約束條件是通過控制實(shí)體間隙和彈簧固有頻率實(shí)現(xiàn)的。彈簧顫振的階數(shù)是指彈簧的固有頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)的工作頻率之比。為了保證彈簧不在運(yùn)行中發(fā)生強(qiáng)烈顫振。氣門彈簧的固有頻率通常至少應(yīng)當(dāng)是發(fā)動(dòng)機(jī)工作頻率的13倍，即希望彈簧顫振的階要高于13。彈簧固有頻率分析表明，如果彈簧對(duì)于凸輪型線的主導(dǎo)諧波之一響應(yīng)非常靈敏的話，顫振的趨勢(shì)肯定是存在的。在這種情況下，就需要對(duì)凸輪或者彈簧的設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。有時(shí)可以使用變剛度或嵌套彈簧來改變彈簧的頻率，以幫助減輕顫振問題。
彈簧設(shè)計(jì)是一個(gè)多維參數(shù)的沒汁問題，可以通過一個(gè)圖形化的方式來處理，以檢查參數(shù)敏感度趨勢(shì)。氣門彈簧設(shè)計(jì)優(yōu)化的目的是最大限度地增大彈簧的固有頻率，以減少彈簧振動(dòng)，同時(shí)滿足以下限制條件：①發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)方面所要求的彈簧預(yù)緊力和氣門彈簧剛度；②最大允許的彈簧應(yīng)力；③適當(dāng)?shù)膶?shí)體間隙以控制彈簧顫振。

氣門彈簧設(shè)計(jì)的步驟

氣門彈簧的沒計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)課題。良好的彈簧設(shè)計(jì)可以最大限度地減少配氣機(jī)構(gòu)的摩擦和磨損。現(xiàn)將一個(gè)基于構(gòu)造參變量敏感度設(shè)計(jì)圖的氣門彈簧設(shè)計(jì)的分析式方法總結(jié)如下：
（1）第1步通過分析車輛下坡行駛性能和發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)，確定配氣機(jī)構(gòu)的飛脫轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)目標(biāo)，以便確定所需要的氣門彈簧預(yù)緊力和彈簧剛度；
（2）第2步建立配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，以便準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)飛脫，并且評(píng)估缸內(nèi)再壓縮壓力對(duì)飛脫的影響；
（3）第3步通過對(duì)彈簧預(yù)緊力和彈簧剛度的不同取值進(jìn)行參變量掃值計(jì)算，構(gòu)建配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的參數(shù)圖，以檢查它們對(duì)配氣機(jī)構(gòu)振動(dòng)的影響。需要在圖中繪制推桿力、配氣機(jī)構(gòu)加速度和彈簧減速度相對(duì)于曲軸轉(zhuǎn)角的曲線，以顯示飛脫的設(shè)計(jì)裕度，從而能夠在第4步中方便而明智地選取彈簧預(yù)緊力和彈簧剛度所需要具有的目標(biāo)值；
（4）第4步基于排氣門閥頭的靜態(tài)力平衡，計(jì)算所需要的彈簧預(yù)緊力以防止排氣門出現(xiàn)跳浮。為帶和不帶排氣制動(dòng)器的發(fā)動(dòng)機(jī)選擇排氣門彈簧預(yù)緊力，并使用在第3步中的設(shè)計(jì)參數(shù)圖來選擇匹配的彈簧剛度；
（5）第5步對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行參變量掃值計(jì)算，使用圖形化設(shè)計(jì)方法為彈簧設(shè)計(jì)構(gòu)造參變量敏感度設(shè)計(jì)圖。選擇彈簧的平均直徑、線圈鋼絲直徑和線圈數(shù)目，同時(shí)滿足彈簧扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、固有頻率、線圈間隙等設(shè)計(jì)約束條件?；蛘咭部捎梅治鍪絻?yōu)化方法直接求解式。

氣門彈簧折斷的方法

因?yàn)闅忾T彈簧工作時(shí)承受扭力，所以在它圓截面上的應(yīng)力分布是不均勻的。從近中心的原點(diǎn)，到邊緣各點(diǎn)，應(yīng)力逐漸遞增，表面所受的應(yīng)力最大。就表面各點(diǎn)而言，正內(nèi)側(cè)表面承受的應(yīng)力最大，且受平面應(yīng)力的作用。為此，一旦氣門彈簧表面存在缺陷，位于缺陷處即有可能產(chǎn)生最大的應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致彈簧的早期斷裂。