发动机气门弹簧设计分析

摘要：随着发动机整体使用性能的提高，在汽车设计过程中对发动机升功率、转速等参数均提出了更高的要求。依据发动机工作环境和场景不同，需要对发动机的气门、气门弹簧等部件进行优化设计，旨在更好地满足实际使用需求。基于此，探讨了优化发动机气门弹簧设计的必要性，对发动机气门弹簧设计过程开展了深入的分析。

关键词：发动机；气门弹簧；优化设计；静力分析

中图分类号：U464 收稿日期：2024-08-13

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.11.025

1 前言

气门弹簧性能与内燃机工作性能密切相关，通过优化设计气门弹簧，能够有效消除共振危害，从而能够使气门弹簧更好地发挥作用，切实满足发动机对气门弹簧的性能需求。研究认为，气门弹簧是配气机构中的关键构件，只有通过合理设计气门弹簧，才能提高配气机构的换气效率。考虑到气门弹簧与配气机构摩擦损失、接触应力等均有相关性，因此本课题有必要就气门弹簧设计过程展开深入的研究。

2 弹簧性能分析

弹簧属于机械零件，在外力作用下容易发生形变，其形变大小与材料自身以及弹簧结构均有关系。同时，弹簧能够在外力作用下将机械能转化为变形能，也能将变形能再转化为动能。在弹簧设计过程中，需要紧紧围绕弹簧的基本性能进行优化设计的，需要综合考量弹簧荷载力与变形之间的关系，同时考虑圆频率等诸多因素。

研究发现，弹簧的刚度会使弹簧发生形变，在弹簧的整个变形过程中，弹簧的刚度参数可作为常量使用，也可以作为变量使用。弹簧的刚度特性能够为弹簧优化设计提供指导，将弹簧刚度作为常量使用时，显示出一条直线，属于线性范畴；将弹簧刚度作为变量使用时，它则以特性曲线的方式呈现出来，进而称之为“变刚度弹簧”。当前，常用的变刚度弹簧以锥形或圆柱形为主。

就弹簧的变形能分析发现，在进行弹簧设计过程中，需要计算出弹簧的拉伸或压缩变形能。为获取最大的弹簧变形能，在设计中要从弹簧材料着手，首先要科学地设计好几何尺寸。对弹簧的圆频率分析发现，在弹簧承受振动载荷情况下，为了验证载荷力对弹簧系统的影响，需要依据弹簧圆频率来分析。与此同时，为提升弹簧设计合理性，需要进行弹簧强度、弹簧刚度、弹簧稳定性计算，同时需要进行弹簧共振验算等。

3 发动机气门弹簧优化设计的必要性分析

发动机中的配气机构由弹性的传动链组成，而其中的凸轮会在干扰力作用下发生弹性形变，进而造成配气机构振动，如气门运动飞脱、落座反跳、噪音增大等。就气门飞脱发生分析发现，气门在开启状态下，惯性力比气门弹簧的荷载力大，进而引起气门飞脱现象，此时气门与摇臂接触的应力变为0，通常发动机在低转速情况时发生气门飞脱的可能性相对较小。就气门反跳发生分析发现，当冲击反力超出了气门弹簧的预紧力时，就会引发气门反跳现象，同时会瞬时产生巨大的荷载，进一步冲击气门座。

气门弹簧属于压缩弹簧，在设计过程中应用到“虎克定律”。基于对弹簧设计领域的不断涉足和探究，人们在弹簧精准控制设计方面也取得了一定的成果。发动机的气门弹簧大多呈现圆柱螺旋形，受发动机转速影响，会使气门弹簧出现共振现象，进而超出了最大应力值，无法适应发动机的高转速。因此，为避免气门弹簧产生共振，在设计中将传统的气门弹簧更换为“锥形变刚度气门弹簧”，这也能提高发动机的转速。分析发现，锥形变刚度气门弹簧的刚度、固有频率随着弹簧的轴线方向而发生变化。为提高设计效率，保证锥形变刚度气门弹簧设计科学性和合理性，设计人员要预先做好充分的调研工作，学习高效设计方法，确保设计精准；采用合理手段，使气门弹簧在实际工作中避免出现飞脱、共振以及反跳情况，并进一步创新发动机气门弹簧设计方法，为发动机零部件设计提供参考[1]。

观察现有的发动机结构形式发现，当前较为常用的发动机主要由一缸一盖、四气门结构组成，需要预先组装进排气门、锁夹、弹簧以及弹簧座等相关的零部件，才能开展下一步的整机装配工作。在具体组装缸盖时，将弹簧下压，将其装入到锁夹内，锁紧气门。由于弹簧的弹力较大，使人工操作难度较大，会影响发动机缸盖的组装效率和整体的组装效果。为此，有必要优化发动机气门弹簧设计，以方便气门弹簧的压装操作，才能高效完成发动机缸盖组装作业。

4 发动机气门弹簧设计过程

4.1 设计思路

设计发动机气门弹簧时，设计人员综合考量设计变量问题，将弹簧结构参数作为设计变量，确定好弹簧的基本尺寸，并结合发动机配气机构结构数据，进一步确定弹簧高度、工作变形、簧丝、压缩高度、有效圈数、弹簧力等相关参数，进而最大程度地提升发动机气门弹簧的稳定性。

完成上述设计后，结合发动机气门弹簧的曲线特点，明确发动机气门弹簧形状、尺寸等。为提升弹簧设计的科学性和合理性，对弹簧约束条件加以明确，综合考量其强度条件和稳定条件，划分弹簧中径经验值的范围以及预紧力等，计算出弹簧疲劳安全系数和自振动频率等。在本研究中，满足的强度条件为：

[τ=8KFD2/πd3≤τ] （1）

式中，[τ]为剪切应力；[τ]为许用剪切应力；F为工作荷载；K为曲度系数，[K=1.6d0.14/D0.142]。同时，还要满足稳定条件，明确弹簧中径经验值范围约束条件和旋绕比经验值范围约束条件等[2]。

4.2 发动机气门弹簧设计参数要求

在设计中要明确设计要求，严格按照设计参数开展相关的设计工作，结合配气机构性能需求优选弹簧材料，确定弹簧的疲劳强度，设定好切变模量、弹性模量以及抗拉极限强度、许用应力、弹簧强度、温度修正系数等[3]。基于设计要求对弹簧进行喷丸处理，同时做好漩涡流探伤处理，在弹簧表面涂抹防锈油，并在热强压处理后，将弹簧表面的应力去除。进一步研究认为，结合发动机配气机构来确定气门弹簧的性能参数尤为重要，如弹簧的预紧力、变形量、内外径等。通过对弹簧设计的综合考量，将弹簧确定为“上部分锥形，下部分圆柱形”的形状。

4.3 发动机气门弹簧静力分析

发动机气门弹簧静力分析主要是结合配气机构的应力情况来进行的。通过静力分析来核验弹簧的刚度和强度是否满足实际工作需求，并通过应用仿真系统来建模，通过数值比对，进一步推导出运算公式。在进行具体的静力分析中，要按照科学的流程和步骤进行。首选选择设计用的弹簧材料，确保该材料满足疲劳强度要求，进而更好地适应工作环境。然后将弹簧静力分析相关的参数等信息导入模型中[4]。完成上述操作后，利用网格划分工具来划分网格，以六面体网格结构为主，网格图见图1。当设定弹簧强制位移条件后，可计算出弹簧所承受的负荷，并通过有限元分析，进一步得出弹簧的刚度值。通过仿真模型，进一步证实了弹簧刚度符合实际使用需求。

对发动机气门弹簧进行应力分析时，采取施加工作荷载的方式进行。在弹簧上座面的轴向方向上施加力量，保持底座边界条件不变，最终可以得出应力数据、轴向变形数据以及剪切应力数据等。在弹簧静力分析仿真验证中，发现弹簧下端和下底座存在接触性问题，局部的应力相对集中，尤其是接触点的应力达到了最大值。通过静力分析和仿真验证可以确定最终的切应力以及最小的切应力。

4.4 发动机气门弹簧模态分析

为避免气门弹簧与配气机构共振，在发动机气门弹簧静力分析基础上进行模态分析，旨在最大程度上预防共振现象的发生。研究发现，发动机气门弹簧的共振现象与固有的频率、零件结构等多种因素密切相关，因此，开展模态分析显得尤为重要。在具体的模态分析时，要对弹簧的具体工作状态和场景进行模拟，并获取弹簧阵型图，同时结合数据分析，得出弹簧最小固有频率，并与其工作频率进行对比，最终确定二者之间不会产生共振现象。

4.5 发动机缸盖气门弹簧设计

在发动机缸盖气门弹簧结构设计上，为方便压装操作，要基于弹簧整体结构进行分析，并采用双杠杆连接互动结构来替换弹簧原来的压装装置，同时，优化设置支撑管、支撑杆、压桩头等部件。此外，将压装头连接在活动梁的左侧，在脚踏杆的末端设置脚踏板，促使传动机构与活动梁进行有效的连接，并保证连接效果。实际应用发现，通过双杠杆连接互动结构设计，可实现用脚控制气门弹簧的目标，能够很好地控制发动机缸盖气门弹簧压装速度。

通过脚步力量的运用，能够使弹簧压装头自动上升，与机械压装方式相比，这大大降低了劳动强度，最大程度地提升了压装效率[4]。发动机缸盖气门弹簧结构设计中，通过设计支撑管结构，将脚踏杆的右端力量传输到活动梁上，降低了弹簧复位难度，方便更换不同类型的弹簧，为其应力调节也提供了保障。研究发现，实际应用发动机缸盖气门CxQ+oIFrs8oea7cyLCLNmA==弹簧，可切实降低操作难度，提升缸盖组装效率，解决手工压装难题，也可降低安全风险和安全事故的发生率。

5 发动机气门弹簧设计思考

5.1 提高设计人员自身的专业性

为了优化发动机气门弹簧设计，提升设计可行性，设计人员在设计前，要充分了解和掌握发动机气门弹簧的原理、结构组成等，明确气门飞脱、气门反跳等现象的发生原因；科学地制定发动机气门弹簧要求和准则。同时，在发动机气门弹簧设计期间，设计人员不断夯实自身的理论基础，积累设计经验，积极学习国内外在发动机气门弹簧设计方面的先进设计方法，树立新思维和新理念，切实为发动机气门弹簧优化设计工作的开展提供保障。

5.2 培养设计人员自身的信息化素养

发动机气门弹簧设计中，涉及多项算法、技术运用以及计算等，设计人员必须不断完善自我、提升自我，学习相关的运算方法，知晓每种算法的原理等，并将其充分运用到具体的设计中，为发动机气门弹簧可行性设计提供保障。积极学习软硬件设备的操作方法，如仿真系统的搭建、建模方法等，更好地通过数学建模以及仿真系统验证与设计相关的信息数据，为发动机气门弹簧合理设计提供支撑。

6 结语

发动机气门弹簧优化设计，能够提升设计科学性及合理性，可以解决气门弹簧共振问题，更好地满足了发动机气门弹簧工作使用需求。在设计中，需要预先明确设计思路，按照设计要求设定设计相关参数，可以提高设计效率。通过静力分析、模态分析及仿真验证，能够切实深化发动机气门弹簧设计。本文的研究结论，可为发动机气门弹簧设计提供指导和依据。

参考文献：

[1]方桉，雷志君，傅瑜杭.一种空气弹簧开启关闭发动机气门装置的设计[J].河南科技，2024，51（3）：22-26.

[2]熊敏强，江华，吕浚潮.浅谈发动机气门弹簧的设计流程、要点及计算[J].摩托车技术，2020（12）：32-34.

[3]李广卫.发动机气门弹簧断裂的分析及解决方案[J].内燃机与配件，2020（14）：29-32.

[4]宋佳彬.变刚度气门弹簧设计方法研究[D].长春：吉林大学，2018.

作者简介：

许华富，男，1978.年生，工程师，研究方向为专职机械、自动化以及设备制造管理。