摘要：隨著發(fā)動(dòng)機(jī)整體使用性能的提高，在汽車(chē)設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)升功率、轉(zhuǎn)速等參數(shù)均提出了更高的要求。依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境和場(chǎng)景不同，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門(mén)、氣門(mén)彈簧等部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，旨在更好地滿(mǎn)足實(shí)際使用需求?；诖耍接懥藘?yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧設(shè)計(jì)的必要性，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧設(shè)計(jì)過(guò)程開(kāi)展了深入的分析。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)；氣門(mén)彈簧；優(yōu)化設(shè)計(jì)；靜力分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U464 收稿日期：2024-08-13

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.11.025

1 前言

氣門(mén)彈簧性能與內(nèi)燃機(jī)工作性能密切相關(guān)，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)氣門(mén)彈簧，能夠有效消除共振危害，從而能夠使氣門(mén)彈簧更好地發(fā)揮作用，切實(shí)滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)氣門(mén)彈簧的性能需求。研究認(rèn)為，氣門(mén)彈簧是配氣機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵構(gòu)件，只有通過(guò)合理設(shè)計(jì)氣門(mén)彈簧，才能提高配氣機(jī)構(gòu)的換氣效率?？紤]到氣門(mén)彈簧與配氣機(jī)構(gòu)摩擦損失、接觸應(yīng)力等均有相關(guān)性，因此本課題有必要就氣門(mén)彈簧設(shè)計(jì)過(guò)程展開(kāi)深入的研究。

2 彈簧性能分析

彈簧屬于機(jī)械零件，在外力作用下容易發(fā)生形變，其形變大小與材料自身以及彈簧結(jié)構(gòu)均有關(guān)系。同時(shí)，彈簧能夠在外力作用下將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為變形能，也能將變形能再轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。在彈簧設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要緊緊圍繞彈簧的基本性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的，需要綜合考量彈簧荷載力與變形之間的關(guān)系，同時(shí)考慮圓頻率等諸多因素。

研究發(fā)現(xiàn)，彈簧的剛度會(huì)使彈簧發(fā)生形變，在彈簧的整個(gè)變形過(guò)程中，彈簧的剛度參數(shù)可作為常量使用，也可以作為變量使用。彈簧的剛度特性能夠?yàn)閺椈蓛?yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，將彈簧剛度作為常量使用時(shí)，顯示出一條直線(xiàn)，屬于線(xiàn)性范疇；將彈簧剛度作為變量使用時(shí)，它則以特性曲線(xiàn)的方式呈現(xiàn)出來(lái)，進(jìn)而稱(chēng)之為“變剛度彈簧”。當(dāng)前，常用的變剛度彈簧以錐形或圓柱形為主。

就彈簧的變形能分析發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行彈簧設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要計(jì)算出彈簧的拉伸或壓縮變形能。為獲取最大的彈簧變形能，在設(shè)計(jì)中要從彈簧材料著手，首先要科學(xué)地設(shè)計(jì)好幾何尺寸。對(duì)彈簧的圓頻率分析發(fā)現(xiàn)，在彈簧承受振動(dòng)載荷情況下，為了驗(yàn)證載荷力對(duì)彈簧系統(tǒng)的影響，需要依據(jù)彈簧圓頻率來(lái)分析。與此同時(shí)，為提升彈簧設(shè)計(jì)合理性，需要進(jìn)行彈簧強(qiáng)度、彈簧剛度、彈簧穩(wěn)定性計(jì)算，同時(shí)需要進(jìn)行彈簧共振驗(yàn)算等。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性分析

發(fā)動(dòng)機(jī)中的配氣機(jī)構(gòu)由彈性的傳動(dòng)鏈組成，而其中的凸輪會(huì)在干擾力作用下發(fā)生彈性形變，進(jìn)而造成配氣機(jī)構(gòu)振動(dòng)，如氣門(mén)運(yùn)動(dòng)飛脫、落座反跳、噪音增大等。就氣門(mén)飛脫發(fā)生分析發(fā)現(xiàn)，氣門(mén)在開(kāi)啟狀態(tài)下，慣性力比氣門(mén)彈簧的荷載力大，進(jìn)而引起氣門(mén)飛脫現(xiàn)象，此時(shí)氣門(mén)與搖臂接觸的應(yīng)力變?yōu)?，通常發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速情況時(shí)發(fā)生氣門(mén)飛脫的可能性相對(duì)較小。就氣門(mén)反跳發(fā)生分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沖擊反力超出了氣門(mén)彈簧的預(yù)緊力時(shí)，就會(huì)引發(fā)氣門(mén)反跳現(xiàn)象，同時(shí)會(huì)瞬時(shí)產(chǎn)生巨大的荷載，進(jìn)一步?jīng)_擊氣門(mén)座。

氣門(mén)彈簧屬于壓縮彈簧，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用到“虎克定律”。基于對(duì)彈簧設(shè)計(jì)領(lǐng)域的不斷涉足和探究，人們?cè)趶椈删珳?zhǔn)控制設(shè)計(jì)方面也取得了一定的成果。發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門(mén)彈簧大多呈現(xiàn)圓柱螺旋形，受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速影響，會(huì)使氣門(mén)彈簧出現(xiàn)共振現(xiàn)象，進(jìn)而超出了最大應(yīng)力值，無(wú)法適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速。因此，為避免氣門(mén)彈簧產(chǎn)生共振，在設(shè)計(jì)中將傳統(tǒng)的氣門(mén)彈簧更換為“錐形變剛度氣門(mén)彈簧”，這也能提高發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。分析發(fā)現(xiàn)，錐形變剛度氣門(mén)彈簧的剛度、固有頻率隨著彈簧的軸線(xiàn)方向而發(fā)生變化。為提高設(shè)計(jì)效率，保證錐形變剛度氣門(mén)彈簧設(shè)計(jì)科學(xué)性和合理性，設(shè)計(jì)人員要預(yù)先做好充分的調(diào)研工作，學(xué)習(xí)高效設(shè)計(jì)方法，確保設(shè)計(jì)精準(zhǔn)；采用合理手段，使氣門(mén)彈簧在實(shí)際工作中避免出現(xiàn)飛脫、共振以及反跳情況，并進(jìn)一步創(chuàng)新發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧設(shè)計(jì)方法，為發(fā)動(dòng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)提供參考[1]。

觀察現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前較為常用的發(fā)動(dòng)機(jī)主要由一缸一蓋、四氣門(mén)結(jié)構(gòu)組成，需要預(yù)先組裝進(jìn)排氣門(mén)、鎖夾、彈簧以及彈簧座等相關(guān)的零部件，才能開(kāi)展下一步的整機(jī)裝配工作。在具體組裝缸蓋時(shí)，將彈簧下壓，將其裝入到鎖夾內(nèi)，鎖緊氣門(mén)。由于彈簧的彈力較大，使人工操作難度較大，會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的組裝效率和整體的組裝效果。為此，有必要優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧設(shè)計(jì)，以方便氣門(mén)彈簧的壓裝操作，才能高效完成發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋組裝作業(yè)。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧設(shè)計(jì)過(guò)程

4.1 設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧時(shí)，設(shè)計(jì)人員綜合考量設(shè)計(jì)變量問(wèn)題，將彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，確定好彈簧的基本尺寸，并結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步確定彈簧高度、工作變形、簧絲、壓縮高度、有效圈數(shù)、彈簧力等相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而最大程度地提升發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧的穩(wěn)定性。

完成上述設(shè)計(jì)后，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧的曲線(xiàn)特點(diǎn)，明確發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧形狀、尺寸等。為提升彈簧設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性，對(duì)彈簧約束條件加以明確，綜合考量其強(qiáng)度條件和穩(wěn)定條件，劃分彈簧中徑經(jīng)驗(yàn)值的范圍以及預(yù)緊力等，計(jì)算出彈簧疲勞安全系數(shù)和自振動(dòng)頻率等。在本研究中，滿(mǎn)足的強(qiáng)度條件為：

[τ=8KFD2/πd3≤τ] （1）

式中，[τ]為剪切應(yīng)力；[τ]為許用剪切應(yīng)力；F為工作荷載；K為曲度系數(shù)，[K=1.6d0.14/D0.142]。同時(shí)，還要滿(mǎn)足穩(wěn)定條件，明確彈簧中徑經(jīng)驗(yàn)值范圍約束條件和旋繞比經(jīng)驗(yàn)值范圍約束條件等[2]。

4.2 發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧設(shè)計(jì)參數(shù)要求

在設(shè)計(jì)中要明確設(shè)計(jì)要求，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)參數(shù)開(kāi)展相關(guān)的設(shè)計(jì)工作，結(jié)合配氣機(jī)構(gòu)性能需求優(yōu)選彈簧材料，確定彈簧的疲勞強(qiáng)度，設(shè)定好切變模量、彈性模量以及抗拉極限強(qiáng)度、許用應(yīng)力、彈簧強(qiáng)度、溫度修正系數(shù)等[3]?；谠O(shè)計(jì)要求對(duì)彈簧進(jìn)行噴丸處理，同時(shí)做好漩渦流探傷處理，在彈簧表面涂抹防銹油，并在熱強(qiáng)壓處理后，將彈簧表面的應(yīng)力去除。進(jìn)一步研究認(rèn)為，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)來(lái)確定氣門(mén)彈簧的性能參數(shù)尤為重要，如彈簧的預(yù)緊力、變形量、內(nèi)外徑等。通過(guò)對(duì)彈簧設(shè)計(jì)的綜合考量，將彈簧確定為“上部分錐形，下部分圓柱形”的形狀。

4.3 發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧靜力分析

發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧靜力分析主要是結(jié)合配氣機(jī)構(gòu)的應(yīng)力情況來(lái)進(jìn)行的。通過(guò)靜力分析來(lái)核驗(yàn)彈簧的剛度和強(qiáng)度是否滿(mǎn)足實(shí)際工作需求，并通過(guò)應(yīng)用仿真系統(tǒng)來(lái)建模，通過(guò)數(shù)值比對(duì)，進(jìn)一步推導(dǎo)出運(yùn)算公式。在進(jìn)行具體的靜力分析中，要按照科學(xué)的流程和步驟進(jìn)行。首選選擇設(shè)計(jì)用的彈簧材料，確保該材料滿(mǎn)足疲勞強(qiáng)度要求，進(jìn)而更好地適應(yīng)工作環(huán)境。然后將彈簧靜力分析相關(guān)的參數(shù)等信息導(dǎo)入模型中[4]。完成上述操作后，利用網(wǎng)格劃分工具來(lái)劃分網(wǎng)格，以六面體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)為主，網(wǎng)格圖見(jiàn)圖1。當(dāng)設(shè)定彈簧強(qiáng)制位移條件后，可計(jì)算出彈簧所承受的負(fù)荷，并通過(guò)有限元分析，進(jìn)一步得出彈簧的剛度值。通過(guò)仿真模型，進(jìn)一步證實(shí)了彈簧剛度符合實(shí)際使用需求。

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，采取施加工作荷載的方式進(jìn)行。在彈簧上座面的軸向方向上施加力量，保持底座邊界條件不變，最終可以得出應(yīng)力數(shù)據(jù)、軸向變形數(shù)據(jù)以及剪切應(yīng)力數(shù)據(jù)等。在彈簧靜力分析仿真驗(yàn)證中，發(fā)現(xiàn)彈簧下端和下底座存在接觸性問(wèn)題，局部的應(yīng)力相對(duì)集中，尤其是接觸點(diǎn)的應(yīng)力達(dá)到了最大值。通過(guò)靜力分析和仿真驗(yàn)證可以確定最終的切應(yīng)力以及最小的切應(yīng)力。

4.4 發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧模態(tài)分析

為避免氣門(mén)彈簧與配氣機(jī)構(gòu)共振，在發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧靜力分析基礎(chǔ)上進(jìn)行模態(tài)分析，旨在最大程度上預(yù)防共振現(xiàn)象的發(fā)生。研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧的共振現(xiàn)象與固有的頻率、零件結(jié)構(gòu)等多種因素密切相關(guān)，因此，開(kāi)展模態(tài)分析顯得尤為重要。在具體的模態(tài)分析時(shí)，要對(duì)彈簧的具體工作狀態(tài)和場(chǎng)景進(jìn)行模擬，并獲取彈簧陣型圖，同時(shí)結(jié)合數(shù)據(jù)分析，得出彈簧最小固有頻率，并與其工作頻率進(jìn)行對(duì)比，最終確定二者之間不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

4.5 發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋氣門(mén)彈簧設(shè)計(jì)

在發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋氣門(mén)彈簧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，為方便壓裝操作，要基于彈簧整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并采用雙杠桿連接互動(dòng)結(jié)構(gòu)來(lái)替換彈簧原來(lái)的壓裝裝置，同時(shí)，優(yōu)化設(shè)置支撐管、支撐桿、壓樁頭等部件。此外，將壓裝頭連接在活動(dòng)梁的左側(cè)，在腳踏桿的末端設(shè)置腳踏板，促使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與活動(dòng)梁進(jìn)行有效的連接，并保證連接效果。實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，通過(guò)雙杠桿連接互動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)用腳控制氣門(mén)彈簧的目標(biāo)，能夠很好地控制發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋氣門(mén)彈簧壓裝速度。

通過(guò)腳步力量的運(yùn)用，能夠使彈簧壓裝頭自動(dòng)上升，與機(jī)械壓裝方式相比，這大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，最大程度地提升了壓裝效率[4]。發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋氣門(mén)彈簧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通過(guò)設(shè)計(jì)支撐管結(jié)構(gòu)，將腳踏桿的右端力量傳輸?shù)交顒?dòng)梁上，降低了彈簧復(fù)位難度，方便更換不同類(lèi)型的彈簧，為其應(yīng)力調(diào)節(jié)也提供了保障。研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)際應(yīng)用發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋氣門(mén)CxQ+oIFrs8oea7cyLCLNmA==彈簧，可切實(shí)降低操作難度，提升缸蓋組裝效率，解決手工壓裝難題，也可降低安全風(fēng)險(xiǎn)和安全事故的發(fā)生率。

5 發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧設(shè)計(jì)思考

5.1 提高設(shè)計(jì)人員自身的專(zhuān)業(yè)性

為了優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧設(shè)計(jì)，提升設(shè)計(jì)可行性，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)前，要充分了解和掌握發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧的原理、結(jié)構(gòu)組成等，明確氣門(mén)飛脫、氣門(mén)反跳等現(xiàn)象的發(fā)生原因；科學(xué)地制定發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧要求和準(zhǔn)則。同時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧設(shè)計(jì)期間，設(shè)計(jì)人員不斷夯實(shí)自身的理論基礎(chǔ)，積累設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，積極學(xué)習(xí)國(guó)內(nèi)外在發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧設(shè)計(jì)方面的先進(jìn)設(shè)計(jì)方法，樹(shù)立新思維和新理念，切實(shí)為發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧優(yōu)化設(shè)計(jì)工作的開(kāi)展提供保障。

5.2 培養(yǎng)設(shè)計(jì)人員自身的信息化素養(yǎng)

發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧設(shè)計(jì)中，涉及多項(xiàng)算法、技術(shù)運(yùn)用以及計(jì)算等，設(shè)計(jì)人員必須不斷完善自我、提升自我，學(xué)習(xí)相關(guān)的運(yùn)算方法，知曉每種算法的原理等，并將其充分運(yùn)用到具體的設(shè)計(jì)中，為發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧可行性設(shè)計(jì)提供保障。積極學(xué)習(xí)軟硬件設(shè)備的操作方法，如仿真系統(tǒng)的搭建、建模方法等，更好地通過(guò)數(shù)學(xué)建模以及仿真系統(tǒng)驗(yàn)證與設(shè)計(jì)相關(guān)的信息數(shù)據(jù)，為發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧合理設(shè)計(jì)提供支撐。

6 結(jié)語(yǔ)

發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠提升設(shè)計(jì)科學(xué)性及合理性，可以解決氣門(mén)彈簧共振問(wèn)題，更好地滿(mǎn)足了發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧工作使用需求。在設(shè)計(jì)中，需要預(yù)先明確設(shè)計(jì)思路，按照設(shè)計(jì)要求設(shè)定設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)，可以提高設(shè)計(jì)效率。通過(guò)靜力分析、模態(tài)分析及仿真驗(yàn)證，能夠切實(shí)深化發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧設(shè)計(jì)。本文的研究結(jié)論，可為發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)彈簧設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和依據(jù)。

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作者簡(jiǎn)介：

許華富，男，1978.年生，工程師，研究方向?yàn)閷?zhuān)職機(jī)械、自動(dòng)化以及設(shè)備制造管理。