氣門彈簧的預緊力和彈簧剛度測試實驗

氣門彈簧的預緊力和彈簧剛度測試實驗
柴油發電機配件之氣門彈簧制造過程中，節距影響彈簧自由長度，而劣質彈簧的性能進一步影響柴油機的故障率。本文根據實際的氣門彈簧節距和線圈數，用catia建立數學模型，確定彈簧自由長度、節距以及彈簧圈數之間的關系?；赼baqus平臺，以標準彈簧 為力學基礎，對不同超差量的氣門彈簧模型進行靜力學有限元仿真分析和預應力模態分析。
氣門彈簧是柴油機配氣機構中氣門組件的重要組成部分，通過彈簧自身張力克服氣門關閉過程中氣門及傳動件因慣性力而產生的間隙，保證氣門及時落座并緊密貼合，同時也可防止氣門在發動機振動時因跳動而破壞密封。而在實際氣門彈簧的生產過程中，無法對廢品彈簧進行及時有效的在線判斷，造成生產過程中的廢品率過高。因此，對于如何在線判斷廢品、判斷廢品的依據以及調整工藝參數的依據顯得尤為重要。而氣門彈簧的節距，是彈簧力學性能的重要參數。同時，也是實際生產過程中需要控制的生產參數。它影響氣門彈簧的自由長度，從而直接影響彈簧的力學性能。但是，由于生產工藝的影響，實際生產過程中，彈簧節距值與理論設計值總存在一定的偏差。當超差量在一定范圍內時，不會影響到彈簧的合格率，同時能減少生產成本。本文著重分析節距偏差對彈簧總長的影響，建立不同偏差值的彈簧模型，對其進行仿真分析，以獲得能保證其使用性能的最大偏差量。
一、氣門彈簧的性能要求及功能
1、氣門彈簧功能
氣門彈簧的功用是保證氣門在關閉時能壓緊在氣門座上，而在運動時使傳動件保持相互接觸，不致因慣性力的作用而相互脫離，產生沖擊和噪聲。所以氣門彈簧在安裝時就有較大氣門彈簧的材料通常為高碳錳鋼、硅錳鋼和鎳鉻錳鋼的鋼絲，用冷繞成型后，經熱處理而成。為了提高彈簧的疲勞強度，一般用噴丸或噴砂表面處理。氣門彈簧的形狀多為圓柱形螺旋彈簧，如圖1所示。
氣門彈簧的使用過程中，由于受到壓縮載荷的作用，會產生并圈現象，這種自接觸行為會導致彈簧剛度呈非線性變化。在壓應力作用下，氣門彈簧會受到沿著45°方向的剪應力作用，最終導致疲勞斷裂。因此，設計過程中，必須保證氣門彈簧的最大剪應力、米塞斯應力小于許用應力，其1階模態遠遠小于工作頻率，如圖2所示。
氣門彈簧在工作時可能發生共振。當氣門彈簧的固有振動頻率與凸輪軸轉速或氣門開閉的次數成倍數關系時，就會產生共振。共振會使氣門彈簧加速疲勞損壞，配氣機構也無法正常工作，因而應盡力防止。
圖1 氣門彈簧鎖緊裝置示意圖
圖2 氣門彈簧疲勞破壞圖
2、氣門彈簧性能要求
氣門彈簧的基本參數是彈簧預緊力和彈簧剛度。氣門彈簧在疲勞壽命的使用范圍內，必須保證彈簧具有規定要求的彈性剛度，提供足夠的反力來平衡系統中氣門及其相關附件產生的各種力和慣性力，保證氣門閉合的力度和避免氣門飛脫。同時，必須保證氣門彈簧的工作頻率和它的固有振動頻率不成整數倍關系，防止發生共振，使彈簧發生斷裂。
（1）增加彈簧剛度
通過增加彈簧剛度來提高固有頻率是防止共振的措施之一。但剛度增加，凸輪表面的接蘭應力加大，使磨損加快，曲軸驅動配氣機構所消耗的功也增加。有的柴油發電機組采用變鏍距彈簧來防止共振。工作時，彈簧螺距較小的一端逐漸疊合，有效圈數不斷減少，因而固有頻率也不斷增加。這種氣門彈簧在安裝時，應將螺距較小的一端靠近氣門座。
（2）采用兩根彈簧
不少柴油發電機組采用兩根氣門彈簧來防止共振。內、外兩根氣門彈簧同心地安裝在一個氣門。采用雙彈簧的優點除了可以防止共振外，同時當一根彈簧折斷時，另一根還可繼續維持工作，不致產生氣門落人汽缸的事故。此外，在保證相同彈力的條件下，雙彈簧的高度可比一根彈簧的小，因而可降低整機高度。采用雙彈簧時，內、外彈簧的螺旋方向應相反，以避免當一根彈簧折斷時，折斷部分卡入另一根彈簧中。
二、彈簧節距與自由長度的數模
在氣門彈簧的實際生產過程中，由于伴隨著節距誤差，彈簧的節距會逐漸增加。因此，彈簧的自由長度也會增加而偏離理論值。為了建立合適的節距——自由長度數學模型，測量了大量的彈簧實際節距，得到以下彈簧自由長度計算公式：
li是氣門彈簧在180度位置的實際測量高度，n和d分別表示氣門彈簧的圈數和氣門彈簧的鋼絲直徑。測量時，分別測量彈簧上下端面到中面的距離來減少測量誤差，然后對這些節距進行數據處理發現：
（1）規定氣門彈簧上、下偏差后，每個彈簧的節距值的變化趨勢一致。
（2）對于同一個彈簧，相鄰的三圈彈簧之間，測量出兩個不同的節距值。
三、氣門彈簧分析理論及cad模型
1、分析理論
（1）靜力學分析理論
氣門彈簧的靜力分析過程中，忽略了慣性力，及平衡方程中并沒有考慮了加速度的影響，因而整個系統控制方程為
[k] {u} = {f}
因此，結構靜力學問題，即歸結為求解靜力方程。
（2）模態分析理論
模態分析是分析結構自然頻率和模態形狀的方法，其在分析中會假設：
① 結構剛度矩陣和質量矩陣不發生改變；
② 除非指定使用阻尼特征求解方法，否則不考慮阻尼效應；
③ 結構中沒有隨時間變化的載荷。
在無阻尼系統中，結構振動方程如下所示
[m] {ü} + [k] {u} = {0}
式中：[m]——質量矩陣；
[k]——剛度矩陣，可以包括預應力效應帶來的附加剛度；
{ü}——節點加速度向量；
{u}——節點位移向量。
2、氣門彈簧cad模型
實際生產過程中，彈簧的節距與理想的設計尺寸存在一定的誤差，因此，理想的彈簧設計模型與實際制造的彈簧模型存在一定的差別。其中，自由長度以及節距的差異性造成了實際生產的氣門彈簧與理論設計的彈簧的力學性能的差異。通過建立數學模型，可以發現實際生產過程中，氣門彈簧的自由長度超差量分別為正向超差、負向超差。某企業氣門彈簧生產過程中，允許的正負值超差量極值均為2 mm。實際生產中彈簧自由長度超差量越大，生產中的廢品率越高。為了找到正、負偏差量的極限值，同時驗證2mm的超差量時，生產出的彈簧是否符合要求，分別在兩個極限范圍內設置不同超差量，實際自由長度超差量數值如表1所示：
根據實際彈簧的節距變化數據找到的數學模型，計算出每一圈彈簧節距相對于標準件彈簧的變化值，建立不同自由長度超差量氣門彈簧的cad模型。
表1 彈簧模型超差量/mm
項目
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
負超差量
-0.5
-1.0
-1.5
-2.5
-3.0
-3.5
-4.0
四、結果及分析
1、標準氣門彈簧性能
彈簧實際生產過程中，實際節距與理論值總存在一定的偏差，因此，彈簧的剛度和質量也會隨之變化，

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