气门弹簧的预紧力和弹簧刚度测试实验

气门弹簧的预紧力和弹簧刚度测试实验
柴油发电机配件之气门弹簧制造过程中，节距影响弹簧自由长度，而劣质弹簧的性能进一步影响柴油机的故障率。本文根据实际的气门弹簧节距和线圈数，用catia建立数学模型，确定弹簧自由长度、节距以及弹簧圈数之间的关系。基于abaqus平台，以标准弹簧 为力学基础，对不同超差量的气门弹簧模型进行静力学有限元仿真分析和预应力模态分析。
气门弹簧是柴油机配气机构中气门组件的重要组成部分，通过弹簧自身张力克服气门关闭过程中气门及传动件因惯性力而产生的间隙，保证气门及时落座并紧密贴合，同时也可防止气门在发动机振动时因跳动而破坏密封。而在实际气门弹簧的生产过程中，无法对废品弹簧进行及时有效的在线判断，造成生产过程中的废品率过高。因此，对于如何在线判断废品、判断废品的依据以及调整工艺参数的依据显得尤为重要。而气门弹簧的节距，是弹簧力学性能的重要参数。同时，也是实际生产过程中需要控制的生产参数。它影响气门弹簧的自由长度，从而直接影响弹簧的力学性能。但是，由于生产工艺的影响，实际生产过程中，弹簧节距值与理论设计值总存在一定的偏差。当超差量在一定范围内时，不会影响到弹簧的合格率，同时能减少生产成本。本文着重分析节距偏差对弹簧总长的影响，建立不同偏差值的弹簧模型，对其进行仿真分析，以获得能保证其使用性能的最大偏差量。
一、气门弹簧的性能要求及功能
1、气门弹簧功能
气门弹簧的功用是保证气门在关闭时能压紧在气门座上，而在运动时使传动件保持相互接触，不致因惯性力的作用而相互脱离，产生冲击和噪声。所以气门弹簧在安装时就有较大气门弹簧的材料通常为高碳锰钢、硅锰钢和镍铬锰钢的钢丝，用冷绕成型后，经热处理而成。为了提高弹簧的疲劳强度，一般用喷丸或喷砂表面处理。气门弹簧的形状多为圆柱形螺旋弹簧，如图1所示。
气门弹簧的使用过程中，由于受到压缩载荷的作用，会产生并圈现象，这种自接触行为会导致弹簧刚度呈非线性变化。在压应力作用下，气门弹簧会受到沿着45°方向的剪应力作用，最终导致疲劳断裂。因此，设计过程中，必须保证气门弹簧的最大剪应力、米塞斯应力小于许用应力，其1阶模态远远小于工作频率，如图2所示。
气门弹簧在工作时可能发生共振。当气门弹簧的固有振动频率与凸轮轴转速或气门开闭的次数成倍数关系时，就会产生共振。共振会使气门弹簧加速疲劳损坏，配气机构也无法正常工作，因而应尽力防止。
图1 气门弹簧锁紧装置示意图
图2 气门弹簧疲劳破坏图
2、气门弹簧性能要求
气门弹簧的基本参数是弹簧预紧力和弹簧刚度。气门弹簧在疲劳寿命的使用范围内，必须保证弹簧具有规定要求的弹性刚度，提供足够的反力来平衡系统中气门及其相关附件产生的各种力和惯性力，保证气门闭合的力度和避免气门飞脱。同时，必须保证气门弹簧的工作频率和它的固有振动频率不成整数倍关系，防止发生共振，使弹簧发生断裂。
（1）增加弹簧刚度
通过增加弹簧刚度来提高固有频率是防止共振的措施之一。但刚度增加，凸轮表面的接兰应力加大，使磨损加快，曲轴驱动配气机构所消耗的功也增加。有的柴油发电机组采用变鏍距弹簧来防止共振。工作时，弹簧螺距较小的一端逐渐叠合，有效圈数不断减少，因而固有频率也不断增加。这种气门弹簧在安装时，应将螺距较小的一端靠近气门座。
（2）采用两根弹簧
不少柴油发电机组采用两根气门弹簧来防止共振。内、外两根气门弹簧同心地安装在一个气门。采用双弹簧的优点除了可以防止共振外，同时当一根弹簧折断时，另一根还可继续维持工作，不致产生气门落人汽缸的事故。此外，在保证相同弹力的条件下，双弹簧的高度可比一根弹簧的小，因而可降低整机高度。采用双弹簧时，内、外弹簧的螺旋方向应相反，以避免当一根弹簧折断时，折断部分卡入另一根弹簧中。
二、弹簧节距与自由长度的数模
在气门弹簧的实际生产过程中，由于伴随着节距误差，弹簧的节距会逐渐增加。因此，弹簧的自由长度也会增加而偏离理论值。为了建立合适的节距——自由长度数学模型，测量了大量的弹簧实际节距，得到以下弹簧自由长度计算公式：
li是气门弹簧在180度位置的实际测量高度，n和d分别表示气门弹簧的圈数和气门弹簧的钢丝直径。测量时，分别测量弹簧上下端面到中面的距离来减少测量误差，然后对这些节距进行数据处理发现：
（1）规定气门弹簧上、下偏差后，每个弹簧的节距值的变化趋势一致。
（2）对于同一个弹簧，相邻的三圈弹簧之间，测量出两个不同的节距值。
三、气门弹簧分析理论及cad模型
1、分析理论
（1）静力学分析理论
气门弹簧的静力分析过程中，忽略了惯性力，及平衡方程中并没有考虑了加速度的影响，因而整个系统控制方程为
[k] {u} = {f}
因此，结构静力学问题，即归结为求解静力方程。
（2）模态分析理论
模态分析是分析结构自然频率和模态形状的方法，其在分析中会假设：
① 结构刚度矩阵和质量矩阵不发生改变；
② 除非指定使用阻尼特征求解方法，否则不考虑阻尼效应；
③ 结构中没有随时间变化的载荷。
在无阻尼系统中，结构振动方程如下所示
[m] {ü} + [k] {u} = {0}
式中：[m]——质量矩阵；
[k]——刚度矩阵，可以包括预应力效应带来的附加刚度；
{ü}——节点加速度向量；
{u}——节点位移向量。
2、气门弹簧cad模型
实际生产过程中，弹簧的节距与理想的设计尺寸存在一定的误差，因此，理想的弹簧设计模型与实际制造的弹簧模型存在一定的差别。其中，自由长度以及节距的差异性造成了实际生产的气门弹簧与理论设计的弹簧的力学性能的差异。通过建立数学模型，可以发现实际生产过程中，气门弹簧的自由长度超差量分别为正向超差、负向超差。某企业气门弹簧生产过程中，允许的正负值超差量极值均为2 mm。实际生产中弹簧自由长度超差量越大，生产中的废品率越高。为了找到正、负偏差量的极限值，同时验证2mm的超差量时，生产出的弹簧是否符合要求，分别在两个极限范围内设置不同超差量，实际自由长度超差量数值如表1所示：
根据实际弹簧的节距变化数据找到的数学模型，计算出每一圈弹簧节距相对于标准件弹簧的变化值，建立不同自由长度超差量气门弹簧的cad模型。
表1 弹簧模型超差量/mm
项目
模型一
模型二
模型三
模型四
模型五
模型六
模型七
正超差量
0.5
1.0
1.5
2.5
3.0
3.5
4.0
负超差量
-0.5
-1.0
-1.5
-2.5
-3.0
-3.5
-4.0
四、结果及分析
1、标准气门弹簧性能
弹簧实际生产过程中，实际节距与理论值总存在一定的偏差，因此，弹簧的刚度和质量也会随之变化，

康明斯发电机同步发电机的特点是什么
调整柴油发电机组喷油泵供油量不均以及原因分析
康明斯柴油发电机的连杆检查
硅整流发电机维护和拆卸步骤
提醒用户做好里卡多柴油发电机维护防范工作6大准备
重庆康明斯柴油发电机组水加热器变更尺寸性能参数对比
两种柴油发电机启动方法的优点
发电机组用蓄电池电压虚高的原因和检查方法