氣門彈簧

氣門彈簧位于氣缸蓋和氣門桿末端的彈簧座之間是保證氣門及時落座，緊密貼合，防止發動機振動時氣門跳動，破壞其密封性能的小工具。氣門彈簧的作用是保證氣門在關閉時能與氣門座或氣門座圈緊密貼合，在氣門開啟時克服氣門機構產生的慣性力，使傳動部件始終受凸輪控制而不相互分離。氣門彈簧多由優質合金鋼絲制成，通過熱處理提高疲勞強度。為了避免彈簧腐蝕，彈簧表面應該鍍鋅、磷化。彈簧的兩個端面必須磨平并垂直于彈簧軸線，以防止彈簧在工作過程中歪斜。

氣門彈簧

氣門彈簧多為圓柱螺旋彈簧，如圖所示。當氣門彈簧的工作頻率等于或為其固有頻率的整數倍時，氣門彈簧會發生共振，斷裂的概率會增大。為了防止共振，可以使用變螺距彈簧目前，大多數發動機使用同心安裝的雙彈簧。內、兩個外彈簧的旋轉方向相反，外彈簧的剛度大于內彈簧的剛度。雙彈簧不僅可以防止共振，還可以縮短彈簧長度．當其中一個彈簧斷裂時，另一個彈簧可以繼續工作，防止閥門落入氣缸。

氣門彈簧的設計對發動機系統的性能和凸輪的設計一樣重要。氣門彈簧的作用包括防止氣門在氣壓載荷下從氣門座上跳開，并控制氣門運動以避免氣門機構分離。氣門彈簧設計影響凸輪應力、配氣機構的摩擦和彈簧顫振。發動機的氣門彈簧通常是兩端封閉的開放式螺旋壓縮彈簧。大多數發動機使用恒剛度彈簧，盡管有些發動機使用變剛度彈簧。對于轉速較低的柴油機，通常采用單彈簧設計就足夠了，但有時需要采用帶阻尼彈簧或內彈簧的雙彈簧設計，以降低氣門彈簧顫振的嚴重程度。氣門彈簧的設計是一項非常復雜的工作。由于兩三個原因，它可以作為一個例子來說明發動機系統設計的原則。首先，解析彈簧設計方法顯示了系統的設計參數和部件的設計參數之間的聯系。其次，解析彈簧設計法表明，同一個設計問題有兩種不同的數學構造方法：一個作為確定性的解決方案，另一個作為優化問題來解決。在優化問題的數學構造中，以顯式函數為例列出了目標函數和約束函數。應該注意的是，在發動機系統設計的其他領域中（例如循環性能、凸輪設計、配氣機構動力學）用于優化構造的函數通常是更復雜的隱函數。第三，解析彈簧設計法給出了用圖形設計法構造參數化掃掠設計圖的例子。這些典型的參數圖可以用來處理柴油機系統設計中經常遇到的多維設計問題。

在氣門彈簧的設計中，已知的輸入數據包括以下內容：①最大氣門升程；②給定的彈簧安裝長度；③彈簧所需的預緊力；④所需的彈簧剛度。需要注意的是，彈簧的預緊力和剛度是發動機系統層面的設計參數，需要滿足最大允許彈簧力和凸輪應力、排氣門不跳浮、配氣機構不飛脫等要求。氣門彈簧設計和凸輪設計之間有很強的相互作用。如果在彈簧設計中很難找到解決方案，則必須修改這些輸入數據。

在氣門彈簧設計中，以下參數是計算的輸出數據：①基本或獨立彈簧設計參數（即彈簧平均直徑、彈簧鋼絲直徑、工作線圈數目）②導出的設計參數（例如彈簧的自由長度、最大壓縮長度、壓實長度、線圈之間的自由間隙、最大壓縮時線圈之間的物理間隙、彈簧的固有頻率和顫振階次、最大彈簧載簡、最大彈簧扭力）彈簧的基本設計參數決定了彈簧的剛度。

一些輸出參數受到設計約束的限制。例如，彈簧的安裝長度和平均直徑受到包裝空間的限制。彈簧在最大壓縮和壓縮長度下的扭轉應力受彈簧疲勞壽命的影響、強度極限和最大容許應力。彈簧顫振保護的約束條件通過控制彈簧的物理間隙和固有頻率來實現。彈簧顫振的階次是指彈簧的固有頻率與發動機工作頻率的比值。為了確保彈簧在操作過程中不會強烈振動。一般情況下，氣門彈簧的固有頻率至少應為發動機工作頻率的13倍，即彈簧顫振的階數應高于13。對彈簧固有頻率的分析表明，如果彈簧對凸輪輪廓的一個主要諧波非常敏感，則必然有顫動趨勢。在這種情況下，有必要修改凸輪或彈簧的設計。有時，可變剛度或嵌套彈簧可以用來改變彈簧的頻率，以幫助緩解顫振問題。

彈簧設計是一個多維參數問題，可以用圖形的方式處理，檢查參數的靈敏度趨勢。氣門彈簧設計優化的目的是使彈簧的固有頻率最大化，以減小彈簧的振動，同時滿足以下限制：①發動機系統要求的彈簧預緊力和氣門彈簧剛度；②最大允許彈簧應力；③控制彈簧顫振的適當物理間隙。

氣門彈簧的設計是一個復雜的系統設計課題。良好的彈簧設計可以最大限度地減少配氣機構的摩擦和磨損。現將基于結構參數靈敏度設計圖的氣門彈簧設計分析方法總結如下：

1）第一步，通過對車輛下坡行駛性能和發動機制動的分析，確定配氣機構飛行速度的設計目標，從而確定氣門彈簧所需的預緊力和彈簧剛度；

2）第二步是建立配氣機構的動力學模型，從而準確預測飛脫，并評估氣缸內再壓縮壓力對飛脫的影響；

3）第三步，通過計算彈簧預緊力和彈簧剛度的不同值，構建配氣機構動力學的參數圖，以檢查它們對配氣機構振動的影響。推桿力需要繪制在圖表中、氣門機構的加速度和減速度相對于曲柄角的曲線示出了起飛的設計裕度，從而在步驟4中可以方便和明智地選擇所需的彈簧預載和彈簧剛度的目標值；

4）第四步根據排氣閥頭的靜力平衡，計算出防止排氣閥跳動和浮動所需的彈簧預緊力。為帶排氣制動和不帶排氣制動的發動機選擇排氣門彈簧預緊力，并使用步驟3中的設計參數表選擇匹配的彈簧剛度；

5）第五步計算設計參數的參數掃描值，利用圖形設計方法構造彈簧設計的參數靈敏度設計圖。選擇彈簧的平均直徑、盤繞鋼絲的直徑和圈數同時滿足彈簧的扭轉應力、固有頻率、線圈間隙等設計限制?；蛘?，可以使用解析優化方法直接求解該方程。

由于氣門彈簧工作時承受扭矩，其圓形截面上的應力分布是不均勻的。從靠近中心的原點到邊緣各點，應力逐漸增大，表面應力最大。就表面上所有點而言，內表面承受的應力最大，受平面應力。因此，氣門彈簧表面一旦出現缺陷，最大應力集中就可能出現在缺陷處，從而導致彈簧的早期斷裂。

折斷原因

氣門彈簧斷裂的原因不僅是制造上的缺陷，還有使用不當造成的早期損壞。常見原因如下：

①彈簧表面有凹坑和腐蝕坑。由于儲存不當，彈簧表面會形成腐蝕坑當彈簧承受大扭矩時，腐蝕坑處容易產生應力集中，最終導致彈簧疲勞斷裂。

新型氣門彈簧的質量檢驗方法：用老虎鉗夾住彈簧，壓縮到最小長度，盡量使環間沒有間隙，保持48小時如果彈簧表面有缺陷，經過這種壓縮處理后就會斷裂。這是因為彈簧的內應力高度集中在缺陷附近，導致彈簧斷裂。

氣門彈簧彈性的強弱可以用比較法來識別。具體做法是：首先，將待檢查的舊氣門彈簧和新氣門彈簧串聯起來，并用鋼墊圈隔開。然后在一個氣門彈簧上施加一定的壓力，觀察新舊彈簧的壓縮程度。如果老彈簧彈力不足，此時必須先壓下。

②彈簧中心線歪斜。如果氣門彈簧兩端面與彈簧中心線不垂直，彈簧長時間高速工作，其金屬材料容易因疲勞而斷裂。氣門彈簧垂直度的檢查方法是：先將彈簧垂直放在平板上，用直角尺抵住彈簧的底圈，然后將彈簧旋轉一圈，測量彈簧頂圈與直角尺的最大距離。正常情況下，氣門彈簧相對于垂直線的傾斜距離為1.0～1.5mm。如果超過這個值，最好換一個新的。

③氣門導管竄槽或凸輪軸軸承松動。如果氣門導管在使用中移動，可能會導致氣門彈簧在壓縮時因彎曲應力而斷裂。凸輪軸軸承松動會引起氣門彈簧共振，導致氣門彈簧斷裂。

④操作或安裝不當。柴油機在運行過程中，如果轉速突然變化，氣門彈簧的壓縮和拉伸頻率會突然增大，導致其疲勞斷裂。

⑤氣門彈簧未按要求裝配。裝配氣門彈簧時，有些車型有特殊要求。比如五十鈴6BBl的柴油發動機，要求彈簧藍色涂層的一面朝向氣缸蓋的平面。不然彈簧容易斷。

應急處理

如果在行駛過程中發現柴油機氣門彈簧斷裂，可以先將斷裂的彈簧拆下，然后將彈簧兩端的工作面相對，重新組裝起來臨時使用。如果彈簧斷裂成幾段，氣缸可以移入、拆下排氣閥的調整螺栓，使閥門保持關閉狀態，然后拆下噴油泵通向氣缸的高壓油管，防止其向氣缸內噴油，這樣汽車就可以繼續行駛到目的地。

1）檢查氣門彈簧的自由長度。用卡尺測量氣門彈簧的自由長度，其值應符合標準值。如果沒有，就應該更換。

2）檢查氣門彈簧的垂直度。用直角尺和平板檢查氣門彈簧的垂直度，其值應符合標準值，否則必須更換。

3）檢查氣門彈簧的預載。用測力計檢查氣門彈簧的預緊力，其值應符合標準。如果預緊力低于標準值，請更換氣門彈簧。

4）為防止損壞，請始終壓縮彈簧。