4G15V機型汽油機氣門與活塞最小運動間隙的計算

施玉春，王劍鋒，王志國，李國華，沙洲

（哈爾濱東安汽車發動機制造有限公司技術中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

4G15V機型汽油機氣門與活塞最小運動間隙的計算

施玉春，王劍鋒，王志國，李國華，沙洲

（哈爾濱東安汽車發動機制造有限公司技術中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

以4G15V車用汽油機為例，介紹由凸輪升程、搖臂和氣門之間的運動規律求出氣門升程，再根據氣門升程與活塞位移之間的關系來求出最小運動間隙的方法。

活塞位移；配氣相位；最小運動間隙

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.027

CLC NO.: U471.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-85-04

引言

4G15 V車用汽油機是由4G15S車用汽油機升級而成的，它是哈爾濱東安汽車發動機制造有限公司開發的新產品，新機設計時碰到如何合理地確定活塞上氣門凹坑深度的問題。凹坑深度小，可能會造成氣門和活塞干涉，凹坑深度大，性能又變差，因此要尋求一個汽油機在運行中氣門與活塞不發生干涉又對燃燒影響最小的凹坑深度。此次是通過氣門升程和活塞的位移之間的關系在給定氣門凹坑深度的條件下來計算最小運動間隙，下面介紹計算過程。

1、活塞位移計算

1.1 計算公式

式中，χ為活塞位移（參考點為上止點）；α為曲軸轉角；L為連桿長度，L=131；R為曲軸半徑，R=41。

1.2 計算結果

計算結果見表1和表2。

2、氣門升程計算

2.1 原始參數

圖1 為搖臂與調節螺釘工作狀態下的示意圖，搖臂與氣門實際接觸面為球面,故搖臂短邊與長邊均為搖臂中心與接觸球心的距離。

e.凸輪軸中心至搖臂軸中心的距離E進=47.82 ;E排=43.43；

f.進氣搖臂短邊與長邊的夾角=149°，排氣搖臂短邊與長邊的夾角=152°；

g.進氣凸輪基圓半徑R=16 ; 排氣凸輪基圓半徑R=16 ;

h.配氣相位：14°（BTDC）/142°（BTDC）進氣門/129°（ATDC）/6°（BTDC）排氣門；

i.活塞頂面間隙3.62。

氣門升程見表1和表2。

表1 進氣側計算結果

表2 排氣側計算結果

2.2 氣門間隙

搖臂與進氣門的冷態間隙=0.13；

搖臂與排氣門的冷態間隙=0.17；

2.3 計算結果

計算結果見表1和表2。

3、計算結果及其誤差分析

用氣門凹入度、活塞頂間隙和活塞上氣門凹坑深度之和作為活塞位移與氣門升程的縱坐標之差，然后用配氣相位來確定氣門升程和活塞位移橫坐標的相對位置，根據表1的計算結果分別畫出氣門升程和活塞位移隨曲軸轉角的關系圖，見圖3。 由圖3可見，進氣門與活塞的最小運動間隙為1.75，在上止點后6度；排氣門與活塞的最小運動間隙為1.46，在上止點前6度。

根據設計公司推薦，進氣門的最小運動間隙為1.2左右，排氣門的運動間隙為1.4左右，從上面的計算結果可以看出，進氣門的最小運動間隙偏大。為此，可將進氣門的最小運動間隙定為1.2，反推活塞上進氣門上凹坑深度為1.70，最小運動間隙在上止點后5度。

以上僅是理論計算結果，跟實際情況有一定的誤差，分析原因有以下幾點：

a.凸輪對稱中心線相對于鍵槽位置角度的加工誤差，它直接影響配氣相位，配氣相位公差是±3度。

b.計算中未考慮零件的熱變形和安裝應力所引起的機械變形。

c.汽缸墊的壓縮高度是圖樣要求的尺寸，非試驗測量實際值。

4、小結

a.用上述活塞與氣門最小運動間隙的計算方法，計算結果為：進氣門與活塞的最小運動間隙為1.45，在上止點后5度；排氣門與活塞的最小運動間隙為1.46，在上止點前6度。該方法適用于杯狀挺柱、搖臂傳動的配氣機構。

b.為簡化設計過程，預先給定活塞與氣門的最小運動間隙，然后反推活塞上氣門凹坑的深度。

5、考慮變形與公差

為使得計算數據更接近實際工況，接下來我們綜合考慮零件熱變形及尺寸公差來進一步驗算氣門與活塞間隙。氣門與活塞相碰的現象，引起發動機工作粗暴及噪聲過大。要分析原因并解決問題，進行尺寸鏈計算是必不可少的。由于發動機在運轉過程中機內溫度很高，造成機內各部件受熱膨脹，使得靜態時尺寸鏈計算的間隙與實際運轉狀態相差較大。對靜態和動態時氣門與活塞的間隙進行計算，在計算中確定合理的置信水平，找到兩種狀態下的最小間隙。

5.1 活塞受熱膨脹量的計算

物體熱脹冷縮會引起長度（體積）的變化。內燃機在運轉過程中，機內各部件受高溫影響，發生膨脹，進而造成氣門和活塞間隙變小，容易發生碰撞，致使發動機噪聲增大。在現今用戶普遍要求發動機降低噪聲的大環境下，噪聲增大無疑會影響該發動機的市場前景。因此，針對這個問題，首先要確定各部件膨脹量。而在各膨脹量部件中，尤其以活塞膨脹最為明顯，因此本次計算主要考慮了活塞膨脹時對間隙的影響。

當溫度由T1變到T2,長度相應地有L1變到L2時，材料在該溫區的平均線膨脹系數為：

式中：α1---平均線膨脹系數（K-1）,活塞材料鎂鋁合金計算，膨脹系數取為α1=2.55*107K-1；

L1---常溫下的活塞銷到活塞上平面的距離，L1=28.65；

△L---線長度增量（mm）

△T---溫度增量（K），取平均溫差△T =300K。線長度增量：△L =α1* L1*△T =0.219 mm

計算得知，活塞膨脹量為0.219 mm，為了驗證活塞與氣門是否相碰，知道了氣門與活塞之間的間隙，需要進行尺寸鏈計算。

5.2 尺寸鏈公差計算

5.2.1 封閉環基本尺寸的計算

無論是極值法還是統計法，封閉環的基本尺寸都可以用尺寸鏈的方程式確定。下圖6為尺寸鏈所示。

尺寸鏈示意圖為活塞位于進氣沖程上止點時，活塞、曲柄連桿機構、氣缸蓋的裝配示意圖。因此計算中將活塞上平面到氣缸蓋端面的距離A0作為封閉環尺寸。

曲柄連桿機構的各運動零部件之間都存在著配合間隙。當活塞位于排氣沖程上止點時，活塞連桿機構存在著向下運動的趨勢，處于拉伸狀態。在計算中，考慮發動機在運行中各零部件的熱膨脹量。

A0是在裝配最后形成的，因此是封閉環。由于是處于上止點，并存在下行的趨勢，所以機構處于拉伸狀態，使得孔與軸的配合間隙只能出現在一個方向上，不可能出現兩種不同的位置，可根據實際工作位置，用一條裝配尺寸鏈來分析A0的大小。

5.2.2 統計法

統計法是應用概率論原理進行尺寸鏈計算的一種方法。在正常生產條件下，加工尺寸均處于極限尺寸的可能性是較小的，根據概率乘法定理，組成環極限尺寸重合的概率等于各組成環出現極限尺寸概率的乘積。環數較多時，極限尺寸相遇的可能性很小。因此，如果尺寸鏈的環數較多，封閉環精度要求較高，就需采用統計法計算。

在多環尺寸鏈中，封閉環的分布接近于正態分布，可按正態分布曲線方程式計算出在一定分布范圍內的概率密度。該分布范圍如在規定的公差范圍內，則所求概率密度即為合格率或置信水平。

5.2.3 極值法

極值法是計算封閉環極限尺寸的一種方法，其組成環尺寸均為極限尺寸。采用極值法計算簡單、可靠、直觀。適用于封閉環公差較大、組成環較少時的尺寸鏈計算。利用極值法計算，可以直觀地看出氣門碰活塞現象是否是由于各零件的尺寸公差的設置不合理造成的。

6、計算數據分析

為了分析氣門和活塞之間是否存在相碰，要分別計算靜態和動態時（標定轉速下）凸輪轉角下進、排氣門和活塞之間的距離。靜態計算中不考慮氣門飛脫及活塞受熱膨脹等現象；而動態計算則考慮上訴因素的影響。由于氣門和活塞相碰發生的區段為排氣門下降段、進氣門上升段，故分析此兩段。

7、總結

計算可以看出，采用極值法，靜態時進、排氣門和活塞之間的間隙對于進氣門在上升段時和活塞之間的間隙最小；對于排氣門在下降段附近和活塞之間的間隙最小。由極值法和統計法計算結果可以看出，在靜態下不存在氣門和活塞干涉的問題。

活塞膨脹量為0.219mm，氣門碰活塞最危險處氣門飛脫量為0.10151mm。因此，不僅需要對配氣機構采取措施一減小氣門飛脫量，還要從改進活塞結構，如將活塞頂排氣門避碰坑深度由原來的1.3mm改為1.8mm，才能徹底消除氣門和活塞干涉的問題。

[1] 王德海,姜樹李.配氣機構搖臂比的精確計算.內燃機學報.1985, (3)124～ 157.

[2] 尚漢冀.關于配氣機構設計和分析計算若干問題研究.內燃機結構強度聯合學術討論會.1983:203～217.

[3] 蘇軍,申屠森.頂置凸輪配氣機構氣門升程的精確計算.內燃機學報.1999, (2): 202～203.

5、汽車造型設計與文化的進化與創新

文化融于汽車造型設計，汽車造型設計體現文化，這已經是一種事實。汽車造型設計的思想觀念深刻的反映了文化的特質；文化的各種特征也在汽車造型設計的各處得到了完整的體現。文化是現代汽車造型設計的靈魂，凡是優秀的設計，總蘊含著深厚的文化內涵。汽車造型設計與文化不斷結合并進化而創新，并給我們創造了新的生活方式及文化觀念。

隨著經濟科技的快速發展，文化以一種前所未有的速度傳播，而我們不斷進步的社會，對各種各樣的文化展現出了強大的包容性，這是以往的任何時代都未曾出現的。現在文化的傳播業給造型設計師極大的自由發揮空間，也涌現出了精彩紛呈的各種趣味的造型設計。沃爾沃全新設計語言標志性的T形日間行車燈靈感就來源于瑞典神話中的雷神之錘。（圖8沃爾沃S90）。隨著國外文化的傳入，汽車造型設計的大融合時代已經悄然而至。東西方汽車造型設計的融合源于東西文化開始融合，這也進一步證明了文化與汽車造型設計的關系。

參考文獻

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[3] 吳承佑.2013車展主流趨勢發現.2013.

The Calculation of Minimal Moving Clearance Between 4G15V Gasoline Engine Valve and Piston

Shi Yuchun, Wang Jianfeng, Wang Zhiguo, Li Guohua, Sha Zhou
（Center of Technology, Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd,Heilongjiang Harbin 150060）

A method is introduced in this paper by taking 4G15V gasoline engine for example. That is valve lift can be accumulated according to the moving rule among the camshaft, rocker and valve and the minimal moving clearance can be worked out by the valve lift and piston displacement.

piston displacement; inlet and outlet phase; minimal moving clearance

U471.2

A

1671-7988(2016)10-85-04

施玉春，（1972-），女，高級工程師，本科，就職于哈爾濱東安汽車發動機制造有限公司。研究方向發動機零部件設計開發工作。