1.3L汽油发动机变节距气门弹簧设计理论在某新型发动机中的运用-20160221.pdf

一种变螺距气门弹簧理论 在某新型发动机设计中的运用 单 位：哈尔滨哈飞汽车工业集团有限公司 下属单位：发动机研发中心 摘要 在高速发动机中，由于结构尺寸和弹簧应力的限制，等螺距气 门弹簧难以满足最大应力和共振方面的要求，纷纷采用变螺距弹簧设 计。而依据传统理论很难精确分析变螺距弹簧每一点的刚度。在配气 机构弹簧模块的数据输入中，又必须输入弹簧预紧力时的刚度及从预 紧力到最大弹力时刚度的变化系数等等。为了克服这些困难，本文利 用在奥地利AVL公司学到的弹簧设计理论，加以整理并在开发新发动 机中合理运用，收到了很好的效果。 关键词 气门弹簧 变螺距 变形 刚度 1、变螺距气门弹簧的设计理论 1 普通的螺旋弹簧除了非常接近的端部磨平圈部分，其余的螺距是 恒定的。可以认为弹簧刚度是恒定的。因为随着变形增加，两端端部 磨平圈附近的线圈间隙逐渐减少并靠近，有效圈数减少，弹簧刚度虽 然稍稍增加，但基本不变，即粘着负荷可忽视。 因为变螺距弹簧的两端或一端的螺距紧密缠绕，所以压缩后随着 螺距小的部分的线圈紧密贴合的同时，有效圈数减少，弹簧刚度增加。 象这样弹簧刚度不恒定的弹簧称作非线性弹簧，即变螺距弹簧。 变螺距弹簧主要用于固有振动频率不恒定的发动机气门弹簧那 样容易发生波动的地方，通过减少有效圈的方法来增大弹簧的固有频 率以防止气门弹簧的共振的发生。变螺距弹簧的缺点是螺距小的部分 的线圈相互碰撞，易磨损，不易制造和检查，而且造价也很高。 变螺距气门弹簧在安装时，螺距小的一端安装在气缸盖平面上成 为不动端，而螺距大的一端则为运动端。因为这样安装，在气门开启， 气门弹簧受压时，并圈发生在不动的气缸盖一边，不致增加配气机构 的惯性质量。所以变螺距气门弹簧一般在一端记有安装方向的记号。 对螺旋弹簧来说，弹簧钢丝之间的空隙 （圈距）也同线圈一样形 成螺旋状。一般把它称做间隙圈，且间隙圈数比有效圈数多 1圈。如 果弹簧在无负荷时的间隙圈数按一定规律变化，则可使弹簧在一定的 变形量下满足给定的弹力P1和P2 的要求。现令C表示圈距，N表示 间隙圈的圈数，则圈距的变化规律表示为C=f(N)。 图1.1表示变螺距气门弹簧圈距变化情况，其中A、B、C变螺距 部分，C、D等螺距部分，D、E接近端部磨平圈部分的关系。 2 图1.1 圈数和线圈间隙的关系 变螺距气门弹簧压缩时的变形由三部分组成：小螺距端并圈部分 的变形，还未并圈部分的变形，和端圈间隙的变形。由于端圈间隙一 般很小，在计算中可忽略不记。 设在加载P作用下弹簧第N 圈并紧，则并紧部分的变形是加上直 N 至N 圈的间隙为 f (N)dN 。还未并圈部分的变形与螺距无关，每一圈 0 的变形相等，都等于f （N）。如果无负荷时的有效圈数是N ，则未并0 圈时的变形为 （N-N）f （N）。端部磨平圈的变形忽视的话，在N 圈0 处紧贴时的全变形是： N δ f (N)dN + （N-N）f （N）·······························(1) 0 0 N—弹簧空载时，间隙圈的有效圈数，由于间隙圈最后一圈的变形不 0 记入弹簧的变形，因此N 等于间隙圈总圈数减去一圈。即等于弹簧未0 受载时的有效圈数。 N—间隙圈的的圈数； 由图1.1可知，全变形就是图中阴影部分的面积。 弹簧在压缩时，每一圈所承受的载荷均等于外界载荷P，对于未 3 并圈部分，它等于每一圈的刚度乘上该圈的变形。 1 Gd4 弹簧各圈的刚度：kd  3 是常量；  8D2 从上式和 （1）式中求得该圈在 P 力作用下的变形为 f(N)则： P=k ·f(N)··············································(2) d 求得负荷和线圈的关系。 以上所说的是变螺距弹簧基本理论