汽油機氣門彈簧優化設計

朱 蘭1 張小虎1 徐 政

(1. 上海汽車集團股份有限公司技術中心 上海 201804；2.上海市汽車動力總成重點實驗室, 上海 201804)

0 前言

配氣機構是發動機的一個重要系統，其設計對發動機的性能、可靠性和壽命有極大的影響。氣門彈簧作為發動機配氣機構的關鍵零件，其作用是保證氣門正確回位[1]。在發動機工作過程中，氣門彈簧能保證氣門及時打開與關閉，并防止氣門在發動機振動時因跳動而破壞密封性[2]。因此，氣門彈簧的設計對發動機配氣機構的可靠性至關重要。

針對氣門彈簧的設計，近年來的研究大都集中在氣門彈簧的疲勞強度上，而本文則重點圍繞氣門彈簧預緊力不足導致氣門泄漏問題展開分析。考慮到如果氣門彈簧預緊力設計過小，氣門會出現反跳和飛脫，甚至出現氣門關閉不嚴。而氣門彈簧預緊力過大，氣門接觸應力會增加，發動機摩擦損失也可能會隨之增加。

1 試驗背景

某發動機性能試驗中發生氣體泄漏現象，經過多方探討與分析，可能與彈簧預緊力不足導致氣門關閉不嚴有關。于是在試驗中采取了如下措施:

(1)墊片增加0.5 mm，相當于增加彈簧預緊力11 N，氣體泄漏現象并無改善；

(2)第一缸與第四缸氣門機構進行對調，墊片增加0.5 mm，第四缸改善效果明顯，且第一缸并未出現氣體泄漏現象。設計發布工程師(DRE)對彈簧預緊力進行了測量，第四缸排氣側彈簧預緊力較其他缸偏低。

(3)篩選預緊力較高的彈簧，墊片增加0.7 mm，氣體泄漏現象有明顯改善，但仍然存在于部分工況下。

試驗結果顯示彈簧預緊力增加到一定程度時，氣體泄漏現象有所改善，因而可以初步判定此次事故與彈簧預緊力不足有關，然而經過檢查，發現彈簧預緊力并無異常，因此需要尋找導致彈簧預緊力不足的原因。

2 失效原因分析

2.1 常規彈簧殘余力分析

彈簧殘余力是校核彈簧預緊力是否合適的一項指標，當彈簧預緊力在克服氣體力、氣門總成慣性力、液壓挺柱對氣門的作用力，以及各項誤差后剩余力大于20～40 N，即彈簧預緊力滿足設計要求。根據理論公式校核彈簧殘余力，彈簧殘余力在標準范圍內，符合設計準則。且將原彈簧代入氣門機構仿真模型計算，各項指標均滿足設計要求，并無彈簧預緊力不足現象發生。彈簧殘余力理論公式如下

FR=Ff-Fgas-Fgas+-FHLA-Fvalve

(1)

式中：Ff為考慮公差和振動后彈簧預緊力；Fgas為氣體力；Fgas+為氣體竄動量；FHLA為液壓挺柱對氣門的作用力；Fvalve為氣門總成慣性力。

2.2 失效原因

根據常規彈簧殘余力的校核和氣門動力學分析，彈簧殘余力和氣門機構動力學性能均無異常，其失效原因包括：

(1)相對其他機型其排氣背壓較大，可能是導致氣門關閉不嚴的直接原因；

(2)彈簧顫振在額定轉速之后處于正常偏高范圍，彈簧顫振為氣門處于關閉狀態時彈簧中心振動幅值。在氣門機構仿真計算中，能夠反映氣門關閉不嚴的因素主要包括彈簧顫振、凸輪接觸力、氣門反跳，以及氣門落座力等，然而計算結果顯示凸輪接觸力、氣門反跳，以及氣門落座力等無明顯異常現象，僅在額定轉速之后(在轉速5 300 r/min、5 600 r/min， 5 800 r/min，6 000 r/min)彈簧顫振較高，此時氣門彈簧力在落座后有明顯的振動現象，如圖1所示。在發動機轉速達5 300 r/min氣門彈簧力顫振較高時，其對應的最小彈簧力明顯比轉速達5 000 r/min顫振較低時對應的最小彈簧力小。

圖1 氣門彈簧力

(3)彈簧預緊力公差

理論計算中彈簧預緊力公差按照5%預估,最大不超過15 N,而實際彈簧預緊力制造公差和安裝高度松弛公差最大可以達到23.6 N，從這些角度考慮，彈簧殘余力理論計算中考慮的公差可能不足。

(4)氣體瞬時竄動量

由于每個周期不同，或者氣體存在一定的瞬時竄動量，計算中則并沒有考慮其影響。

2.3 基于各項公差的動力學仿真分析

由于常規動力學計算中并未考慮到足夠的彈簧預緊力誤差和氣體竄氣量的影響，本次計算基于各項公差重新校核氣門機構動力學，按照目前彈簧預緊力(F1),考慮制造誤差和安裝高度松弛公差后，彈簧最大預緊力損失量大約為23.6 N，考慮周期性氣體竄動量，需要額外克服氣體力28.99 N。 基于目前狀態校核氣門動力學出現了異常情況，其主要考核指標包括氣門落座力、凸輪接觸力、氣門彈跳等。

氣門落座力如圖2所示，在發動機轉速為6 000 r/min，氣門完全落座后又有重新開啟現象。

圖2 氣門落座力

在發動機轉速達到6 000 r/min，凸輪滾子接觸力在基圓部分有明顯增加(圖3)，可能氣門已經被打開。

圖3 凸輪滾子接觸力

氣門升程在發動機轉速分別為5 300 r/min和5 800 r/min，氣門關閉后彈跳高度超出限值(圖4)，在轉速為6 000 r/min，氣門完全關閉后又有小幅打開的氣門升程出現。

圖4 氣門升程

從結果可以看出，考慮各種公差后，氣門出現了被打開現象，所以試驗中出現的氣體泄漏現象很可能與制造公差和氣體竄動量等因素有關。

3 氣門彈簧優化

由于原始彈簧在安裝狀態固有頻率為545 Hz,代入氣門機構系統后系統頻率為523 Hz,根據計算，可知分別在轉速5 230 r/min 、5 705 r/min、6 276 r/min、6 973 r/min均有可能發生共振現象，因此計算中建議增加除發動機特征點以外的轉速。考慮到氣門彈簧尺寸和結構的限制，無法將彈簧顫振降低到理想范圍，因而在現有型線不變及彈簧空間尺寸(安裝高度，彈簧上下端內徑)不變的情況下，氣門彈簧的改進方向主要有兩個方向：增加彈簧預緊力；在保證彈簧安全系數的前提下提高工作頻率，挪開共振點，避開特征轉速，防止因彈簧顫振導致的彈簧預緊力不足。

可采用2種方案，方案1是在原方案F1的基礎上增加15 N。 對氣門彈簧進行全新設計，彈簧預緊力增加15 N,同時減小彈簧顫振并將最大顫振點挪至更高轉速，防止因彈簧顫振過大而導致的彈簧力波動增大，從而出現的彈簧力不足現象。

方案2則是在原方案F1的基礎上增加25 N。通過增加彈簧預緊力是解決氣門關閉不嚴的最直接手段，但彈簧預緊力增加達到一定值后，氣門桿頂部可能會發生磨損。因而基于氣門接觸應力考核標準，此處彈簧預緊力最好不要超過一定值。

表1為方案1與方案2的氣門彈簧與原彈簧基本信息對比。

表1 彈簧基本信息對比

彈簧優化后，將結果與原方案比對，發現優化后彈簧力F1和F2均有所增加，有利于防止氣門關閉不嚴的情況發生。 在發動機轉速達到6 000 r/min之前，優化后的氣門彈簧顫振有明顯的減小(圖5)，而最小彈簧力有明顯增加(圖6)，最小彈簧力的增加有利于改善氣門關閉不嚴現象。其中方案1中彈簧顫振減小幅度最為明顯。

圖5 彈簧顫振對比

圖6 最小彈簧力

增加彈簧預緊力公差和彈簧顫振，優化后彈簧殘余力理論計算結果相對原方案有明顯增加，尤其是方案1彈簧殘余力增大明顯，彈簧殘余力對比如圖7。

圖7 彈簧殘余力對比

逐一增加各項彈簧制造公差及氣體竄動量，相對原方案，氣門機構動力學均有了明顯的改善。而方案2動力學性能改善最為突出，在考慮彈簧制造公差和氣門竄動量的極限情況后，其動力學性能仍然表現良好，凸輪無飛脫現象，氣門完全落座后也無重新跳起現象。

綜上所述，方案1和方案2各有優劣。方案1氣門彈簧顫振在轉速6 000 r/min之前改善較多，因而其彈簧殘余力增加明顯。方案 2彈簧預緊力增加較方案1更多，其抗公差損失的能力更強，并表現在動力學性能上。綜合評估選取方案2應用于某開發機型，目前方案2中氣門彈簧已經通過了性能試驗，氣門關閉不嚴現象得到解決，沒有再出現氣體泄漏現象。

4 結語

本文結合試驗中出現的氣體泄漏現象以及試驗預判措施，逐一排查了可能導致氣門關閉不嚴的失效原因，并提出了彈簧改進方向，最終推薦了2個彈簧優化方案，得出了如下結論：

(1)氣門關閉不嚴現象可能與彈簧制造公差、安裝高度公差以及周期性氣體竄動量等有關。

(2)過大的彈簧顫振可能是引起氣門關閉不嚴的重要因素，建議避開額定轉速等特征。

(3)常規彈簧殘余力校核公式有一定局限性，應該結合彈簧制造公差、氣體竄動量和彈簧顫振綜合考慮，并帶入仿真模型檢驗。

(4)彈簧力也不能無限制的增加，彈簧力增加可能會帶來導管磨損、氣門桿端磨損等風險。