氣門(mén)彈簧位于氣缸蓋和氣門(mén)桿末端的彈簧座之間是保證氣門(mén)及時(shí)落座，緊密貼合，防止發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)時(shí)氣門(mén)跳動(dòng)，破壞其密封性能的小工具。氣門(mén)彈簧的作用是保證氣門(mén)在關(guān)閉時(shí)能與氣門(mén)座或氣門(mén)座圈緊密貼合，在氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)克服氣門(mén)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的慣性力，使傳動(dòng)部件始終受凸輪控制而不相互分離。氣門(mén)彈簧多由優(yōu)質(zhì)合金鋼絲制成，通過(guò)熱處理提高疲勞強(qiáng)度。為了避免彈簧腐蝕，彈簧表面應(yīng)該鍍鋅、磷化。彈簧的兩個(gè)端面必須磨平并垂直于彈簧軸線，以防止彈簧在工作過(guò)程中歪斜。

氣門(mén)彈簧

氣門(mén)彈簧多為圓柱螺旋彈簧，如圖所示。當(dāng)氣門(mén)彈簧的工作頻率等于或?yàn)槠涔逃蓄l率的整數(shù)倍時(shí)，氣門(mén)彈簧會(huì)發(fā)生共振，斷裂的概率會(huì)增大。為了防止共振，可以使用變螺距彈簧目前，大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)使用同心安裝的雙彈簧。內(nèi)、兩個(gè)外彈簧的旋轉(zhuǎn)方向相反，外彈簧的剛度大于內(nèi)彈簧的剛度。雙彈簧不僅可以防止共振，還可以縮短彈簧長(zhǎng)度．當(dāng)其中一個(gè)彈簧斷裂時(shí)，另一個(gè)彈簧可以繼續(xù)工作，防止閥門(mén)落入氣缸。

氣門(mén)彈簧的設(shè)計(jì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的性能和凸輪的設(shè)計(jì)一樣重要。氣門(mén)彈簧的作用包括防止氣門(mén)在氣壓載荷下從氣門(mén)座上跳開(kāi)，并控制氣門(mén)運(yùn)動(dòng)以避免氣門(mén)機(jī)構(gòu)分離。氣門(mén)彈簧設(shè)計(jì)影響凸輪應(yīng)力、配氣機(jī)構(gòu)的摩擦和彈簧顫振。發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門(mén)彈簧通常是兩端封閉的開(kāi)放式螺旋壓縮彈簧。大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)使用恒剛度彈簧，盡管有些發(fā)動(dòng)機(jī)使用變剛度彈簧。對(duì)于轉(zhuǎn)速較低的柴油機(jī)，通常采用單彈簧設(shè)計(jì)就足夠了，但有時(shí)需要采用帶阻尼彈簧或內(nèi)彈簧的雙彈簧設(shè)計(jì)，以降低氣門(mén)彈簧顫振的嚴(yán)重程度。氣門(mén)彈簧的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作。由于兩三個(gè)原因，它可以作為一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則。首先，解析彈簧設(shè)計(jì)方法顯示了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)和部件的設(shè)計(jì)參數(shù)之間的聯(lián)系。其次，解析彈簧設(shè)計(jì)法表明，同一個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題有兩種不同的數(shù)學(xué)構(gòu)造方法：一個(gè)作為確定性的解決方案，另一個(gè)作為優(yōu)化問(wèn)題來(lái)解決。在優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)構(gòu)造中，以顯式函數(shù)為例列出了目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)。應(yīng)該注意的是，在發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的其他領(lǐng)域中（例如循環(huán)性能、凸輪設(shè)計(jì)、配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)）用于優(yōu)化構(gòu)造的函數(shù)通常是更復(fù)雜的隱函數(shù)。第三，解析彈簧設(shè)計(jì)法給出了用圖形設(shè)計(jì)法構(gòu)造參數(shù)化掃掠設(shè)計(jì)圖的例子。這些典型的參數(shù)圖可以用來(lái)處理柴油機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到的多維設(shè)計(jì)問(wèn)題。

在氣門(mén)彈簧的設(shè)計(jì)中，已知的輸入數(shù)據(jù)包括以下內(nèi)容：①最大氣門(mén)升程；②給定的彈簧安裝長(zhǎng)度；③彈簧所需的預(yù)緊力；④所需的彈簧剛度。需要注意的是，彈簧的預(yù)緊力和剛度是發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)層面的設(shè)計(jì)參數(shù)，需要滿足最大允許彈簧力和凸輪應(yīng)力、排氣門(mén)不跳浮、配氣機(jī)構(gòu)不飛脫等要求。氣門(mén)彈簧設(shè)計(jì)和凸輪設(shè)計(jì)之間有很強(qiáng)的相互作用。如果在彈簧設(shè)計(jì)中很難找到解決方案，則必須修改這些輸入數(shù)據(jù)。

在氣門(mén)彈簧設(shè)計(jì)中，以下參數(shù)是計(jì)算的輸出數(shù)據(jù)：①基本或獨(dú)立彈簧設(shè)計(jì)參數(shù)（即彈簧平均直徑、彈簧鋼絲直徑、工作線圈數(shù)目）②導(dǎo)出的設(shè)計(jì)參數(shù)（例如彈簧的自由長(zhǎng)度、最大壓縮長(zhǎng)度、壓實(shí)長(zhǎng)度、線圈之間的自由間隙、最大壓縮時(shí)線圈之間的物理間隙、彈簧的固有頻率和顫振階次、最大彈簧載簡(jiǎn)、最大彈簧扭力）彈簧的基本設(shè)計(jì)參數(shù)決定了彈簧的剛度。

一些輸出參數(shù)受到設(shè)計(jì)約束的限制。例如，彈簧的安裝長(zhǎng)度和平均直徑受到包裝空間的限制。彈簧在最大壓縮和壓縮長(zhǎng)度下的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力受彈簧疲勞壽命的影響、強(qiáng)度極限和最大容許應(yīng)力。彈簧顫振保護(hù)的約束條件通過(guò)控制彈簧的物理間隙和固有頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)。彈簧顫振的階次是指彈簧的固有頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)工作頻率的比值。為了確保彈簧在操作過(guò)程中不會(huì)強(qiáng)烈振動(dòng)。一般情況下，氣門(mén)彈簧的固有頻率至少應(yīng)為發(fā)動(dòng)機(jī)工作頻率的13倍，即彈簧顫振的階數(shù)應(yīng)高于13。對(duì)彈簧固有頻率的分析表明，如果彈簧對(duì)凸輪輪廓的一個(gè)主要諧波非常敏感，則必然有顫動(dòng)趨勢(shì)。在這種情況下，有必要修改凸輪或彈簧的設(shè)計(jì)。有時(shí)，可變剛度或嵌套彈簧可以用來(lái)改變彈簧的頻率，以幫助緩解顫振問(wèn)題。

彈簧設(shè)計(jì)是一個(gè)多維參數(shù)問(wèn)題，可以用圖形的方式處理，檢查參數(shù)的靈敏度趨勢(shì)。氣門(mén)彈簧設(shè)計(jì)優(yōu)化的目的是使彈簧的固有頻率最大化，以減小彈簧的振動(dòng)，同時(shí)滿足以下限制：①發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)要求的彈簧預(yù)緊力和氣門(mén)彈簧剛度；②最大允許彈簧應(yīng)力；③控制彈簧顫振的適當(dāng)物理間隙。

氣門(mén)彈簧的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)課題。良好的彈簧設(shè)計(jì)可以最大限度地減少配氣機(jī)構(gòu)的摩擦和磨損。現(xiàn)將基于結(jié)構(gòu)參數(shù)靈敏度設(shè)計(jì)圖的氣門(mén)彈簧設(shè)計(jì)分析方法總結(jié)如下：

1）第一步，通過(guò)對(duì)車(chē)輛下坡行駛性能和發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)的分析，確定配氣機(jī)構(gòu)飛行速度的設(shè)計(jì)目標(biāo)，從而確定氣門(mén)彈簧所需的預(yù)緊力和彈簧剛度；

2）第二步是建立配氣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，從而準(zhǔn)確預(yù)測(cè)飛脫，并評(píng)估氣缸內(nèi)再壓縮壓力對(duì)飛脫的影響；

3）第三步，通過(guò)計(jì)算彈簧預(yù)緊力和彈簧剛度的不同值，構(gòu)建配氣機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的參數(shù)圖，以檢查它們對(duì)配氣機(jī)構(gòu)振動(dòng)的影響。推桿力需要繪制在圖表中、氣門(mén)機(jī)構(gòu)的加速度和減速度相對(duì)于曲柄角的曲線示出了起飛的設(shè)計(jì)裕度，從而在步驟4中可以方便和明智地選擇所需的彈簧預(yù)載和彈簧剛度的目標(biāo)值；

4）第四步根據(jù)排氣閥頭的靜力平衡，計(jì)算出防止排氣閥跳動(dòng)和浮動(dòng)所需的彈簧預(yù)緊力。為帶排氣制動(dòng)和不帶排氣制動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)選擇排氣門(mén)彈簧預(yù)緊力，并使用步驟3中的設(shè)計(jì)參數(shù)表選擇匹配的彈簧剛度；

5）第五步計(jì)算設(shè)計(jì)參數(shù)的參數(shù)掃描值，利用圖形設(shè)計(jì)方法構(gòu)造彈簧設(shè)計(jì)的參數(shù)靈敏度設(shè)計(jì)圖。選擇彈簧的平均直徑、盤(pán)繞鋼絲的直徑和圈數(shù)同時(shí)滿足彈簧的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、固有頻率、線圈間隙等設(shè)計(jì)限制。或者，可以使用解析優(yōu)化方法直接求解該方程。

由于氣門(mén)彈簧工作時(shí)承受扭矩，其圓形截面上的應(yīng)力分布是不均勻的。從靠近中心的原點(diǎn)到邊緣各點(diǎn)，應(yīng)力逐漸增大，表面應(yīng)力最大。就表面上所有點(diǎn)而言，內(nèi)表面承受的應(yīng)力最大，受平面應(yīng)力。因此，氣門(mén)彈簧表面一旦出現(xiàn)缺陷，最大應(yīng)力集中就可能出現(xiàn)在缺陷處，從而導(dǎo)致彈簧的早期斷裂。

折斷原因

氣門(mén)彈簧斷裂的原因不僅是制造上的缺陷，還有使用不當(dāng)造成的早期損壞。常見(jiàn)原因如下：

①?gòu)椈杀砻嬗邪伎雍透g坑。由于儲(chǔ)存不當(dāng)，彈簧表面會(huì)形成腐蝕坑當(dāng)彈簧承受大扭矩時(shí)，腐蝕坑處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致彈簧疲勞斷裂。

新型氣門(mén)彈簧的質(zhì)量檢驗(yàn)方法：用老虎鉗夾住彈簧，壓縮到最小長(zhǎng)度，盡量使環(huán)間沒(méi)有間隙，保持48小時(shí)如果彈簧表面有缺陷，經(jīng)過(guò)這種壓縮處理后就會(huì)斷裂。這是因?yàn)閺椈傻膬?nèi)應(yīng)力高度集中在缺陷附近，導(dǎo)致彈簧斷裂。

氣門(mén)彈簧彈性的強(qiáng)弱可以用比較法來(lái)識(shí)別。具體做法是：首先，將待檢查的舊氣門(mén)彈簧和新氣門(mén)彈簧串聯(lián)起來(lái)，并用鋼墊圈隔開(kāi)。然后在一個(gè)氣門(mén)彈簧上施加一定的壓力，觀察新舊彈簧的壓縮程度。如果老彈簧彈力不足，此時(shí)必須先壓下。

②彈簧中心線歪斜。如果氣門(mén)彈簧兩端面與彈簧中心線不垂直，彈簧長(zhǎng)時(shí)間高速工作，其金屬材料容易因疲勞而斷裂。氣門(mén)彈簧垂直度的檢查方法是：先將彈簧垂直放在平板上，用直角尺抵住彈簧的底圈，然后將彈簧旋轉(zhuǎn)一圈，測(cè)量彈簧頂圈與直角尺的最大距離。正常情況下，氣門(mén)彈簧相對(duì)于垂直線的傾斜距離為1.0～1.5mm。如果超過(guò)這個(gè)值，最好換一個(gè)新的。

③氣門(mén)導(dǎo)管竄槽或凸輪軸軸承松動(dòng)。如果氣門(mén)導(dǎo)管在使用中移動(dòng)，可能會(huì)導(dǎo)致氣門(mén)彈簧在壓縮時(shí)因彎曲應(yīng)力而斷裂。凸輪軸軸承松動(dòng)會(huì)引起氣門(mén)彈簧共振，導(dǎo)致氣門(mén)彈簧斷裂。

④操作或安裝不當(dāng)。柴油機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，如果轉(zhuǎn)速突然變化，氣門(mén)彈簧的壓縮和拉伸頻率會(huì)突然增大，導(dǎo)致其疲勞斷裂。

⑤氣門(mén)彈簧未按要求裝配。裝配氣門(mén)彈簧時(shí)，有些車(chē)型有特殊要求。比如五十鈴6BBl的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，要求彈簧藍(lán)色涂層的一面朝向氣缸蓋的平面。不然彈簧容易斷。

應(yīng)急處理

如果在行駛過(guò)程中發(fā)現(xiàn)柴油機(jī)氣門(mén)彈簧斷裂，可以先將斷裂的彈簧拆下，然后將彈簧兩端的工作面相對(duì)，重新組裝起來(lái)臨時(shí)使用。如果彈簧斷裂成幾段，氣缸可以移入、拆下排氣閥的調(diào)整螺栓，使閥門(mén)保持關(guān)閉狀態(tài)，然后拆下噴油泵通向氣缸的高壓油管，防止其向氣缸內(nèi)噴油，這樣汽車(chē)就可以繼續(xù)行駛到目的地。

1）檢查氣門(mén)彈簧的自由長(zhǎng)度。用卡尺測(cè)量氣門(mén)彈簧的自由長(zhǎng)度，其值應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)值。如果沒(méi)有，就應(yīng)該更換。

2）檢查氣門(mén)彈簧的垂直度。用直角尺和平板檢查氣門(mén)彈簧的垂直度，其值應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)值，否則必須更換。

3）檢查氣門(mén)彈簧的預(yù)載。用測(cè)力計(jì)檢查氣門(mén)彈簧的預(yù)緊力，其值應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)。如果預(yù)緊力低于標(biāo)準(zhǔn)值，請(qǐng)更換氣門(mén)彈簧。

4）為防止損壞，請(qǐng)始終壓縮彈簧。