基于動(dòng)力質(zhì)量模型對(duì)氣門失效的研究

郝慶民

（浙江交通技師學(xué)院，浙江 金華 321015）

汽車使用壽命的長(zhǎng)短與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的命運(yùn)是息息相關(guān)，而作為發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件的配氣機(jī)構(gòu)，其使用壽命也與發(fā)動(dòng)機(jī)整體壽命一致。

1 氣門失效研究概述

1.1 氣門組相關(guān)概念

發(fā)動(dòng)機(jī)氣門是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中的重要零件之一，氣門的作用是負(fù)責(zé)向發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)輸入燃料并排出廢氣，為了提高進(jìn)排氣效率，現(xiàn)在多采用多氣門技術(shù)，常見的是每個(gè)汽缸布置有4個(gè)氣門。這種多氣門結(jié)構(gòu)容易形成緊湊型燃燒室，噴油器布置在中央，這樣可以令油氣混合氣燃燒更迅速、更均勻，各氣門的重量和開度適當(dāng)?shù)販p小，使氣門開啟或閉合的速度更快。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)一步強(qiáng)化，氣門失效己成為車用發(fā)動(dòng)機(jī)的惡性故障。

氣門組件的作用是保證實(shí)現(xiàn)氣缸的可靠密封，工作中要求：氣門頭部與氣門座貼合緊密，不得漏氣；氣門導(dǎo)管對(duì)氣門桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向良好；氣門彈簧兩端面與氣門桿中心線相互垂直，以保證氣門頭在氣門坐上不偏斜；氣門彈簧的彈力足以克服氣門及其傳動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)慣性力，使氣門能迅速閉合，并能保證氣門關(guān)閉時(shí)緊壓在氣門座上。

1.2 論文研究方法

發(fā)動(dòng)機(jī)氣門在高溫沖擊環(huán)境下工作，惡劣的工況環(huán)境是使氣門失效的重要原因。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，其排氣門的工作溫度范圍可達(dá)630～930℃，壓強(qiáng)為105～115kP,為了探討溫度對(duì)排氣門磨損的影響，采用動(dòng)態(tài)磨損強(qiáng)化模擬試驗(yàn)的方法，對(duì)排氣門錐面采用合金焊層的氣門材料進(jìn)行了單因素控制的強(qiáng)化磨損模擬試驗(yàn)。

由于氣門彈簧的作用，使氣門在工作時(shí)落座沖擊氣門座。落座沖擊力對(duì)氣門的失效有重要的影響，氣門運(yùn)動(dòng)過程的優(yōu)劣最終將集中表現(xiàn)為落座瞬間特性的好壞。采用模擬試驗(yàn)的方法，探討氣門沖擊力對(duì)排氣門磨損的影響，試驗(yàn)通過調(diào)節(jié)氣門間隙來改變沖擊力的大小。

1.3 研究背景與意義

目前，對(duì)氣門的研究主要集中在正常工況下的強(qiáng)度、壽命等方面，對(duì)氣門在異常條件下的研究少有文獻(xiàn)提及。然而，異常條件導(dǎo)致氣門失效所占比例較大，因此有必要進(jìn)行這方面的研究工作。

在氣門失效中，異常條件占很大的比重，特別是當(dāng)氣門異常工作一段時(shí)間之后，氣門頭部的偏磨、氣門導(dǎo)管的超差、高溫導(dǎo)致的氣門材料強(qiáng)度降低以及溫度分布不均勻?qū)е碌膽?yīng)力分布不均勻都可能引起氣門的失效。而在目前的研究中，主要針對(duì)氣門的正常工況進(jìn)行，對(duì)異常條件的研究報(bào)道較少，本文將在原有的分析方法的基礎(chǔ)上，著重對(duì)氣門各種異常條件下的應(yīng)力和變形進(jìn)行研究。

2 氣門失效原因分析

2.1 氣門系統(tǒng)安裝不當(dāng)

氣門正常工作的前提是氣門部件間不能產(chǎn)生干涉。氣門彈簧座、鎖夾、氣門桿末端的質(zhì)量及配合尺寸需保證協(xié)調(diào)一致。若不能保證，將導(dǎo)致氣門部件之間的配合狀態(tài)發(fā)生異常。

2.2 氣門導(dǎo)管與氣門桿間隙不當(dāng)

氣門桿與氣門導(dǎo)管間應(yīng)有合適的配合間隙，另外也應(yīng)具有足夠的油膜來保證滑動(dòng)特性。若間隙太小，將會(huì)導(dǎo)致氣門桿部磨損過于集中。若間隙過大，潤(rùn)滑油格會(huì)從燃燒室流入氣門導(dǎo)管，在氣門表面形成一層油垢，由于進(jìn)一步的燃燒，造成積碳增多，會(huì)導(dǎo)致氣門在導(dǎo)管里不能正?；瑒?dòng)，最終導(dǎo)致黏著在一起。

2.3 氣門不旋轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)太快

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)氣門應(yīng)旋轉(zhuǎn)，但氣門驅(qū)動(dòng)部件的干涉將阻礙這種旋轉(zhuǎn)。氣門不旋轉(zhuǎn)將導(dǎo)致氣門延周溫度分布不均，不利于燃燒堆積物的清除，導(dǎo)致氣門變形，密封不嚴(yán)，甚至?xí)饸忾T錐面的局部燒損。

2.4 搖臂的單側(cè)施力

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，如果搖臂的作用點(diǎn)不在氣門桿端面的中心，搖臂對(duì)氣門作用力的方向偏離氣門軸線，使工作中的氣門承受較大的彎曲應(yīng)力，這是造成氣門鎖夾槽部斷裂的主要原因。

2.5 鎖夾不合格

桿端附件如鎖夾、彈簧座等，若不能彼此協(xié)調(diào)一致，必然產(chǎn)生一系列的干涉，最有可能產(chǎn)生鎖夾槽處的斷裂。由于氣門鎖夾形狀的不規(guī)范，使用時(shí)與氣門鎖夾槽表面形成非正常的點(diǎn)接觸或局部線接觸，工作時(shí)對(duì)氣門鎖央槽表面造成局部機(jī)械損傷，損傷部位產(chǎn)生的應(yīng)力集中是造成鎖夾槽部斷裂的主要原因。

3 氣門動(dòng)力學(xué)計(jì)算

3.1 單質(zhì)量模型建立

氣門在工作時(shí)受到?jīng)_擊載荷及高溫氣體的聯(lián)合作用，因此，氣門的變形程度與沖擊力和氣體壓力有關(guān)，使計(jì)算模型復(fù)雜；為了簡(jiǎn)化，本文在計(jì)算氣門動(dòng)應(yīng)方時(shí)采用單質(zhì)量模型。

圖1 單質(zhì)量模型

3.2 動(dòng)力學(xué)計(jì)算

單質(zhì)量模型如圖1所示，把氣門的運(yùn)動(dòng)用一個(gè)集中質(zhì)量M來描述（這里M包含有氣門質(zhì)量以及其他傳動(dòng)零件換算到氣門處的質(zhì)量），M的一端通過剛度為C”的氣門彈簧和汽缸蓋聯(lián)接，而另一端連結(jié)假想的剛度為C的“彈簧”，此彈簧的上端由“當(dāng)量凸輪”直接控制，凸輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如下：

這里k為搖臂比，x0為氣門間隙，而h（α）為挺柱升程函數(shù)。x（α）實(shí)際上就是將配氣機(jī)構(gòu)當(dāng)作完全剛性時(shí)的氣門升程函數(shù)。

在上面的模型中，所謂的剛度為c的“彈簧”實(shí)際上代表著整個(gè)傳動(dòng)鏈的彈性，剛度c可通過實(shí)測(cè)或計(jì)算得到。圖1中的b和bp則分別表示內(nèi)阻尼和外阻尼。

為了確定氣門升程函數(shù)，也就是集中質(zhì)量位移M的位移y依賴于凸輪轉(zhuǎn)角的α的表達(dá)式y(tǒng)=y（α）。為此，首先要建立y（α）所滿足的微分方程并給出初始條件。假設(shè)作用在集中質(zhì)量M上的外力之和為F，則顯然應(yīng)有

式中M為集中質(zhì)量，α為凸輪轉(zhuǎn)角加速度，ω為凸輪旋轉(zhuǎn)角速度。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

表1 氣門落座速度和加速度

以上的氣門動(dòng)力分析結(jié)果表明，氣門落座加速度最大可達(dá)到2450m/s2,根據(jù)落座力的計(jì)算公式可知，落座力正比于氣門集中質(zhì)量，在氣門落座加速度如此大的前提下，氣門集中質(zhì)量的微小改變會(huì)引起落座力較大變化。

4 結(jié)語

氣門接觸面是以反復(fù)彈、塑性疲勞變形和金屬滑移而產(chǎn)生的疲勞裂紋、片狀疲勞剝落，最終導(dǎo)致氣門失效。而材料在高溫下產(chǎn)生的變形滑移和蠕變是促使氣門疲勞點(diǎn)蝕和剝落磨損加速的主要原因。從6BTA5.9汽油機(jī)排氣門摩擦副的工作條件出發(fā)，分析了溫度對(duì)排氣門摩擦副使用壽命的影響。排氣門與排氣門座的主要失效機(jī)理是在高溫與廢氣環(huán)境介質(zhì)下的沖擊磨損。

氣門沖擊力極大地影響了氣門的磨損速率。隨著氣門沖擊力的增大，氣門的磨損率增大，磨損量增加。

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