發動機氣門彈簧設計分析

摘要：隨著發動機整體使用性能的提高，在汽車設計過程中對發動機升功率、轉速等參數均提出了更高的要求。依據發動機工作環境和場景不同，需要對發動機的氣門、氣門彈簧等部件進行優化設計，旨在更好地滿足實際使用需求?；诖?，探討了優化發動機氣門彈簧設計的必要性，對發動機氣門彈簧設計過程開展了深入的分析。

關鍵詞：發動機；氣門彈簧；優化設計；靜力分析

中圖分類號：U464 收稿日期：2024-08-13

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.11.025

1 前言

氣門彈簧性能與內燃機工作性能密切相關，通過優化設計氣門彈簧，能夠有效消除共振危害，從而能夠使氣門彈簧更好地發揮作用，切實滿足發動機對氣門彈簧的性能需求。研究認為，氣門彈簧是配氣機構中的關鍵構件，只有通過合理設計氣門彈簧，才能提高配氣機構的換氣效率。考慮到氣門彈簧與配氣機構摩擦損失、接觸應力等均有相關性，因此本課題有必要就氣門彈簧設計過程展開深入的研究。

2 彈簧性能分析

彈簧屬于機械零件，在外力作用下容易發生形變，其形變大小與材料自身以及彈簧結構均有關系。同時，彈簧能夠在外力作用下將機械能轉化為變形能，也能將變形能再轉化為動能。在彈簧設計過程中，需要緊緊圍繞彈簧的基本性能進行優化設計的，需要綜合考量彈簧荷載力與變形之間的關系，同時考慮圓頻率等諸多因素。

研究發現，彈簧的剛度會使彈簧發生形變，在彈簧的整個變形過程中，彈簧的剛度參數可作為常量使用，也可以作為變量使用。彈簧的剛度特性能夠為彈簧優化設計提供指導，將彈簧剛度作為常量使用時，顯示出一條直線，屬于線性范疇；將彈簧剛度作為變量使用時，它則以特性曲線的方式呈現出來，進而稱之為“變剛度彈簧”。當前，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現，在進行彈簧設計過程中，需要計算出彈簧的拉伸或壓縮變形能。為獲取最大的彈簧變形能，在設計中要從彈簧材料著手，首先要科學地設計好幾何尺寸。對彈簧的圓頻率分析發現，在彈簧承受振動載荷情況下，為了驗證載荷力對彈簧系統的影響，需要依據彈簧圓頻率來分析。與此同時，為提升彈簧設計合理性，需要進行彈簧強度、彈簧剛度、彈簧穩定性計算，同時需要進行彈簧共振驗算等。

3 發動機氣門彈簧優化設計的必要性分析

發動機中的配氣機構由彈性的傳動鏈組成，而其中的凸輪會在干擾力作用下發生彈性形變，進而造成配氣機構振動，如氣門運動飛脫、落座反跳、噪音增大等。就氣門飛脫發生分析發現，氣門在開啟狀態下，慣性力比氣門彈簧的荷載力大，進而引起氣門飛脫現象，此時氣門與搖臂接觸的應力變為0，通常發動機在低轉速情況時發生氣門飛脫的可能性相對較小。就氣門反跳發生分析發現，當沖擊反力超出了氣門彈簧的預緊力時，就會引發氣門反跳現象，同時會瞬時產生巨大的荷載，進一步沖擊氣門座。

氣門彈簧屬于壓縮彈簧，在設計過程中應用到“虎克定律”?；趯椈稍O計領域的不斷涉足和探究，人們在彈簧精準控制設計方面也取得了一定的成果。發動機的氣門彈簧大多呈現圓柱螺旋形，受發動機轉速影響，會使氣門彈簧出現共振現象，進而超出了最大應力值，無法適應發動機的高轉速。因此，為避免氣門彈簧產生共振，在設計中將傳統的氣門彈簧更換為“錐形變剛度氣門彈簧”，這也能提高發動機的轉速。分析發現，錐形變剛度氣門彈簧的剛度、固有頻率隨著彈簧的軸線方向而發生變化。為提高設計效率，保證錐形變剛度氣門彈簧設計科學性和合理性，設計人員要預先做好充分的調研工作，學習高效設計方法，確保設計精準；采用合理手段，使氣門彈簧在實際工作中避免出現飛脫、共振以及反跳情況，并進一步創新發動機氣門彈簧設計方法，為發動機零部件設計提供參考[1]。

觀察現有的發動機結構形式發現，當前較為常用的發動機主要由一缸一蓋、四氣門結構組成，需要預先組裝進排氣門、鎖夾、彈簧以及彈簧座等相關的零部件，才能開展下一步的整機裝配工作。在具體組裝缸蓋時，將彈簧下壓，將其裝入到鎖夾內，鎖緊氣門。由于彈簧的彈力較大，使人工操作難度較大，會影響發動機缸蓋的組裝效率和整體的組裝效果。為此，有必要優化發動機氣門彈簧設計，以方便氣門彈簧的壓裝操作，才能高效完成發動機缸蓋組裝作業。

4 發動機氣門彈簧設計過程

4.1 設計思路

設計發動機氣門彈簧時，設計人員綜合考量設計變量問題，將彈簧結構參數作為設計變量，確定好彈簧的基本尺寸，并結合發動機配氣機構結構數據，進一步確定彈簧高度、工作變形、簧絲、壓縮高度、有效圈數、彈簧力等相關參數，進而最大程度地提升發動機氣門彈簧的穩定性。

完成上述設計后，結合發動機氣門彈簧的曲線特點，明確發動機氣門彈簧形狀、尺寸等。為提升彈簧設計的科學性和合理性，對彈簧約束條件加以明確，綜合考量其強度條件和穩定條件，劃分彈簧中徑經驗值的范圍以及預緊力等，計算出彈簧疲勞安全系數和自振動頻率等。在本研究中，滿足的強度條件為：

[τ=8KFD2/πd3≤τ] （1）

式中，[τ]為剪切應力；[τ]為許用剪切應力；F為工作荷載；K為曲度系數，[K=1.6d0.14/D0.142]。同時，還要滿足穩定條件，明確彈簧中徑經驗值范圍約束條件和旋繞比經驗值范圍約束條件等[2]。

4.2 發動機氣門彈簧設計參數要求

在設計中要明確設計要求，嚴格按照設計參數開展相關的設計工作，結合配氣機構性能需求優選彈簧材料，確定彈簧的疲勞強度，設定好切變模量、彈性模量以及抗拉極限強度、許用應力、彈簧強度、溫度修正系數等[3]?；谠O計要求對彈簧進行噴丸處理，同時做好漩渦流探傷處理，在彈簧表面涂抹防銹油，并在熱強壓處理后，將彈簧表面的應力去除。進一步研究認為，結合發動機配氣機構來確定氣門彈簧的性能參數尤為重要，如彈簧的預緊力、變形量、內外徑等。通過對彈簧設計的綜合考量，將彈簧確定為“上部分錐形，下部分圓柱形”的形狀。

4.3 發動機氣門彈簧靜力分析

發動機氣門彈簧靜力分析主要是結合配氣機構的應力情況來進行的。通過靜力分析來核驗彈簧的剛度和強度是否滿足實際工作需求，并通過應用仿真系統來建模，通過數值比對，進一步推導出運算公式。在進行具體的靜力分析中，要按照科學的流程和步驟進行。首選選擇設計用的彈簧材料，確保該材料滿足疲勞強度要求，進而更好地適應工作環境。然后將彈簧靜力分析相關的參數等信息導入模型中[4]。完成上述操作后，利用網格劃分工具來劃分網格，以六面體網格結構為主，網格圖見圖1。當設定彈簧強制位移條件后，可計算出彈簧所承受的負荷，并通過有限元分析，進一步得出彈簧的剛度值。通過仿真模型，進一步證實了彈簧剛度符合實際使用需求。

對發動機氣門彈簧進行應力分析時，采取施加工作荷載的方式進行。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，最終可以得出應力數據、軸向變形數據以及剪切應力數據等。在彈簧靜力分析仿真驗證中，發現彈簧下端和下底座存在接觸性問題，局部的應力相對集中，尤其是接觸點的應力達到了最大值。通過靜力分析和仿真驗證可以確定最終的切應力以及最小的切應力。

4.4 發動機氣門彈簧模態分析

為避免氣門彈簧與配氣機構共振，在發動機氣門彈簧靜力分析基礎上進行模態分析，旨在最大程度上預防共振現象的發生。研究發現，發動機氣門彈簧的共振現象與固有的頻率、零件結構等多種因素密切相關，因此，開展模態分析顯得尤為重要。在具體的模態分析時，要對彈簧的具體工作狀態和場景進行模擬，并獲取彈簧陣型圖，同時結合數據分析，得出彈簧最小固有頻率，并與其工作頻率進行對比，最終確定二者之間不會產生共振現象。

4.5 發動機缸蓋氣門彈簧設計

在發動機缸蓋氣門彈簧結構設計上，為方便壓裝操作，要基于彈簧整體結構進行分析，并采用雙杠桿連接互動結構來替換彈簧原來的壓裝裝置，同時，優化設置支撐管、支撐桿、壓樁頭等部件。此外，將壓裝頭連接在活動梁的左側，在腳踏桿的末端設置腳踏板，促使傳動機構與活動梁進行有效的連接，并保證連接效果。實際應用發現，通過雙杠桿連接互動結構設計，可實現用腳控制氣門彈簧的目標，能夠很好地控制發動機缸蓋氣門彈簧壓裝速度。

通過腳步力量的運用，能夠使彈簧壓裝頭自動上升，與機械壓裝方式相比，這大大降低了勞動強度，最大程度地提升了壓裝效率[4]。發動機缸蓋氣門彈簧結構設計中，通過設計支撐管結構，將腳踏桿的右端力量傳輸到活動梁上，降低了彈簧復位難度，方便更換不同類型的彈簧，為其應力調節也提供了保障。研究發現，實際應用發動機缸蓋氣門CxQ+oIFrs8oea7cyLCLNmA==彈簧，可切實降低操作難度，提升缸蓋組裝效率，解決手工壓裝難題，也可降低安全風險和安全事故的發生率。

5 發動機氣門彈簧設計思考

5.1 提高設計人員自身的專業性

為了優化發動機氣門彈簧設計，提升設計可行性，設計人員在設計前，要充分了解和掌握發動機氣門彈簧的原理、結構組成等，明確氣門飛脫、氣門反跳等現象的發生原因；科學地制定發動機氣門彈簧要求和準則。同時，在發動機氣門彈簧設計期間，設計人員不斷夯實自身的理論基礎，積累設計經驗，積極學習國內外在發動機氣門彈簧設計方面的先進設計方法，樹立新思維和新理念，切實為發動機氣門彈簧優化設計工作的開展提供保障。

5.2 培養設計人員自身的信息化素養

發動機氣門彈簧設計中，涉及多項算法、技術運用以及計算等，設計人員必須不斷完善自我、提升自我，學習相關的運算方法，知曉每種算法的原理等，并將其充分運用到具體的設計中，為發動機氣門彈簧可行性設計提供保障。積極學習軟硬件設備的操作方法，如仿真系統的搭建、建模方法等，更好地通過數學建模以及仿真系統驗證與設計相關的信息數據，為發動機氣門彈簧合理設計提供支撐。

6 結語

發動機氣門彈簧優化設計，能夠提升設計科學性及合理性，可以解決氣門彈簧共振問題，更好地滿足了發動機氣門彈簧工作使用需求。在設計中，需要預先明確設計思路，按照設計要求設定設計相關參數，可以提高設計效率。通過靜力分析、模態分析及仿真驗證，能夠切實深化發動機氣門彈簧設計。本文的研究結論，可為發動機氣門彈簧設計提供指導和依據。

參考文獻：

[1]方桉，雷志君，傅瑜杭.一種空氣彈簧開啟關閉發動機氣門裝置的設計[J].河南科技，2024，51（3）：22-26.

[2]熊敏強，江華，呂浚潮.淺談發動機氣門彈簧的設計流程、要點及計算[J].摩托車技術，2020（12）：32-34.

[3]李廣衛.發動機氣門彈簧斷裂的分析及解決方案[J].內燃機與配件，2020（14）：29-32.

[4]宋佳彬.變剛度氣門彈簧設計方法研究[D].長春：吉林大學，2018.

作者簡介：

許華富，男，1978.年生，工程師，研究方向為專職機械、自動化以及設備制造管理。