金属材料课程设计--内燃机气门弹簧的选材与工艺设计

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1、 1 金属材料课程设计金属材料课程设计 题题 目目 ：内燃机气门弹簧的选材与工艺设计 学学 院院 ：材料科学与工程学院 专业班级专业班级 ：金属材料工程 10 级 1 班 2 1 内燃机气门弹簧简介 内燃机是将液体或气体燃料与空气混合后输入汽缸内部的高压燃烧室燃烧， 通过燃气膨胀、推动活塞 、曲柄连杆机构从而输出机械能的一种热机。内燃 机的配气机构直接影响内燃机的经济动力性能和运转的可靠性。 气门的作用是专门负责向发动机内输入燃料并排出废气， 传统发动机每个汽 缸只有一个进气门和一个排气门。 这种设计结构相对简单， 成本较低， 维修方便， 低速性能较好；缺点是功率很难提高，尤其是高转速时充气效

2、率低、性能较弱。 为了提高进排气效率，现在多采用多气门技术，这种结构结构容易形成紧凑型燃 烧室，喷油器布置在中央，这样可以令油气混合气燃烧更迅速、更均匀，各气门 的重量和开度适当地减小，使气门开启或闭合的速度更快。 （图（图 1 1）内燃机气门弹簧）内燃机气门弹簧 随着上述技术的不断发展， 这就对控制气门运动的气门弹簧就提出了更高的 要求。 气门弹簧是圆柱形螺旋弹簧，如图（1）所示，其一端支承在气缸盖(体) 上， 而另一端则压靠在气门杆端的弹簧座上， 弹簧座用锁片固定在气门杆的末端。 气门的动作推动气门往下开启，来进行进气和排气，至于关闭的动作则是交给气 门弹簧负责。气门弹簧依靠其弹簧的张力使

3、开启的汽门迅速回到关闭的位置，并 防止气门在引擎的运动过程中因惯性力量而产生间隙， 确保气门在关闭状态时能 紧密贴合，同时也防止气门在振动时因跳动而破坏密封性。 3 2 气门弹簧的工作条件、失效形式及性能要求 本次设计的弹簧为气缸直径小于或等于 200mm 的中小型内燃机的气门弹簧， 其最大工作载荷在 700N 左右，在工作过程中弹簧要受到每分钟 1500 到 3000 次 的压缩作用，因此会受到相当大的振动和冲击作用；同时要求其工作温度在 150 到 200，也要受到排出的废气的腐蚀，工作条件比较差。 气门弹簧承受着频繁的交变载荷，为保证气门弹簧可靠地工作，要求气门弹 簧必须具有合适的弹力，

4、足够的强度和抗疲劳强度。 气门弹簧的失效主要表现为弹力不足， 以致发生漏气而影响发动机的正常工 作，其性能决定于材料成分和热处理工艺。气门弹簧是压缩弹簧，在安装时已经 被压缩，靠此力来保证气门与缸盖的密封。当气门打开时气门弹簧更是进一步被 压缩。当施加的力小于弹簧材料的变形临界值时，弹簧处于弹性变形，可正常回 位。若大于此值，弹簧会发生塑性变形，弹簧将无法恢复初始状态。 2.1 性能要求 气门弹簧每圈钢丝之间留有一定的间距作为伸缩余地。作为气门的复位装 置，气门弹簧的好坏直接影响到气门能否正常工作。 (1)气门弹簧不允许有任何裂纹、倾斜面、两端不平整或者倒置使用，否则 就会发生弹簧折断，不平整

5、者会增加气门杆与导管的磨损，造成气门摆动关闭不 严。 (2)气门弹簧的自由长度及在规定压缩长度内的相应压力应符合原厂规定标 准，否则就会产生气门关闭时弹簧自由长度不够而压力减弱，使气门关闭不严或 气门关闭无力，这会使气门工作面烧蚀。压缩后的长度过长者，会产生凸轮转动 顶面还未到顶弹簧圈已经无空隙，弹簧很容易断裂，座圈容易破裂，而且挺杆球 面和凸轮轴凸轮尖端会强制性磨损。 (3)气门弹簧的相应压力不得过高，必须按照原厂规定标准使用，否则就会 使凸轮轴凸轮尖端与气门挺杆球面加剧磨损，造成气门脚间隙过大而出现异响， 经调整后间隙也难以排除。 2.2 避免共振的措施 当气门弹簧的工作频率与其自然振动频

6、率相等或成某一倍数时， 将会发生共 4 振，造成气门反跳、落座冲击，并可使弹簧折断。为此，可采取如下几种结构措 施： (1) 提高气门弹簧的自然振动频率 即设法提高气门弹簧的刚度， 如加粗钢 丝直径或减小弹簧的圈径。这种方法较简单，但由于弹簧刚度大，增加了功率消 耗和零件之间的冲击载荷。 (2)采用双气门弹簧 每个气门装两根直径不同、旋向相反的内外弹簧。由 于两弹簧的自然振动频率不同， 当某一弹簧发生共振时， 另一弹簧可起减振作用。 旋向相反，可以防止一根弹簧折断时卡入另一根弹簧内，导致好的弹簧被卡住或 损坏。另外，万一某根弹簧折断时，另一根弹簧仍可保持气门不落入气缸内。 (3)采用不等螺距弹簧 这种弹簧在工作时，螺距小的一端逐渐叠合，有效 圈数逐渐减小，自然频率也就逐渐提高，使共振成为不可能。 采用等螺距的单弹簧，在其内圈加一个过盈配合的阻尼摩擦片来消除共振， 因气门弹簧一直处于交变的应力作用下， 如果质量存在问题， 可能产生弹簧断裂。 当气门弹簧断裂时，会导致气门不能弹回，致使活塞与进排气门干涉，导致气门 杆被顶弯，活塞受损，甚