气门弹簧

气门弹簧位于气缸盖和气门杆末端的弹簧座之间是保证气门及时落座，紧密贴合，防止发动机振动时气门跳动，破坏其密封性能的小工具。气门弹簧的作用是保证气门在关闭时能与气门座或气门座圈紧密贴合，在气门开启时克服气门机构产生的惯性力，使传动部件始终受凸轮控制而不相互分离。气门弹簧多由优质合金钢丝制成，通过热处理提高疲劳强度。为了避免弹簧腐蚀，弹簧表面应该镀锌、磷化。弹簧的两个端面必须磨平并垂直于弹簧轴线，以防止弹簧在工作过程中歪斜。

气门弹簧

气门弹簧多为圆柱螺旋弹簧，如图所示。当气门弹簧的工作频率等于或为其固有频率的整数倍时，气门弹簧会发生共振，断裂的概率会增大。为了防止共振，可以使用变螺距弹簧目前，大多数发动机使用同心安装的双弹簧。内、两个外弹簧的旋转方向相反，外弹簧的刚度大于内弹簧的刚度。双弹簧不仅可以防止共振，还可以缩短弹簧长度．当其中一个弹簧断裂时，另一个弹簧可以继续工作，防止阀门落入气缸。

气门弹簧的设计对发动机系统的性能和凸轮的设计一样重要。气门弹簧的作用包括防止气门在气压载荷下从气门座上跳开，并控制气门运动以避免气门机构分离。气门弹簧设计影响凸轮应力、配气机构的摩擦和弹簧颤振。发动机的气门弹簧通常是两端封闭的开放式螺旋压缩弹簧。大多数发动机使用恒刚度弹簧，尽管有些发动机使用变刚度弹簧。对于转速较低的柴油机，通常采用单弹簧设计就足够了，但有时需要采用带阻尼弹簧或内弹簧的双弹簧设计，以降低气门弹簧颤振的严重程度。气门弹簧的设计是一项非常复杂的工作。由于两三个原因，它可以作为一个例子来说明发动机系统设计的原则。首先，解析弹簧设计方法显示了系统的设计参数和部件的设计参数之间的联系。其次，解析弹簧设计法表明，同一个设计问题有两种不同的数学构造方法：一个作为确定性的解决方案，另一个作为优化问题来解决。在优化问题的数学构造中，以显式函数为例列出了目标函数和约束函数。应该注意的是，在发动机系统设计的其他领域中（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复杂的隐函数。第三，解析弹簧设计法给出了用图形设计法构造参数化扫掠设计图的例子。这些典型的参数图可以用来处理柴油机系统设计中经常遇到的多维设计问题。

在气门弹簧的设计中，已知的输入数据包括以下内容：①最大气门升程；②给定的弹簧安装长度；③弹簧所需的预紧力；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，需要满足最大允许弹簧力和凸轮应力、排气门不跳浮、配气机构不飞脱等要求。气门弹簧设计和凸轮设计之间有很强的相互作用。如果在弹簧设计中很难找到解决方案，则必须修改这些输入数据。

在气门弹簧设计中，以下参数是计算的输出数据：①基本或独立弹簧设计参数（即弹簧平均直径、弹簧钢丝直径、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、最大压缩时线圈之间的物理间隙、弹簧的固有频率和颤振阶次、最大弹簧载简、最大弹簧扭力）弹簧的基本设计参数决定了弹簧的刚度。

一些输出参数受到设计约束的限制。例如，弹簧的安装长度和平均直径受到包装空间的限制。弹簧在最大压缩和压缩长度下的扭转应力受弹簧疲劳寿命的影响、强度极限和最大容许应力。弹簧颤振保护的约束条件通过控制弹簧的物理间隙和固有频率来实现。弹簧颤振的阶次是指弹簧的固有频率与发动机工作频率的比值。为了确保弹簧在操作过程中不会强烈振动。一般情况下，气门弹簧的固有频率至少应为发动机工作频率的13倍，即弹簧颤振的阶数应高于13。对弹簧固有频率的分析表明，如果弹簧对凸轮轮廓的一个主要谐波非常敏感，则必然有颤动趋势。在这种情况下，有必要修改凸轮或弹簧的设计。有时，可变刚度或嵌套弹簧可以用来改变弹簧的频率，以帮助缓解颤振问题。

弹簧设计是一个多维参数问题，可以用图形的方式处理，检查参数的灵敏度趋势。气门弹簧设计优化的目的是使弹簧的固有频率最大化，以减小弹簧的振动，同时满足以下限制：①发动机系统要求的弹簧预紧力和气门弹簧刚度；②最大允许弹簧应力；③控制弹簧颤振的适当物理间隙。

气门弹簧的设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。现将基于结构参数灵敏度设计图的气门弹簧设计分析方法总结如下：

1）第一步，通过对车辆下坡行驶性能和发动机制动的分析，确定配气机构飞行速度的设计目标，从而确定气门弹簧所需的预紧力和弹簧刚度；

2）第二步是建立配气机构的动力学模型，从而准确预测飞脱，并评估气缸内再压缩压力对飞脱的影响；

3）第三步，通过计算弹簧预紧力和弹簧刚度的不同值，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。推杆力需要绘制在图表中、气门机构的加速度和减速度相对于曲柄角的曲线示出了起飞的设计裕度，从而在步骤4中可以方便和明智地选择所需的弹簧预载和弹簧刚度的目标值；

4）第四步根据排气阀头的静力平衡，计算出防止排气阀跳动和浮动所需的弹簧预紧力。为带排气制动和不带排气制动的发动机选择排气门弹簧预紧力，并使用步骤3中的设计参数表选择匹配的弹簧刚度；

5）第五步计算设计参数的参数扫描值，利用图形设计方法构造弹簧设计的参数灵敏度设计图。选择弹簧的平均直径、盘绕钢丝的直径和圈数同时满足弹簧的扭转应力、固有频率、线圈间隙等设计限制。或者，可以使用解析优化方法直接求解该方程。

由于气门弹簧工作时承受扭矩，其圆形截面上的应力分布是不均匀的。从靠近中心的原点到边缘各点，应力逐渐增大，表面应力最大。就表面上所有点而言，内表面承受的应力最大，受平面应力。因此，气门弹簧表面一旦出现缺陷，最大应力集中就可能出现在缺陷处，从而导致弹簧的早期断裂。

折断原因

气门弹簧断裂的原因不仅是制造上的缺陷，还有使用不当造成的早期损坏。常见原因如下：

①弹簧表面有凹坑和腐蚀坑。由于储存不当，弹簧表面会形成腐蚀坑当弹簧承受大扭矩时，腐蚀坑处容易产生应力集中，最终导致弹簧疲劳断裂。

新型气门弹簧的质量检验方法：用老虎钳夹住弹簧，压缩到最小长度，尽量使环间没有间隙，保持48小时如果弹簧表面有缺陷，经过这种压缩处理后就会断裂。这是因为弹簧的内应力高度集中在缺陷附近，导致弹簧断裂。

气门弹簧弹性的强弱可以用比较法来识别。具体做法是：首先，将待检查的旧气门弹簧和新气门弹簧串联起来，并用钢垫圈隔开。然后在一个气门弹簧上施加一定的压力，观察新旧弹簧的压缩程度。如果老弹簧弹力不足，此时必须先压下。

②弹簧中心线歪斜。如果气门弹簧两端面与弹簧中心线不垂直，弹簧长时间高速工作，其金属材料容易因疲劳而断裂。气门弹簧垂直度的检查方法是：先将弹簧垂直放在平板上，用直角尺抵住弹簧的底圈，然后将弹簧旋转一圈，测量弹簧顶圈与直角尺的最大距离。正常情况下，气门弹簧相对于垂直线的倾斜距离为1.0～1.5mm。如果超过这个值，最好换一个新的。

③气门导管窜槽或凸轮轴轴承松动。如果气门导管在使用中移动，可能会导致气门弹簧在压缩时因弯曲应力而断裂。凸轮轴轴承松动会引起气门弹簧共振，导致气门弹簧断裂。

④操作或安装不当。柴油机在运行过程中，如果转速突然变化，气门弹簧的压缩和拉伸频率会突然增大，导致其疲劳断裂。

⑤气门弹簧未按要求装配。装配气门弹簧时，有些车型有特殊要求。比如五十铃6BBl的柴油发动机，要求弹簧蓝色涂层的一面朝向气缸盖的平面。不然弹簧容易断。

应急处理

如果在行驶过程中发现柴油机气门弹簧断裂，可以先将断裂的弹簧拆下，然后将弹簧两端的工作面相对，重新组装起来临时使用。如果弹簧断裂成几段，气缸可以移入、拆下排气阀的调整螺栓，使阀门保持关闭状态，然后拆下喷油泵通向气缸的高压油管，防止其向气缸内喷油，这样汽车就可以继续行驶到目的地。

1）检查气门弹簧的自由长度。用卡尺测量气门弹簧的自由长度，其值应符合标准值。如果没有，就应该更换。

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）检查气门弹簧的预载。用测力计检查气门弹簧的预紧力，其值应符合标准。如果预紧力低于标准值，请更换气门弹簧。

4）为防止损坏，请始终压缩弹簧。