基于動力質量模型對氣門失效的研究

郝慶民

（浙江交通技師學院，浙江 金華 321015）

汽車使用壽命的長短與汽車發動機的命運是息息相關，而作為發動機核心部件的配氣機構，其使用壽命也與發動機整體壽命一致。

1 氣門失效研究概述

1.1 氣門組相關概念

發動機氣門是汽車發動機配氣機構中的重要零件之一，氣門的作用是負責向發動機內輸入燃料并排出廢氣，為了提高進排氣效率，現在多采用多氣門技術，常見的是每個汽缸布置有4個氣門。這種多氣門結構容易形成緊湊型燃燒室，噴油器布置在中央，這樣可以令油氣混合氣燃燒更迅速、更均勻，各氣門的重量和開度適當地減小，使氣門開啟或閉合的速度更快。隨著發動機的進一步強化，氣門失效己成為車用發動機的惡性故障。

氣門組件的作用是保證實現氣缸的可靠密封，工作中要求：氣門頭部與氣門座貼合緊密，不得漏氣；氣門導管對氣門桿的往復運動導向良好；氣門彈簧兩端面與氣門桿中心線相互垂直，以保證氣門頭在氣門坐上不偏斜；氣門彈簧的彈力足以克服氣門及其傳動件的運動慣性力，使氣門能迅速閉合，并能保證氣門關閉時緊壓在氣門座上。

1.2 論文研究方法

發動機氣門在高溫沖擊環境下工作，惡劣的工況環境是使氣門失效的重要原因。當發動機工作時，其排氣門的工作溫度范圍可達630～930℃，壓強為105～115kP,為了探討溫度對排氣門磨損的影響，采用動態磨損強化模擬試驗的方法，對排氣門錐面采用合金焊層的氣門材料進行了單因素控制的強化磨損模擬試驗。

由于氣門彈簧的作用，使氣門在工作時落座沖擊氣門座。落座沖擊力對氣門的失效有重要的影響，氣門運動過程的優劣最終將集中表現為落座瞬間特性的好壞。采用模擬試驗的方法，探討氣門沖擊力對排氣門磨損的影響，試驗通過調節氣門間隙來改變沖擊力的大小。

1.3 研究背景與意義

目前，對氣門的研究主要集中在正常工況下的強度、壽命等方面，對氣門在異常條件下的研究少有文獻提及。然而，異常條件導致氣門失效所占比例較大，因此有必要進行這方面的研究工作。

在氣門失效中，異常條件占很大的比重，特別是當氣門異常工作一段時間之后，氣門頭部的偏磨、氣門導管的超差、高溫導致的氣門材料強度降低以及溫度分布不均勻導致的應力分布不均勻都可能引起氣門的失效。而在目前的研究中，主要針對氣門的正常工況進行，對異常條件的研究報道較少，本文將在原有的分析方法的基礎上，著重對氣門各種異常條件下的應力和變形進行研究。

2 氣門失效原因分析

2.1 氣門系統安裝不當

氣門正常工作的前提是氣門部件間不能產生干涉。氣門彈簧座、鎖夾、氣門桿末端的質量及配合尺寸需保證協調一致。若不能保證，將導致氣門部件之間的配合狀態發生異常。

2.2 氣門導管與氣門桿間隙不當

氣門桿與氣門導管間應有合適的配合間隙，另外也應具有足夠的油膜來保證滑動特性。若間隙太小，將會導致氣門桿部磨損過于集中。若間隙過大，潤滑油格會從燃燒室流入氣門導管，在氣門表面形成一層油垢，由于進一步的燃燒，造成積碳增多，會導致氣門在導管里不能正?；瑒?，最終導致黏著在一起。

2.3 氣門不旋轉或旋轉太快

發動機工作時氣門應旋轉，但氣門驅動部件的干涉將阻礙這種旋轉。氣門不旋轉將導致氣門延周溫度分布不均，不利于燃燒堆積物的清除，導致氣門變形，密封不嚴，甚至會引起氣門錐面的局部燒損。

2.4 搖臂的單側施力

發動機工作時，如果搖臂的作用點不在氣門桿端面的中心，搖臂對氣門作用力的方向偏離氣門軸線，使工作中的氣門承受較大的彎曲應力，這是造成氣門鎖夾槽部斷裂的主要原因。

2.5 鎖夾不合格

桿端附件如鎖夾、彈簧座等，若不能彼此協調一致，必然產生一系列的干涉，最有可能產生鎖夾槽處的斷裂。由于氣門鎖夾形狀的不規范，使用時與氣門鎖夾槽表面形成非正常的點接觸或局部線接觸，工作時對氣門鎖央槽表面造成局部機械損傷，損傷部位產生的應力集中是造成鎖夾槽部斷裂的主要原因。

3 氣門動力學計算

3.1 單質量模型建立

氣門在工作時受到沖擊載荷及高溫氣體的聯合作用，因此，氣門的變形程度與沖擊力和氣體壓力有關，使計算模型復雜；為了簡化，本文在計算氣門動應方時采用單質量模型。

圖1 單質量模型

3.2 動力學計算

單質量模型如圖1所示，把氣門的運動用一個集中質量M來描述（這里M包含有氣門質量以及其他傳動零件換算到氣門處的質量），M的一端通過剛度為C”的氣門彈簧和汽缸蓋聯接，而另一端連結假想的剛度為C的“彈簧”，此彈簧的上端由“當量凸輪”直接控制，凸輪的運動規律如下：

這里k為搖臂比，x0為氣門間隙，而h（α）為挺柱升程函數。x（α）實際上就是將配氣機構當作完全剛性時的氣門升程函數。

在上面的模型中，所謂的剛度為c的“彈簧”實際上代表著整個傳動鏈的彈性，剛度c可通過實測或計算得到。圖1中的b和bp則分別表示內阻尼和外阻尼。

為了確定氣門升程函數，也就是集中質量位移M的位移y依賴于凸輪轉角的α的表達式y=y（α）。為此，首先要建立y（α）所滿足的微分方程并給出初始條件。假設作用在集中質量M上的外力之和為F，則顯然應有

式中M為集中質量，α為凸輪轉角加速度，ω為凸輪旋轉角速度。

3.3 計算結果分析

表1 氣門落座速度和加速度

以上的氣門動力分析結果表明，氣門落座加速度最大可達到2450m/s2,根據落座力的計算公式可知，落座力正比于氣門集中質量，在氣門落座加速度如此大的前提下，氣門集中質量的微小改變會引起落座力較大變化。

4 結語

氣門接觸面是以反復彈、塑性疲勞變形和金屬滑移而產生的疲勞裂紋、片狀疲勞剝落，最終導致氣門失效。而材料在高溫下產生的變形滑移和蠕變是促使氣門疲勞點蝕和剝落磨損加速的主要原因。從6BTA5.9汽油機排氣門摩擦副的工作條件出發，分析了溫度對排氣門摩擦副使用壽命的影響。排氣門與排氣門座的主要失效機理是在高溫與廢氣環境介質下的沖擊磨損。

氣門沖擊力極大地影響了氣門的磨損速率。隨著氣門沖擊力的增大，氣門的磨損率增大，磨損量增加。

[1]張西振.汽車發動機電控技術[M].北京：機械工業出版社，2004.

[2]孔憲峰.汽車發動機構造與維修[M].北京：高等教育出版社，2001.

[3]鄭九昂.齊國強.汽車發動機保養修理問答[M].北京：機械工業出版社，1993.

[4]閻邊新.汽車維修技術[M].北京：北京理工大學出版社，2009.

[5]張弟寧.汽車發動機構造與維修[M].北京：人民交通出版社，2011.

[6]陳惠民.汽車發動機的工作原理和總體構造[J].科技信息，2010，（24）.