某汽油機低剛度氣門彈簧的設計

高宏偉，李東輝，關　瑩，劉　剛，張　虎，佟　歡

（1.長城汽車股份有限公司技術中心，河北保定071000；2.河北省汽車工程技術研究中心，河北保定071000）

某汽油機低剛度氣門彈簧的設計

高宏偉，李東輝，關瑩，劉剛，張虎，佟歡

（1.長城汽車股份有限公司技術中心，河北保定071000；2.河北省汽車工程技術研究中心，河北保定071000）

氣門彈簧是為了滿足配氣機構的需求，保證氣門及時關閉、平穩落座。同時，抵消配氣機構在工作過程中的慣性力，防止傳動件之間的脫落。通過設計低剛度氣門彈簧，可以有效改善配氣機構所帶來的振動，提高發動機的舒適性；改善傳動件之間的受力情況，降低傳動件之間磨損程度；同時也可以降低凸輪驅動力矩，減小驅動能耗，保證發動機輸出更高的有效能量。顯然，氣門彈簧在配氣機構中起到了至關重要的作用。

氣門彈簧低剛度接觸應力驅動力矩

1　前言

配氣機構主要是按照各缸進行的工作循環以及發火次序的要求，定時開關進排氣門，以及控制各缸進排門開度的大小，保證新鮮空氣得以進入氣缸以及廢氣及時排出。該機構設計的好壞直接關系到發動機的動力性、經濟性、排放性、可靠性、舒適性等[1]。然而氣門彈簧作為配氣機構重要的零件之一，在發動機正常工作過程中，受到交變載荷的作用。彈簧力的大小直接影響氣門的受力情況，關系到氣門落座情況、傳動件之間受力的大小，因而對彈簧力、抗疲勞程度提出了嚴格的要求。伴隨著汽車技術的不斷發展，人們對汽車舒適性、節能環保的追求，低剛度氣門彈簧是一種趨勢。所以氣門彈簧對發動機的影響也是顯而易見的。

2　低剛度氣門彈簧設計

大家熟知，作為氣門彈簧最重要的2個參數是預緊力和剛度。在彈簧設計過程中，通過對氣門在配氣機構中的受力分析，得到配氣機構需要彈簧預緊力的最小值，從而通過調整彈簧參數，確定彈簧預緊力以及控制最低的剛度值。

2.1數據準備

2.1.1發動機壓力曲線

圖1和圖2分別是某汽油機的缸內壓力曲線和排氣道壓力曲線。通過作用在排氣門上的最大壓力差值，計算得到氣門背壓；尤其增壓機型，應重點考察排氣道內的壓力。

圖1　缸內壓力曲線

圖2　排氣道壓力曲線

2.1.2彈簧預緊力的計算

為便于實際裝配和降低生產成本，一般把進排氣彈簧統一。為了保證氣門的有效關閉，通過計算得到，配氣機構需要的最小彈簧預緊力，一般情況只考察排氣彈簧即可。

式中，

F1——彈簧預緊力

F氣道——氣道壓力對氣門作用力；

F氣缸——缸內壓力對氣門作用力。

應用此公式可以得到配氣機構需要氣門彈簧預緊力的最小值[1]。

2.2彈簧設計

2.2.1K·na參數的確定

根據選定的彈簧材料，結合缸蓋上彈簧的布置空間，選取彈簧鋼絲直徑和彈簧中徑數值，最終得到彈簧剛度K和有效圈數na的乘積K·na，見圖3[2]。

圖3　K·na值的確定圖

2.2.2彈簧剛度K值的確定

由缸蓋的布置空間決定的氣門彈簧安裝高度L1，調整彈簧參數滿足預緊力大于配氣機構需要的最小值，由此確定彈簧剛度，參見圖4。就這樣得到了針對發動機需要的彈簧預緊力以及能夠滿足氣門工作過程中的剛度值[2]。

圖4　K值的確定

3　結果評價

結果評價主要包含彈簧的結果評價，以及改進后彈簧對配氣機構的影響。

3.1彈簧的結果評價

一般情況下，氣門彈簧主要評價剪切應力、振動情況以及疲勞強度，以及設計過程中滿足最低的設計要求。

3.1.1彈簧剪切應力的評價

結合設計完的彈簧參數，以及氣門最大開度下的彈簧受力，推導出彈簧的最大剪切應力，滿足特定材料的限值，保證一定的安全余量。

3.1.2振動的校核

凸輪轉動過程中，加在氣門彈簧上面的力就是氣門彈簧振動的激振力。像其他振動一樣，當激振力的頻率與系統固有頻率成一定比例時，彈簧發生共振。此時彈簧會被施加額外應力，導致彈簧很快發生破壞。所以一般會校核彈簧的固有頻率與發動機頻率成一定的倍數，才會保證彈簧不會發生共振。但是彈簧固有頻率過高，也同樣會導致彈簧內應力過高，需提高材料的疲勞強度。綜合考慮，要將彈簧固有頻率控制在一定范圍內，才能使得彈簧持久有效的工作。

3.1.3彈簧疲勞強度的校核

氣門彈簧在正常工作過程中，受到來自凸輪軸以及氣門的交變載荷的作用，所以，疲勞強度作為評價彈簧的一個重要指標。一般應用氣門全開和全關時彈簧所受載荷及相應最大最小剪切應力來校核彈簧的疲勞強度。

3.2彈簧對配氣機構的影響

一般情況下，采用這樣的思路設計氣門彈簧時，會確定一組滿足彈簧使用條件下的最小彈簧預緊力以及彈簧剛度。這對減小傳動件之間接觸力以及凸輪軸的驅動力矩是功不可沒的。下面是某機型的氣門彈簧更改前后的結果對比。

圖5和圖6分別是氣門彈簧改進前后凸輪與從動件接觸應力的仿真結果。對比結果，新設計的低剛度彈簧，接觸應力最大值降低8%左右。由此預計采用新設計的氣門彈簧可降低磨損。

圖5　改進前凸輪與從動件接觸應力

圖6　改進后凸輪與從動件接觸應力

圖7和圖8分別是氣門彈簧改進前后凸輪桃子驅動力矩的仿真結果。對比結果顯示，新設計的低剛度彈簧，單個凸輪桃子驅動力矩最大值降低4%左右。由此預計采用新設計的氣門彈簧可降低凸輪軸的驅動能耗。

圖7　改進前凸輪桃子驅動力矩

圖8　改進后凸輪桃子驅動力矩

4　結束語

應用此種設計思路進行小型內燃機的氣門彈簧設計，并考慮對配氣機構的影響，最終得到滿足評價指標的彈簧參數；同時與更改前的氣門彈簧進行仿真模擬對比，最后得出驅動元件之間的受力以及凸輪桃子驅動力矩。更改后的彈簧對配氣機構工作有改善，降低了傳動件之間的接觸應力；同時也可以實現對凸輪軸材料的更改，達到降成本的目的等等。顯然，低剛度氣門彈簧的設計對配氣機構的改善十分明顯，對發動機的動力性、可靠性等有很大程度的貢獻。

1陳家瑞.汽車構造[M].北京：機械工業出版社，2005.

2楊連生.內燃機設計[M].北京：中國農業機械出版社，1981.

Design of Low Stiff Valve Spring for a Gasoline Engine

Gao Hongwei,Li Donghui,Guan Ying,Liu Gang,Zhang Hu,Tong Huan
（1.Technology Center of Great Wall Motor Company Limited,Baoding 071000,China; 2.Automobile Engineering and Technology Research Center of Hebei Province,Baoding 071000,China）

The function of a valve spring is to satisfy the requirement of a valve train.The spring can ensure a valve to close on time and seat smoothly.Meanwhile,it can counteract the inertia force during the movement of valve train components and prevent contacting bodies in the system from loosing contact.A low stiff valve spring is designed to improve the valve train of a gasloline engine.The new spring can reduce valve train vibration efficently,making the engine run smoothly,and reduce the system friction loss.In addition,the new spring also can lower cam drive torque,thus decreasing power consumption.Obviously,a valve spring can play an important part in a valve train.

valve spring,low stiffness,contact stress,drive torque

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.01.009

來稿日期：2013-09-29

高宏偉(1989-)，男，學士，從事發動機仿真分析工作。