氣門彈簧

氣門彈簧位於氣缸蓋與氣門杆尾端彈簧座之間。氣門彈簧的功用是保證氣門關閉時能緊密地與氣門座或氣門座圈貼合，並克服在氣門開啓時配氣機構產生的慣性力，使傳動件始終受凸輪控制而不相互脱離。

氣門彈簧多采用優質合金鋼絲製成，並經熱處理，提高其疲勞強度。為了避免彈簧鏽蝕，彈簧表面應鍍鋅、磷化。彈簧的兩端面必須磨平並與彈簧軸線相垂直，以防止工作中彈簧產生歪斜。

氣門彈簧多為圓柱形螺旋彈簧，如圖1所示。當氣門彈簧的工作頻率與其固有頻率相等或成整數倍時，氣門彈簧就會發生共振而使折斷的幾率增加。為了防止共振的發生，可採用變螺距彈簧，目前大多數發動機採用同心安裝的雙彈簧。內、外兩根彈簧的旋向相反，外彈簧剛度比內彈簧大。雙彈簧不但可以防止共振，還可以縮短彈簧長度．並且在其中一根彈簧折斷時，另一根彈簧還可以繼續工作，不使氣門落入氣缸中。 ^[1] 

氣門彈簧設計與凸輪設計一樣，對發動機系統性能具有同等重要性。氣門彈簧的功能包括防止氣門在氣壓載荷下跳浮離開氣門座，以及控制氣門運動以避免配氣機構分離。氣門彈簧設計影響凸輪應力、配氣機構摩擦和彈簧顫振。發動機的氣門彈簧通常是兩端封閉的開圈螺旋壓縮彈簧。大多數發動機使用定剛度彈簧，雖然有些使用變剛度彈簧。對於轉速較低的柴油機來講，使用單彈簧設計通常足以滿足要求，但有時也需要使用帶一個阻尼彈簧或內簧的雙彈簧設計，以減小氣門彈簧顫振的嚴重程度。氣門彈簧設計是個非常複雜的任務。它可以作為一個範例來説明發動機系統設計的原則，原因有二三。首先，分析式彈簧設計方法展示了在部件沒計參數與系統設計參數之間的鏈接。第二，分析式彈簧設計方法展示了對於同一個設計問題，可以有兩種不同的數學構造方法：一種是作為確定性的解來處理，另一種是作為優化問題來求解。在優化問題的數學構造上，目標函數和約束函數均以顯式函數作為示例列出。需要注意的是，在發動機系統設計的其他領域（例如循環性能、凸輪設計、配氣機構動力學）。用於優化構造的函數通常是更為複雜的隱式函數。第三，分析式彈簧設計方法給出了使用圖形設計法來構造參變量掃值設計圖的一個範例。這些典型的參數圖可以川來處理在柴油機系統設計中經常遇到的多維設計問題。

在氣門彈簧設計中，已知的輸人數據包括以下內容：①最大氣門升程；②給定的彈簧安裝長度；③所需的彈簧預緊力；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，需要滿足所允許的最大彈簧力和凸輪應力、排氣門不跳浮、配氣機構不飛脱等要求。氣門彈簧設計凸輪設計之間存在着強烈的相互作用。如果在彈簧設計上很難找到解決方案，就必須修改這些輸入數據。

在氣門彈簧設計中，以下參數是計算輸出數據：①基本或獨立的彈簧設計參數（即彈簧平均直徑、彈簧線圈鋼絲直徑、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、在最大壓縮時線圈之間的實體間隙、彈簧的固有頻率和顫振階數、最大彈簧載簡、最大彈簧扭轉成力）。基本的彈簧設計參數決定了彈簧的剛度。

一些輸出參數受設計約束條件限制。例如，安裝長度和彈簧平均直徑受包裝空間限制。在最大彈簧壓縮量和在壓實長度下的彈簧扭轉應力受彈簧疲勞壽命、強度和最大允許應力極限限制。關於彈簧顫振保護的約束條件是通過控制實體間隙和彈簧固有頻率實現的。彈簧顫振的階數是指彈簧的固有頻率與發動機的工作頻率之比。為了保證彈簧不在運行中發生強烈顫振。氣門彈簧的固有頻率通常至少應當是發動機工作頻率的13倍，即希望彈簧顫振的階要高於13。彈簧固有頻率分析表明，如果彈簧對於凸輪型線的主導諧波之一響應非常靈敏的話，顫振的趨勢肯定是存在的。在這種情況下，就需要對凸輪或者彈簧的設計進行修改。有時可以使用變剛度或嵌套彈簧來改變彈簧的頻率，以幫助減輕顫振問題。

彈簧設計是一個多維參數的沒汁問題，可以通過一個圖形化的方式來處理，以檢查參數敏感度趨勢。氣門彈簧設計優化的目的是最大限度地增大彈簧的固有頻率，以減少彈簧振動，同時滿足以下限制條件：①發動機系統方面所要求的彈簧預緊力和氣門彈簧剛度；②最大允許的彈簧應力；③適當的實體間隙以控制彈簧顫振。 ^[2] 

氣門彈簧的沒計是一個複雜的系統設計課題。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。現將一個基於構造參變量敏感度設計圖的氣門彈簧設計的分析式方法總結如下：

（1）第1步通過分析車輛下坡行駛性能和發動機制動，確定配氣機構的飛脱轉速設計目標，以便確定所需要的氣門彈簧預緊力和彈簧剛度；

（2）第2步建立配氣機構動力學模型，以便準確地預測飛脱，並且評估缸內再壓縮壓力對飛脱的影響；

（3）第3步通過對彈簧預緊力和彈簧剛度的不同取值進行參變量掃值計算，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。需要在圖中繪製推杆力、配氣機構加速度和彈簧減速度相對於曲軸轉角的曲線，以顯示飛脱的設計裕度，從而能夠在第4步中方便而明智地選取彈簧預緊力和彈簧剛度所需要具有的目標值；

（4）第4步基於排氣門閥頭的靜態力平衡，計算所需要的彈簧預緊力以防止排氣門出現跳浮。為帶和不帶排氣制動器的發動機選擇排氣門彈簧預緊力，並使用在第3步中的設計參數圖來選擇匹配的彈簧剛度；

（5）第5步對設計參數進行參變量掃值計算，使用圖形化設計方法為彈簧設計構造參變量敏感度設計圖。選擇彈簧的平均直徑、線圈鋼絲直徑和線圈數目，同時滿足彈簧扭轉應力、固有頻率、線圈間隙等設計約束條件。或者也可用分析式優化方法直接求解式。 ^[2] 

因為氣門彈簧工作時承受扭力，所以在它圓截面上的應力分佈是不均勻的。從近中心的原點，到邊緣各點，應力逐漸遞增，表面所受的應力最大。就表面各點而言，正內側表面承受的應力最大，且受平面應力的作用。為此，一旦氣門彈簧表面存在缺陷，位於缺陷處即有可能產生最大的應力集中，從而導致彈簧的早期斷裂。

氣門彈簧斷裂的原因，除了製造上存在缺陷外，使用方法不當也可能使其遭受早期損壞。常見的原因多為以下幾點：

①彈簧表面有麻點和腐蝕坑。因保管不當，會使彈簧表面形成腐蝕坑，當彈簧承受較大扭力時，在蝕坑處易引起應力集中，最終導致彈簧疲勞斷裂。

新氣門彈簧的質量檢查方法：將彈簧夾在台虎鉗上壓縮到最小長度，使圈與圈之問儘可能沒有空隙，並保持48h，如果彈簧的表面有瑕疵存在，在經過這種壓縮處理後就會斷裂。這是因為彈簧內部應力在瑕疵附近高度集中，以致使彈簧斷裂。

氣門彈簧彈力的強弱，可用對比法加以識別。具體做法是：先將被檢查的一隻舊氣門彈簧與一隻新氣門彈簧串聯在一起，並且中間用一鋼片墊圈隔開。然後在一隻氣門彈簧上加一定的壓力，觀察新舊彈簧壓縮的程度。若舊彈簧的彈力不足，則此時必定先被壓下去。

②彈簧中心線歪斜。氣門彈簧的兩個端面若與彈簧中心線不垂直，則彈簧長期在高速下工作，也易使其金屬材料因疲勞而斷裂。氣門彈簧垂直度的檢查方法是：先將彈簧垂直放在平板上，用一直角尺靠在彈簧最下邊一圈上，然後將彈簧旋轉一週，測量最上邊一圈彈簧與直角尺距離的最大值。通常情況下，氣門彈簧對垂直線的傾斜距離為1.0～1.5mm。若超過此值，最好換用新件。

③氣門導管竄動或凸輪軸軸承鬆動。使用中若發生氣門導管竄動現象，即有可能導致氣門彈簧在被壓縮時因受彎曲應力的作用而折斷。凸輪軸軸承鬆動，會引起氣門彈簧產生共振，也會促使其折斷。

④操作或安裝不當。柴油發動機在運轉過程中，若轉速經常性突然變化，即會使氣門彈簧被壓縮和伸張的頻率突然猛增，導致其疲勞斷裂。

⑤沒有按要求裝配氣門彈簧。裝配氣門彈簧時，有的機型有特殊要求。例如五十鈴6BBl柴油發動機，要求將彈簧塗有藍色的一面朝向氣缸蓋上平面。否則，彈簧易折斷。

在汽車行駛途中，如果發現柴油發動機氣門彈簧折斷，可先將折斷的彈簧拆下，再將彈簧兩端的工作面相對後復裝暫用。如果彈簧折斷成數段，可將該缸進、排氣門的調整螺栓拆下，使氣門保持關閉狀態，然後將通往該缸的噴油泵高壓油管拆下，使其不能向氣缸噴油，即可使汽車繼續行駛至目的地。 ^[3] 

（1）檢查氣門彈簧的自由長度。用卡尺側量氣門彈簧自由長度，其值應符合標準值。若不符合，應更換之。

（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）檢查氣門彈簧的預緊力。用測力器檢測氣門彈簧的預緊力，其值應符合標準。若預緊力低於標準值，則應更換氣門彈簧。

（4）為了預防損毀，要經常壓縮彈簧。