汽车进排气的瞬时运动分析 - 图文(3)

第2章 配气机构零部件设计

2.1气门

2.1.1气门设计的基本要求 （1）材料方面

气门的工作温度是确定气门材料的主要因素。在气门工作温度范围内材料应具有足够的强度。韧性和表面硬度。由于排气呢锥面磨损常为腐蚀磨损，因此在选择材料时候必须考虑化学腐蚀（主要是硫和磷）的性能。进气门锥面多属磨损摩擦，因此进气门侧重耐磨。 （2）结构方面

要求结构简单、加工方便，且颈部形状也要恰当，以便减少气体的流动阻力，增加其进气冲量。在保证足够的强度、刚度和耐磨性的前提下的重量选择。 2.1.2气门的工作条件分析及材料的选择

气门室发动机的重要零件之一。工作时需要承受较高的机械负荷和热负荷，尤其是排气门，由于经常高温燃气的冲刷，因而易于产生漏气。腐蚀与烧损等现象，工作条件也更为严酷。气门工作时承受落座冲击负荷及燃气压力给以的静负荷，这种静负荷一般在4kgf/mm左右，而冲击负荷一般为11.6kgf/mm左右；气门的工作温度：进气门约为200o450o，而排气门则可达650o850o，甚至更高，下面是195 柴油机的排气门的温度场。

气门材料的选择必须考利到它的工作温度、腐蚀、冲击载荷以及气门杆部与端面的耐磨等因素。而且进、排气门的对材料的要求也是不同。就S195发动机的选材：进气门的材料用40Cr；排气门的材料用40Cr9Si2。气门选择材料的方法： （1）马氏体钢

一般气门中采用铁素体合金钢，含碳量在0.350.80%之间，经淬火后可得到马氏体组织以上耐磨的要求，这种材料的机械性能加工性好，滑动性好，在工作温度超过650℃的排气门上广泛应用，如4crsi2、4Cr、10Si2Mn等。但在强化程度较高的发动机上，由于热负荷和机械负荷高，因而对气门锥面的耐磨、耐腐蚀性能提出更高的要求，这时，可采用堆焊气门，这是一种头部采用奥氏体钢，杆部采用马氏体钢的气门。

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可用摩擦焊或闪光焊来堆焊。堆焊气门设计的关键是正确地焊接部位。应从以下两个方面来考虑：首先界面处应在气门头部应力区之外并离颈部顶圆弧中点附近的热点较远；其次耐热性较差的杆部材料不要受到高温燃气的侵蚀；焊接的部位以选在气门全开时界面与导管下端相齐或略高为宜。 （2）奥氏体钢

这类钢在常温和工作温度下基本上全是奥氏体组织，不能淬硬。它的高温强度好，耐腐蚀性好、奥氏体钢用做高功率柴油机的排气门，其最高工作温度允许达870℃。国产奥氏体钢4Cr14NiW2Mo广泛用作机车和大型载重汽车的柴油机排气门。 2.1.3气门头的设计 （1）气门头部的形状

气门头部的形状除了影响气体的流通特性之外，还会影响到气门的刚度、重量、导热性能以及制造成本等，同时也关系到气门的使用期限。因此根据不同发动机的不同情况进行具体的分析，然后确定合理的方法。根据195柴油发动机的结构采用平底型气门。因为这种气门

的结构简单、工艺性好、受热面小，具有一定的刚度， 图2.1平底型气门 基本上式满足进排去的要求。这种型号在各类柴油机得到了广泛的运用。图2.1是平底型气门的示意图。 （2）气门头部的直径

增大进、排气流通截面是减少进、排气阻力，提高进气量的途径，同时气门头部直径的选择还要考虑到燃烧室的形状，气缸盖进、排气门的布置，气道之间冷却水套的设计以及气门受热和冷却的均匀性等因素。综上的条件195柴油发动机的进、排气门的直径都取36mm。 （2）气门锥面斜角

在气门开启初期及接近关闭时，气门锥面斜角?的大小对于气体的流通断面有较大的影响。这时的流通断面大致与斜角?的余弦成正比。此外，气门与气门座之间的单位压力随斜角的增加而增大，而气门与气门座之间的相对滑移则随斜角的减小人减小，因此气门?的确定必须根据发动机的综合情况而定，对于195柴油发动机的气门斜角都是45°。

（4）气门头部厚度及锥面宽度

气门头部厚度Ｔ的设计，主要是从气门的刚度来考虑，气门在燃烧压力的作用下会引起变形，变形过大会使气门的密封性下降，锥面磨损加剧。由于头部厚度Ｔ对气

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门的刚度影响比颈部圆弧Ｒ要大得多，因此当需要增加气门刚度时首先考虑增加头部的厚度。如果还受到气门质量的限制，则常用适当减小颈部圆弧半径来得到弥补。厚度Ｔ与气门头部的外径有一定的比例，一般

T?(0.10~0.12)D （2.1）

式中，T为气门头部锥面厚度，D为气门头部外圆直径。

S195柴油机气门的头部厚度：

T=（0.10~0.12）D=（3.6~4.32）取4.0mm。

气门锥面的宽度b与厚度T有关，一般当??45?时：

b?(0.9~1.05)T （2.2）

式中，b为气门锥面的宽度。

对于S195柴油机的气门锥面宽度

b?(0.9~1.05)T?(3.6~4.2)mm。

取b为4.0mm注意提醒的是，并不是所有的b都参与了密封，真正起到密封的是一条位于宽度b中间附近的密封带，密封带的宽度b小得多，气门的大部分热量是通过这条密封带传出去的，密封带较宽则传热的效果就较好，气门的工作温度就较低，但气门的密封性就较差。反之，密封带太窄，虽然密封性较好，但散热不良，且接触压力较大，会加速气门的磨损，因此需综合这两个方面的因素来选取气门密封带的宽度，其宽度一般取1.53.0, S195柴油机的密封带宽度，经过查表是2.3mm。 2.1.4气门杆的设计 （1）气门杆的结构

气门杆通常是做成实心的，但是为了减轻质量，对于高速发动机，它的温度很高，

将气门杆做成空心，并在排气门的杆内充油金属钠进行冷却以降低热负荷，对也S195柴油机为了考虑到它的成本问题，就直接将它设计成实心气门杆。 （2）气门杆颈

气门杆的颈部选择决定也排气所需的耐久性，增加杆的颈部有利于气门的热量逸散。杆的颈部选择还决定于它在导管中运动时侧向力的大小。气门通过凸轮挺柱和摇臂来驱动时，杆部受到的侧向力就比较小。气门杆的颈部增大也会引起质量的增加，工作时的惯性力增加，落座时冲击负荷增加的一系列问题。根据经验公式，气门杆的颈部可取头部外径的（1625）%。考虑到加工和维修的方便，一般进排气门杆的颈

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部取相等。195柴油机的气门杆的直径：

d?(16~25)%D?(6.72~10.05) mm。 （2.3）

根据195型柴油机选取气门杆直径d?9 mm。 （3）气门杆长度

气门杆长度决定于气缸盖和气门弹簧的设计，一般总希望短些，以便降低发动机的总高度，减小气门的质量，通常

L?(2.5~3.5)D （2.4）

S195柴油机的L?(2.5~3.5)D=（105~147） mm。 （4）气门杆表面的热处理工艺

要经过淬火处理，要求的硬度不小于HRC50。才能满足其工作条件。 （5）气门杆与弹簧的锁紧

为了防止气门弹簧和气门锁夹断裂时气门落入气缸而引起严重的事故，可以在气门锁夹槽的下部增加一段凹槽，然后嵌入弹簧圈，凹槽的位置应能保证气门的下落量只比气门最大升程大12mm就可以。如图2.2柴油机的锁紧的组合图。

1- 气门 2— 气门锁夹 3—弹簧座 4—气门弹簧

图2.2气门弹簧锁紧图

2.1.5气门的主要损坏形式和预防措施 （1）排气门的烧损原因 a. 材料的高温耐蚀性不够。

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b. 燃烧残渣沉积在锥面，不能自行排出，使气门与气门座之间的导热性变坏，造成

锥面局部温度升高，促使气门材料烧损。

c. 气门座由于热应力或装配不当产生扭曲，在高温和气体压力作用下气门头部变形，因而造成气门漏气。 2.预防的措施：

a. 选择在高温下耐腐蚀性好的材料。应考虑柴油中含硫、重油中含钒的影响。 b. 在气门锥面堆焊基合金。

c. 适当的增加气门头部厚度，借以减少气门在工作时的变形和在头部边缘的热积

蓄。

d. 改善冷却水道的布置，适当的增加气门座圈的接触高度，以利充分散热，降低气

门的工作温度。

e. 采用气门选装机构。

2.2气门弹簧的设计

2.2.1气门弹簧的设计要求

要使气门在气门座上严密的配合和在挺柱沿着基圆r0运动的整个周期内保持气门关闭状态密封；在挺柱带有负加速度时，在气门、挺柱和凸轮要保证不变的运动学关系。要保证气门严密配合：

\Pnpmin?Frop(pr?pa)

（2.5）

式中，Pnpmin是在气门关闭时最小的弹簧力，Frop为喉口的面积，Pr\及Pa是排气管的压力和在进气时气缸内的压力，柴油机的压差为0.020.03MPa。 在气门机构零件之间运动学的关系保证在：

Pnp?KPjnp2

（2.6）

式中，K为储备系数（对柴油机机械离心式调速器时，取K=1.281.5,对化油器式发动机取K=1.331.66；Pjnp2是在挺柱有负加速运动时，换算到气门一边的机构惯性力。 2.2.2弹簧介绍

（1）气门弹簧的作用

气门关闭时，确保气门和气门座的闭合密封,气门开启时，使气门准确的随凸轮运动。

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