配气机构的设计

摘 要气门配气机构是四冲程柴油机所特有的机构，它是按照发动机的点火次序和各缸工作循环的要求，定时开启和关闭进、排气门，完成换气过程。因此配气机构要满足：进、排气的定时和准确；气门关闭要严密可靠；气流阻力要小；结构简单拆装方便。型柴油机采用型柴油机采用下置式传动形式，由凸轮、挺柱、推杆、型柴油机采用齿轮传动，柴油机曲轴与凸轮轴的传动比为2：1.配气机构控制发动机进排气过程,直接影响着发动机的性能，是衡量发动机可靠性的指标之一.目 录概述1、配气机构的功用 62、配气机构的设计要63配气机构计算参数的确定 7一、凸轮轴的设计：1、凸轮轴的设计要72凸轮轴的结构 73、凸轮轴的选材 74凸轮轴的支承轴颈轴承的材料 75、凸轮轴的定位方76、凸轮轴的最小尺寸定位方式 77凸轮轴的热处理工艺 88凸轮轴的损坏形式 89凸轮轴的计算 9二、凸轮的设计1、凸轮设计的要102、凸轮基圆设计 11① 基圆半径的确13② 凸轮位置的确13③ 配气相位与凸轮的作用14④ 凸轮顶部的圆弧半14三、挺柱的设计1、挺柱的结构 102、挺柱的材料 153、平面挺柱导向面与导向孔之间挤压应力的计164平面挺柱的最大速度 165凸轮与挺柱间接触应力的计算 176、挺柱导向面直径dr

与长度L

按照下面的公式确定 18r7、挺柱头部球面支座的设19r8凸轮和挺柱的主要损坏形式及其预防 19四、推杆的设计1、推杆的功能 202推杆的材料 203推杆的结构形式 204尺寸设计 5推杆稳定性安全系数的确定 6、推杆球头与挺柱球面支座，推杆球头与摇臂调节螺钉球面支座间接触应力的计算 五、摇臂的设计…………1摇臂的工作原………………..…………….…. 22…………………2摇臂的结构 22………………3摇臂比 22…4摇臂润………….....................................……..….. 22…………5、摇臂的定位 236摇臂的材料 237摇臂与气门杆顶面间接触应力的计23六、气门组的设计…………1气门的设……………..................... 25…………1）气门设计的基本要25气门的工作条件分25气门材料的选26气门头的设27气门杆的设29…2、气门旋转机构的设……………..... 30…………3、气门座圈的设……….................. 30……4、气门导管的设………………….................. 32……………5、气门的主要损坏形式和预防措 33…………………七、气门弹簧的设计………………1气门弹簧的设计要………………........ 34………2、气门弹簧的作………………...... 35………3、气门弹簧的工作条件 35…4气门弹簧的结构 35……5、气门弹簧的选35…6、气门弹簧特性曲线与气门惯性力曲线的配367气门弹簧的有关计算 37弹簧的最大弹37弹簧最小的弹38弹簧的刚38弹簧变38内、外弹簧之间的负荷分39内外弹簧的刚39弹簧的尺408、提高气门弹簧疲劳强度的措42参考文献.43参考文献……………..........致谢 43概 述1地开启和关闭进、排气门，不断的用新鲜的气体来气缸内上一循环的的废气。2、配气机构的要求：对于一个正常工作的配气机构应该具有如下的要求：① ② 振动、噪声较小，并且工作可靠和耐磨。③ 结构简单、紧凑。④ 为了减轻惯性负荷，使配气机构运动零件的质量减到最小。3、配气机构设计的计算参数确定：从确定气门座处的通过截面 Fxn 以及确定喉口流通截

frop 开始。气I况，气门最大升程时，按气门座截面处假设的平均速度来确定。已知：气缸直径D=95，气道喉口的最带直径，在气缸直径D，配气机构的结构方案以及燃烧是的形式都已给定的情况下，气门布置在气缸上可能性的限制。进气门数值应大于下列规定的范围：采用气门顶置式：drop (0.35 ~0.52)D， 则可以得到：drop(33.25~44.9)，根据柴油机的195B的结构选择drop =36mm,排气门的气道喉口的直径，通常取得比进气门的气道喉口直径小hF kh kd rocossiacosa

式中a—气门头斜面角（现代发动机上，a=45度); hkn 气门的升程，它的取值一般是气门头的25%左右，气门头的直径是40.mm，则： hk所以:

fkn

=Fkn hkn*cosasinacos2a=10π（35*COS45+10*Sin45*Cos45)=865mm对drop 进行校核：∵Frop=（1.1~1.2）Fxn=(1.1~1.2)x865=(951.5~1038)取1000mm喉口的直径为：drop = 4Frop/3.14 x10=36mm∴喉口的直径经过检验取值正确。一、凸轮轴的设计1、凸轮轴设计的要求：一定规律运转。它的轴颈数目，轴颈的直径、和凸轮轴的最小直径尺寸。要使凸轮和支撑轴的表面有合理的硬度，具有较好的耐磨性。2、凸轮轴的结构：195B3、凸轮轴支承轴颈的数目：由于该柴油机是单缸四冲程发动机，不必将支承轴颈设计的过多，只是将凸轮轴的前后端各设计一个就已经足够了，所以将该轴颈数目为2个。4、凸轮轴的选材：因为凸轮轴要承受一定的机械强度，必须要有足够的强度和韧性，同时45钢就可以满足要求了。5、凸轮轴的支承轴颈轴承的材料：195B轮轴轴承座孔内，它的型号：195—01018内径外径宽度前端404727后端2835266、凸轮轴的定位方式：定位的原因:由于汽车的上下坡或者在加速的时候，都可能使凸轮轴发195B型柴油机的采用的是轴向定位方式。7、凸轮轴的最小直径确定：凸轮轴的最小尺寸可以按照下面的公式：mRo是凸轮的基圆半径，由表可知：Ro=14.5Db=2Ro—（2~4） =2x14.5—（2~4）=（25~27）当转速较高时，支承轴颈间距离较大、凸轮上受力较大时取上限值。凸轮轴支承轴颈与轴承孔德径向间隙一般在0.02~0.03mm，范围内，轴向间隙为0.01~0.25mm。8、凸轮轴的热处理工艺：a渗碳；b渗碳；c机械加工；d高频淬火（回火；f机械加工；9、凸轮轴的损坏形式：支承轴颈的磨损。凸轮表面的磨损、刮伤和点蚀。10、凸轮轴的计算：根据气门弹簧和配气的计算的：配气机构运动零件的质量Mkn=115g， Mn=75g Mr=0/Mmr=0和凸轮的尺寸Htmax=7mm 摇臂的尺寸：Lr=46 L=32 凸轮轴的角速度ω=115rad/sP=239d=36mm。从排气门作用到凸轮上的最大的力为：Prmax=[

+π d

/4（Pr—p"）]Ln/Lr+Mrw2（r1—r2）Pnpmin n r x=[239+3.14*0.33/4x（0.445—0.1）x106x46/32+374x1152x（138—14.5）x106=2539牛顿注：式中的da

=36mm为排气门的直径d =42mm为进气门的直径baP 0.445兆帕，是由指示功图而确定rp'≈

=0.1兆帕r 0Mr=（mk+

/3）x（lr/

)2+99=374gn np n rm''=m l2/3l2=120x462/3x322=81gn k kn r凸轮轴的弯曲量：Y=0.8

Pt

a2b2

2417*262*692El(d44)p =0.0003mm

2.2*105*95*(324104)式中 E=2.2*105兆帕——钢的弹性模量;L=a+b=26+70=96mm---凸轮轴跨距长度根据结构总体布置来取：02r22*14.5232mm轴的外径0 10mm——轴的外径，选取时要考虑利用轴的外径向凸轮供给润滑油和保持p轴具有足够的刚度。挤压应力： 0.418 P Ercm rmax n1=0.418 0.002417*2.2*106/0.025*0.0572=255兆帕式中 ： bn=25mm—凸轮的宽度二、凸轮的设计1、凸轮的设计时应该满足以下的要求：量、怠速和启动等各方面的性能要求。为使发动机具有良好的充气性能，因而时间面积值应尽可能大些。加速度不宜过大，并应连续变化。具有恰当的气门落座速度，以免气门和气门座的过度磨损和损坏。应使配气机构在所有工作转速范围内都在平稳工作，不产生脱离现象和过大的振动。工作时噪声较小。应使气门弹簧产生共振的倾向达到最小程度。应使配气机构各传动零件受力和磨损较小，工作可靠，使用期长。上述这些要求往往相互矛盾，必须根据发动机的具体情况要求，抓住主要矛盾，协调各种因素，妥善解决。凸轮线性通常根据所选的线型形成规律做出，这样保证制造比较简单的凸轮线形。2、凸轮的基圆设计：n凸轮型线从基圆开始绘制从保证配气机构有足够刚性的条件出发选它的基圆半径R，其值在R=（1.5~2.5）x n① 基圆半径：R=(1.5~2.5)x10=15~25 对与195B柴油机取14.5mm。105B柴油机的配气相位角根据手册可以得到：进气提前角

19 0进气滞后角排气提前角排气滞后角

49 047 021 0② （进排气的夹角）9001ra4=90+1/4（47-21+49-19）=104③ 配气相位与凸轮的作用角：1Φ=0.5（1801

a)2式中分别为进排气的提前开启角、进排气的滞后关闭角。1Φ=0.5（1801

a) =0.5*1080190210=1100④ 凸轮顶部的圆弧半径：cosr r2 =0

hr

* 1cospo7* cos620=14.5— 1cos620=8.3a(r0

hr

r)mm2r2a2r22racosr 1

0

2 oracosa2

po=14.5214.5278.322*a*cosa /2(r=0

racosa)2=1380为了保证气门的间隙，凸轮的背面部分的半径r0

k加工的比rk

小一个间隙s:rn

rso o

s值中包括了配气机构的温度间隙及弹性变形量。对于进气s=（0.25~0.35）mm，而排气门则s=（0.35~0.50）mm。半径为r的r1的圆弧或者与直线（r1=∽）定半径的圆弧连接。三、挺柱的设计1、挺柱的结构：1~3195B柴油2mm。195B高速发动机也是比较适合的。2、挺柱的材料：295B20部堆焊合金，热处理的硬度≧HBC5545BRC54~65。3、平面挺柱导向面与导向孔之间挤压应力的计算：最大挤压应力k

按下式计算：max k maxkgf/max dl2rdl——挺柱导向面直径（mm；——在凸轮的计算位置是，挺柱插入导向孔中的长度（mm；mm a ——作用在凸轮上的最大力矩m6mk m axkgf /mm2m ax d l2 6*448=16*6.52

kgf/mm24、平面挺柱的最大速度：

=39.36

kgfmm2平面挺柱最大速度受限于推柱端面直径D ，依据平面挺柱的凸轮机tr构运动学可知，挺柱与凸轮的接触点偏移量e 与挺柱速度v 成正比：rv ewre d nrd 因此，如挺柱端面直径Dr

35mm，由发动机的总体布置决定，则确定挺柱的dht最大速度（

max时，必须保证凸轮与平面挺柱不产生干涉，为此满足d

D B2ht

t a max

2 2e (D /2)2aB/22max t (35/2)2 214 /2 306.25 81 ~ 2 224.25 ~ 2

~ 2 ~14/s5、凸轮与挺柱间接触应力的计算：平面挺柱接触应力 的计算：r 0565 FBr 1u2 1u2B E r E e r e 式中： F—作用在凸轮上的力（kgf）;Ρ—凸轮廓线瞬时曲率半径（mm；—凸轮与挺柱底面间的接触线宽度（u u—分别为凸轮材料与挺柱材料的泊松比；e rE E—分别为凸轮材料与挺柱材料的弹性模量（kgf/mm）e r以上ue或ur0.270.30。弹性模量经过查表可知:碳钢：2.0x104（kgf/m如使u u 0.30并将此值代入公式中泽可以简化： r r

F 1 1

kgf /mm2B E Er e0.592 4.6 1 1 p*18 2.0*104 2.0*104 5.67x1066、挺柱导向面直径d与长度L按照下面的公式确定：r rd=(0.15~0.20）D （mm）r=（0.15~0.20）*95=(14.25~19) 取16mm式中 D—气缸直径(mm）L=（3.0~3.5）dr =（3.0~3.5)*16=(48~59)mm

（mm）195的结构取dr

=58mm0.02~0.08mm的范围内。7、挺柱头部球面支座的设计：挺柱头部加工有凹形的球面支座，它是支撑推杆球头的。在这种球头与球面支座的配合副中，为了再两者之间形成楔形油膜，球面支座半径r2

应比推杆的球头半径略大，但r2

与r也不应相差过大，否则将使接触应力剧增，一般1rr2

0.2~0.3mm，如图：8、凸轮和挺柱的主要损坏形式及其预防：一、表面刮伤刮伤的原因：由于凸轮和挺柱让润滑情况恶化引起的。1（1（2）（3）使凸轮与挺柱的接触面光洁度尽可能的高一些；2（1）尽量减（2）增加凸轮的刚度;(3采用弹性模量较小的但有34、凸轮、挺柱的化学成分及其金相组织的选择适当。5、采用热导性好的材料。二、表面蚀点发生的主要原因：点蚀是金属的疲劳过程。预防的措施：1、改善润滑；2、降低接触应力；34、采用热导性好的材料6、材料内部应尽量减少气泡。夹渣等缺陷。7、提高材料的抗疲劳强度和抗腐蚀能力。三、表面磨损（1）（2）则在几个小时内即可将凸轮定磨平。推杆的设计1、推杆的功能：把凸轮的运动从凸轮轴传至顶置气门处，完成发动机的配气。2、推杆的材料： 45钢。3、推杆的结构形式：环节。在195B型柴油机上是采用冷拔无缝钢管（或铝制空心管）4、尺寸设计：根据195B柴油机的结构，它的长设计为291mm ，外径9mm，球头径4.5mm。才可以满足其要求。5、推杆稳定性安全系数的确定推杆的纵向弯曲按下列计算：P 2Ejkgfrp l23.142*E*1.19*106= 2.5x105kgf式中：P—作用于推杆上的临界力；E—推杆材料的弹性模量；JJ d 64 f

d2m 3.14/6494 1.19

mm2d —推杆的外径fd —空心推杆的孔径m

Pn p Pp=2.5x105/46.25x105式中 t

—作用在推杆上的最大作用力对于各种用途的发动机，np

在如下的范围：（1np

=2.5~3(2)np

=3~5、固定式和船用发动机np

=4~66、推杆球头与挺柱球面支座，推杆球头与摇臂调节螺钉球面支座间接触应力的计算：接触应力按下面的公式计算：1 12 PE2rr r p m1 2 1 12mEm =180kgf/ 式中 pp

—作用于推杆上的最大作用力（kgf） Em—挺柱与推杆两种材料的平均弹量kgf/mm2r—推杆的球头半径（mm）1r—挺柱球面支座的半径（mm）2对于各种用途发动机的许用接触应力如下：r 汽车拖拉机发动机， =150~200kgf/mm2r（2）/mm2r五、摇臂的设计1、摇臂的工作原理：尾部以推开气门。2、摇臂的结构：TI字型的断面。195B字型摇臂断面。3、摇臂比：摇臂有长、短臂之分，长短之比成为摇臂比，其值在1.6左右。隙调节螺钉的球头与推杆上端凹球端头接触，195B柴油机的摇臂比：46/32=1..43。4、摇臂润滑：5、摇臂的定位：摇臂轴上两摇臂间装有摇臂弹簧，一防止摇臂轴向窜动，从而保证各195B臂分开，并且在两边缘处用卡簧将其锁紧。6、摇臂的材料：所采用的材料是QT60—2要求淬火热处理的工艺。7、摇臂与气门杆顶面间接触应力的计算：

PE2 3 e mr r2

kgf/420

2.5x105E2m82kfg/式中 Pr

—气门杆顶面上的最大作用力（kg；R—摇臂敲击部分的球面半径mm； r摇臂与气门顶面间的许用接触应力：r

kfg/mm2。摇臂断面A-A中的总应力为：（如图） P

Pcos

kgf/mm G W FA A1800*5 1800*cosa 1W 25A =400

kgf/式中 Pr

—气门上的最大作用力；W —气门侧摇臂计算断面的断面模数；aF—气门侧摇臂断面的面积；AA1—从计算断面重心到作用力的垂直距离A2A-A断面B_B中的总应力： Pa

Pco

kgf/mm G W FA A1900*5 1900*cosaW 1W25A =420

kgf/式中 Pr

—气门上的最大作用力；W —气门侧摇臂计算断面的断面模数；aF—气门侧摇臂断面的面积；AA1—从计算断面重心到作用力的垂直距离A2A-A上述应力c

的许用值

如下：c（1）

2.5kgf /mm2r

10kgf /mm2

20kgf /mm 2r(4)r

5kgf /mm2（5）轻合金：

2.0kgf /mm2r195B柴油机选择式中的r

5kgf /mm2。六、气门组的设计一、气门的设计：1、气门设计的基本要求：① 材料方面：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 机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。③尽可能的降低热负荷，是气门设计的一个重要方面。排气门是气门组中75%的热量经气门导管导与导管的间隙，以减低气门的温度。④ 气门室配气机构从凸轮开始的整个运动链中的末端零件2、气门的工作条件分析：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4kgf/

2左右，而冲击负荷一般11.6kgf/

2左右；气门的工作温度：进气门约为200~450度，而排气650~850195B柴油机的排气门的温度场。3、气门材料的选择：195B40Cr40Cr9Si2。（1）气碳含量在0.35~0.80%之间，经淬火后可得到马氏体组织以上耐磨的要求，这6500c的排气门上广泛4crsi2.、4Cr10Si2Mn等。但在强化程度较高的发动机上，由于热负荷（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8700c4Cr14NiW2Mo型载重汽车的柴油机排气门。国产常用气门钢的化学成分以及机械性能见下表：TF—3,4Cr10Si2Mn从而逐步形成了国产排气门钢系列。把气门锥面加工出半圆形环槽，槽的深度由实验选定，注意不要过分削弱气门本体强度，然后再堆焊金属焊上。焊接方法有手工焊、等离子焊高频冷凝焊等。为了使奥氏体钢气门杆端面耐磨也可采用堆焊或焊上一小段马氏体钢。用作柴油机排气门和增压柴油机进气门堆焊的材料，目前多数是钻基硬质合金，其材料成分：4、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195B柴气门头部的直径：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4236mm。气门锥面斜角：的大小对于气体的流的确定必须根据发动机的综合情况而定，对195Ｂ柴油发动机的气门斜角都是４５度。（４）气门头部厚度及锥面宽度：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（Ｄ是气门头部的直径）１９５Ｂ柴油机的头部厚度４）——进气门；（０．１０～０．１２）＊３６＝（３．６～４．３２）ｍｍ——排气门；气门锥面的宽度ｂ与厚度Ｔ有关，一般ｂ＝（０．9～１．1.05）Ｔ。当＝４５度时，ｂ＝（０．９～１．５）Ｔ对于１９５ Ｂ柴油机的气门锥面宽度mm ——进气门（上式中T取4.5）b（0.9~1.05）*4=(3.6~4.2)mm——排气门（T4.0。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，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 1.5~3.0,195B柴油机的密封带宽度，经过查表是2.3mm。5、气门杆的设计：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195B杆。气门杆颈：气门杆颈的选择决定也排气所需的耐久性增加杆颈有利于气门的热量逸散杆颈的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颈加大会引起质量的增加，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，气门杆颈可取头部外径的（16~25）%。考虑到加工和维修的方便，一般进排气门杆颈取相等195B柴油机的气门杆直颈（16~2% *42（6.72~10.5mmL:L=（2.5~3.5）D，D部直径。195BL=（2.5~3.5）*42=（105~147）mm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。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1~2mm195B合图:1—气门 2—锁夹 3—弹簧座 4—气门弹簧二、气门旋转机构的设计：气门旋转机构的作用：座及导管的导热性。气门旋转机构的形式：有两种结构形式：一、松开式旋转机构，二、强制式旋转机构。195B型柴油机采用的是下置强制式旋转机构。如图:它在工作时气门的旋转时通过盖盘、气门弹簧、弹簧上座和锁夹来查、传递的。注意事项：旋转机构的转速除了取决于结构因素外，还受到蝶形弹簧特性的影响，一般的讲，蝶形弹簧刚度增大则转速下降，反之，转速增加。195B型柴6~8deg，或者在发动机标定转速时，旋转机构的转速在20~25rpm时间不要旋转，否则会加剧气门锥面的磨损。三、气门座圈的设计：200~300—2195BQT62—2。:以一般材料铸造的汽缸盖，当气门座不能满足耐冲气门座圈的结构：气门座圈是一个金属环状，它是通过压入气缸盖的，从而使排气门温度增高，实验表明，排气门装有座圈时，气门温度可能增高40~65195B的。序号 气门座圈外径（mm） 过盈量（mm）125~600.05~0.10250~750.075~0.125375~100（6）hV的设计：0.10~0.15H=（8~15）%xD=（0.08~0.15）x40=（3.2~6）mmV=（1.7~2.5）%*D=（0.017~0.025）*40=（0.68~1）mm上式中D是气门座圈的内径；气门斜角：0气门座圈的斜角常设计得比气门斜角大（0.5~1）c，这样就可使气门和气门座的外边缘在理论上形成先接触提高它们的密封压力，并使压力更均匀地分布。195B柴油机的斜角也是按照此公式计算的。但是值得注意的，千万不能是出，从而加速锥面的烧损和侵蚀。四、气门导管的设计：195B柴油机就是用的这种材料。入燃烧室中，因此，要求导管在润滑条件较差的情况下能耐磨。6大，以致有碍于气体的排出。如图：导管外径与气缸盖导管孔德间隙选择：一般选择其过盈量为导管的0.003~0.005倍。0.005~0.010.008~0.012195B柴油机的间隙：10*（0.005~0.01）=（0.05~0.1）mm。气门表面的强化处理：1、滚压 2、渗铝 3、镀铬 4、化 5、表面淬火。五、气门的主要损坏形式和预防措施（一）排气门的烧损一、排气门的烧损的原因：① 材料的高温耐蚀性不够② 坏，造成锥面局部温度升高，促使气门材料烧损。③ 头部变形，因而造成气门漏气。二、预防的措施：① 响。② 在气门锥面堆焊基合金。③ 的热积蓄。④ 降低气门的工作温度。⑤ 采用气门选装机构。（二）气门断裂(一)气门断裂的主要原因：① 颈部的锻造裂纹没有消除② 部产生弯曲应力。③ 大，或发动机的温度过高④ 气门材料热处理不当，致使材料强度过低。⑤ 气门在导管内卡住，活塞与气门相碰撞⑥ 锁夹槽处过渡处圆角太小，甚至留有切削裂纹（二）预防措施由于气门的断裂是设计和加工工艺两个方面的原因，因此需针对损坏原因加以解决。设计的合理性应通过必要的措施与计算，对气门的运动规律及受力进行分析来考核。工艺方面主要是应严格控制热加工、热处理的规范以及机械加工的精度。（三）气门头部裂纹和碎落（一）主要原因：出来。高温疲劳，由于气门座圈变形，当气门落座之后在气缸压力作用下使气扩大即可整块金属从气门头部碎落下来。（二）预防措施①避免锻造裂纹。马氏体钢，高碳马氏体钢，奥氏体钢它们的锻造温度区域和锻造性能各不相同，导热性也有很大差别，因此必须认真实验，严格掌握，特别是用电镀加热尤其注意。② 选用高温强度特别是蠕变强度的材料③ 提高装配时气门锥面与气门座的位置精度④ 采用合理的图轮廓线等设计方法，防止气门落座时过大的冲击和反跳。七、气门弹簧的设计1、气门弹簧的设计要求：（1）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：对于排气门P F (p"p)npmin rop r a式中 P —在气门关闭时最小的弹簧力（；npminF m（kpa）

ropP"Pa—排气管的压力和在进气时气缸内的压力，r柴油机的压差为0.02~0.03兆帕。在气门机构零件之间运动学的关系保证在：P KPnp jn式中 K—储备系数（对柴油机机械离心式调速器时，K=1.28~1.52,对化油器式发动机取K=1.33~1.66；Pjn2p—在挺柱负加速运动时，换算到气门一边的机构惯性力，N。2、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。3、气门弹簧的工作条件：气门弹簧承受高频交变载荷，工况恶劣，故需精心设计，才能使其高的疲劳强度，制造上应保证一定的精度并尽力避免各种缺陷。4、气门弹簧的结构：气门弹簧通常采用圆柱螺旋压缩弹簧。目前在大多数柴油机上都是d2.5~5.55mmD2

/d

为弹簧的中径）2上图为195柴油机的气门弹簧工作图5、气门弹簧的选材：气门弹簧材料一般为碳素弹簧钢丝III组65mn弹簧钢195B柴油机的气门弹簧用的就是冷拉钢丝。因为冷拉钢丝有较高的抗拉强度（钢丝的直径越小，强度就越高，成本低廉，但是抗应力—温度松弛能力较差，使用与中等负荷的3mm左右的钢丝，它们的弹性极限大致相同，小于此直径的，冷拉钢丝最高工作温度（最高工作温度（oc）65Mn弹簧钢丝120油淬火—回火碳素弹簧钢丝15050CrVA弹簧钢丝2106、气门弹簧特性曲线与气门惯性力曲线的配合：在设计时首先作出气门升程曲线和发动机最高转速时的加速度曲（实际惯性力应与加速度方向相反、由气门运动规律测试表明，实际的气门惯p2线上的c`C2。1

p后，在气门升程曲线右方作出弹簧曲线方程，并在方程曲1C3、C0等点引水平线盒垂直线，将水平线上截得的弹簧长度量到对应P2

、P作出适当1的调整，以来满足要求。7、气门弹簧的有关计算：已知：凸轮轴的转速

0.5np

1100/分，和凸轮轴的角速度115rad/shx xn

mm

rop

32.5mm，圆弧凸轮线的尺寸： r0

r1l

r246mm

hTmax

7mm,ar0

h rrmax 2

13.2mm， 摇臂的尺寸：xn

，l 32mm, 挺柱的升r程、速度和加速度曲线图。弹簧的材料采用弹簧钢， =35兆帕1 1500kpa。n（1）弹簧的最大弹力：Pnpmax

km alxn

w2/lr195*1.4*12.18*46*2932*103/32448式中 K=1.4——弹簧储备系数；1 lM mkn kn

m3

(mr

m )( r )2m'mr lnm n=130+175403=195——换气到气门一边的气门机构总重量m =130g —— 气门的质量，rmm =m

m =55+20=75g （外弹簧及内np np.n

np.n弹簧，按结构要求取: m'n

ml2n

2)rn=120*120*52.62/(3*52.62)=120g——摇臂质量。弹簧最小的弹力：P KM

(rr)l2/lnpmin

rn 0 2 rn r r=195*1.4*2932*106/33.5=239N弹簧的刚度：C=M

K2Rn R=195*1.4*2932*106/33.5弹簧变形：

=21.6kn/m1）预压缩变形量：f (rmin

r)l /l2 Rn r=（15-8.5）*52.6/33.52）总变形量：

=10.2mmf f hmax min Rnmax=10.2+8.92=19.12mm内、外弹簧之间的负荷分配：内弹簧：P 0.35P =0.35*448=156.8Nnp.nmax np.nmax

Pnp.n

0.35Pnpmin

0.35*23983.65NPnp.nmax

Pnp

Pnp.n

448156.8291.2NPnp.nmin

Pnp

Pnp.n

23983.65155.35N内外弹簧的刚度：cnp.n

P /npmax

=291*103/19.12*103=14.06KN/mmaxcnp.n

Pnp.n

/fmax

156.8*103/19.12*1037.58KN/mcc 14.067.5821.64KN/mnp.n根据以求得的值：P P Pnpmax np.nmax np.nmaxP P Pnpmin npnmin np.nmin弹簧的尺寸：A、弹簧钢丝直径: 4mm np.n np.n、弹簧的平均直径： 28 Dnp.n

19mmC、弹簧的工作圈数：G4i

fmax

8.3*0.364*1.912

5.6p.n

8Pnp.n

D3np.n

8*269*106*2.83G4i

.fmax

8.3*0.244*1.912

6.6pn 8Pnp.nmax

D3np.n

8*145*106*1.93式中 G=8.3——钢丝剪切弹性模D、弹簧总圈数:i inn

25.627.6i inn

26.628.6F、气门全开时弹簧的长度:L i

i

=7.6*3.6+5.6*0.3=29.1mmnmin

p.n

minL i

i

=8.6*2.4+6.6*0.3=22.6mmnmin

p.n

minLmin

Ln

29.1mmG、气门关闭时弹簧的长度：L L0 min

hkn

29.18.9238.02mmH、自由弹簧的长度：L

Ln

fmax

29.119.1248.22mmL L f =22.6+19.12=41.72

nmin

max、 弹簧的最大和最小应力：1）内弹簧 k

8 DPnp.nmaxnp.n

=1.17

8*145*19*109

595兆帕max

B 3np.n8

3.14*2.43*1098*77.4*19*109max

k`B

Pnp.nmax3np.n

np.n

=1.17

3.14*2.43