[科普中国]-气门弹簧

概念

气门弹簧位于气缸盖与气门杆尾端弹簧座之间。气门弹簧的功用是保证气门关闭时能紧密地与气门座或气门座圈贴合，并克服在气门开启时配气机构产生的惯性力，使传动件始终受凸轮控制而不相互脱离。

气门弹簧多采用优质合金钢丝制成，并经热处理，提高其疲劳强度。为了避免弹簧锈蚀，弹簧表面应镀锌、磷化。弹簧的两端面必须磨平并与弹簧轴线相垂直，以防止工作中弹簧产生歪斜。

气门弹簧多为圆柱形螺旋弹簧，如图所示。当气门弹簧的工作频率与其固有频率相等或成整数倍时，气门弹簧就会发生共振而使折断的几率增加。为了防止共振的发生，可采用变螺距弹簧，目前大多数发动机采用同心安装的双弹簧。内、外两根弹簧的旋向相反，外弹簧刚度比内弹簧大。双弹簧不但可以防止共振，还可以缩短弹簧长度．并且在其中一根弹簧折断时，另一根弹簧还可以继续工作，不使气门落入气缸中。1

气门弹簧的设计方法气门弹簧设汁与凸轮设计一样，对发动机系统性能具有同等重要性。气门弹簧的功能包括防止气门在气压载荷下跳浮离开气门座，以及控制气门运动以避免配气机构分离。气门弹簧设计影响凸轮应力、配气机构摩擦和弹簧颤振。发动机的气门弹簧通常是两端封闭的开圈螺旋压缩弹簧。大多数发动机使用定刚度弹簧，虽然有些使用变刚度弹簧。对于转速较低的柴油机来讲，使用单弹簧设计通常足以满足要求，但有时也需要使用带一个阻尼弹簧或内簧的双弹簧设计，以减小气门弹簧颤振的严重程度。气门弹簧设计是个非常复杂的任务。它可以作为一个范例来说明发动机系统设计的原则，原因有二三。首先，分析式弹簧设计方法展示了在部件没计参数与系统设计参数之间的链接。第二，分析式弹簧设计方法展示了对于同一个设计问题，可以有两种不同的数学构造方法：一种是作为确定性的解来处理，另一种是作为优化问题来求解。在优化问题的数学构造上，目标函数和约束函数均以显式函数作为示例列出。需要注意的是，在发动机系统设计的其他领域（例如循环性能、凸轮设计、配气机构动力学）。用于优化构造的函数通常是更为复杂的隐式函数。第三，分析式弹簧设计方法给出了使用图形设计法来构造参变量扫值设计图的一个范例。这些典型的参数图可以川来处理在柴油机系统设计中经常遇到的多维设计问题。

在气门弹簧设计中，已知的输人数据包括以下内容：①最大气门升程；②给定的弹簧安装长度；③所需的弹簧预紧力；④所需的弹簧刚度。需要注意的是，弹簧的预紧力和刚度是发动机系统层面的设计参数，需要满足所允许的最大弹簧力和凸轮应力、排气门不跳浮、配气机构不飞脱等要求。气门弹簧设计凸轮设计之间存在着强烈的相互作用。如果在弹簧设计上很难找到解决方案，就必须修改这些输入数据。

在气门弹簧设计中，以下参数是计算输出数据：①基本或独立的弹簧设计参数（即弹簧平均直径、弹簧线圈钢丝直径、工作线圈数目）；②导出的设计参数（例如弹簧的自由长度、最大压缩长度、压实长度、线圈之间的自由间隙、在最大压缩时线圈之间的实体间隙、弹簧的固有频率和颤振阶数、最大弹簧载简、最大弹簧扭转成力）。基本的弹簧设计参数决定了弹簧的刚度。

一些输出参数受设计约束条件限制。例如，安装长度和弹簧平均直径受包装空间限制。在最大弹簧压缩量和在压实长度下的弹簧扭转应力受弹簧疲劳寿命、强度和最大允许应力极限限制。关于弹簧颤振保护的约束条件是通过控制实体间隙和弹簧固有频率实现的。弹簧颤振的阶数是指弹簧的固有频率与发动机的工作频率之比。为了保证弹簧不在运行中发生强烈颤振。气门弹簧的固有频率通常至少应当是发动机工作频率的13倍，即希望弹簧颤振的阶要高于13。弹簧固有频率分析表明，如果弹簧对于凸轮型线的主导谐波之一响应非常灵敏的话，颤振的趋势肯定是存在的。在这种情况下，就需要对凸轮或者弹簧的设计进行修改。有时可以使用变刚度或嵌套弹簧来改变弹簧的频率，以帮助减轻颤振问题。

弹簧设计是一个多维参数的没汁问题，可以通过一个图形化的方式来处理，以检查参数敏感度趋势。气门弹簧设计优化的目的是最大限度地增大弹簧的固有频率，以减少弹簧振动，同时满足以下限制条件：①发动机系统方面所要求的弹簧预紧力和气门弹簧刚度；②最大允许的弹簧应力；③适当的实体间隙以控制弹簧颤振。2

气门弹簧设计的步骤气门弹簧的没计是一个复杂的系统设计课题。良好的弹簧设计可以最大限度地减少配气机构的摩擦和磨损。现将一个基于构造参变量敏感度设计图的气门弹簧设计的分析式方法总结如下：

（1）第1步通过分析车辆下坡行驶性能和发动机制动，确定配气机构的飞脱转速设计目标，以便确定所需要的气门弹簧预紧力和弹簧刚度；

（2）第2步建立配气机构动力学模型，以便准确地预测飞脱，并且评估缸内再压缩压力对飞脱的影响；

（3）第3步通过对弹簧预紧力和弹簧刚度的不同取值进行参变量扫值计算，构建配气机构动力学的参数图，以检查它们对配气机构振动的影响。需要在图中绘制推杆力、配气机构加速度和弹簧减速度相对于曲轴转角的曲线，以显示飞脱的设计裕度，从而能够在第4步中方便而明智地选取弹簧预紧力和弹簧刚度所需要具有的目标值；

（4）第4步基于排气门阀头的静态力平衡，计算所需要的弹簧预紧力以防止排气门出现跳浮。为带和不带排气制动器的发动机选择排气门弹簧预紧力，并使用在第3步中的设计参数图来选择匹配的弹簧刚度；

（5）第5步对设计参数进行参变量扫值计算，使用图形化设计方法为弹簧设计构造参变量敏感度设计图。选择弹簧的平均直径、线圈钢丝直径和线圈数目，同时满足弹簧扭转应力、固有频率、线圈间隙等设计约束条件。或者也可用分析式优化方法直接求解式。2

气门弹簧折断的方法因为气门弹簧工作时承受扭力，所以在它圆截面上的应力分布是不均匀的。从近中心的原点，到边缘各点，应力逐渐递增，表面所受的应力最大。就表面各点而言，正内侧表面承受的应力最大，且受平面应力的作用。为此，一旦气门弹簧表面存在缺陷，位于缺陷处即有可能产生最大的应力集中，从而导致弹簧的早期断裂。

汽门弹簧折断的原因气门弹簧断裂的原因，除了制造上存在缺陷外，使用方法不当也可能使其遭受早期损坏。常见的原因多为以下几点：

①弹簧表面有麻点和腐蚀坑。因保管不当，会使弹簧表面形成腐蚀坑，当弹簧承受较大扭力时，在蚀坑处易引起应力集中，最终导致弹簧疲劳断裂。

新气门弹簧的质量检查方法：将弹簧夹在台虎钳上压缩到最小长度，使圈与圈之问尽可能没有空隙，并保持48h，如果弹簧的表面有瑕疵存在，在经过这种压缩处理后就会断裂。这是因为弹簧内部应力在瑕疵附近高度集中，以致使弹簧断裂。

气门弹簧弹力的强弱，可用对比法加以识别。具体做法是：先将被检查的一只旧气门弹簧与一只新气门弹簧串联在一起，并且中间用一钢片垫圈隔开。然后在一只气门弹簧上加一定的压力，观察新旧弹簧压缩的程度。若旧弹簧的弹力不足，则此时必定先被压下去。

②弹簧中心线歪斜。气门弹簧的两个端面若与弹簧中心线不垂直，则弹簧长期在高速下工作，也易使其金属材料因疲劳而断裂。气门弹簧垂直度的检查方法是：先将弹簧垂直放在平板上，用一直角尺靠在弹簧最下边一圈上，然后将弹簧旋转一周，测量最上边一圈弹簧与直角尺距离的最大值。通常情况下，气门弹簧对垂直线的倾斜距离为1.0～1.5mm。若超过此值，最好换用新件。

③气门导管窜动或凸轮轴轴承松动。使用中若发生气门导管窜动现象，即有可能导致气门弹簧在被压缩时因受弯曲应力的作用而折断。凸轮轴轴承松动，会引起气门弹簧产生共振，也会促使其折断。

④操作或安装不当。柴油发动机在运转过程中，若转速经常性突然变化，即会使气门弹簧被压缩和伸张的频率突然猛增，导致其疲劳断裂。

⑤没有按要求装配气门弹簧。装配气门弹簧时，有的机型有特殊要求。例如五十铃6BBl柴油发动机，要求将弹簧涂有蓝色的一面朝向气缸盖上平面。否则，弹簧易折断。

气门弹簧折断的应急处理方法在汽车行驶途中，如果发现柴油发动机气门弹簧折断，可先将折断的弹簧拆下，再将弹簧两端的工作面相对后复装暂用。如果弹簧折断成数段，可将该缸进、排气门的调整螺栓拆下，使气门保持关闭状态，然后将通往该缸的喷油泵高压油管拆下，使其不能向气缸喷油，即可使汽车继续行驶至目的地。3

检查步骤（1）检查气门弹簧的自由长度。用卡尺侧量气门弹簧自由长度，其值应符合标准值。若不符合，应更换之。

（2）检查气门弹簧的垂直度。用直角尺和平板，检查气门弹簧的垂直度，其值应符合标准值，否则必须更换。

（3）检查气门弹簧的预紧力。用测力器检测气门弹簧的预紧力，其值应符合标准。若预紧力低于标准值，则应更换气门弹簧。

（4）为了预防损毁，要经常压缩弹簧。