2023年浅析发动机气门的设计和工艺控制.doc

浅析发动机气门的设计和工艺控制 张德江 (湖南天雁机械有限责任公司，421005) ：气门是发动机的重要关键部件，结构设计是否合理，生产过程重要管理项目的设定和控制、有效的检测手段，是保证发动机气门质量的关键，三者缺一不可。 关键词：气门 结构设计 材料 概述 某款发动机不能起动点火，经查排气门杆密封面有严重积碳，引发原因是气门工作间隙过小或负间隙；气门导管内径偏心，超差0.19mm，实际0.29mm，引发原因是气门杆的圆度、圆柱度出厂时未进行不同方向取3点检查；粗糙度达不到要求，引发原因是加工刀具的使用寿命无明确规定；杆内径加工夹具角度和孔座加工夹具角度不同〔孔座为23°57′，成品为24°02′〕，引发原因是加工工装未定期检查有误差。由此给我们启示：要充分理解每个部件的功能和作用，掌握该部件的工作条件和设计要求，设定重要管理项目，把握工程能力指数CP和CPK。 正文 1、气门的工作条件 在汽油机中，进气门温度为300～500℃，排气门温度为600～800℃，甚至更高，尤其排气门刚刚开启时，气缸内压力较高，气门开度还小，高温燃烧气体以很高的速度〔可达600m/s〕经气门座和气门缝隙排出，使气门强烈地受热和腐蚀。 看到，排气门头顶面中心处、反面与杆部相交处的温度最高，后者是由于高速排气的的冲刷造成的。气门所受热量中大约有76％是经气门座散走的，其余24％是经气门杆部和导管传走的。从气门冷却角度来说，必须保持气门与气门座的锥面间接触良好并保持密封，否那么，锥面就会由散热通道变成受热外表了。 气门以很高的频率开启和关闭时，气门杆和气门导管之间有摩擦。气门在工作时要承受落座冲击载荷及燃气压力给予的静负荷，这种静负荷一般约为0.5MPa，冲击负荷一般约为1.2MPa。 2、气门的设计要求 对气门的设计要求有以下几点： 2.1、气门的工作温度是确定气门材料的主要依据，在气门工作温度范围内，材料应具有足够的强度、韧性和外表硬度。 2.2、要求结构简单，加工方便，颈部形状恰当，以减小气体的流动阻力，增加进气充量。在保证足够强度、刚度和耐磨性的前提下，气门要轻。 2.3、尽可能降低热负荷。气门的设计与气缸盖的设计要密切配合，气门座周围必须加强冷却，温度尽量均匀，如果结构允许，应尽量增加导管长度，适当减小气门升程与导管的配合间隙，以降低气门温度。 2.4、气门是配气机构以凸轮开始的整个运动链中的末端零件，气门的设计必须从整个配气结构来考虑，防止气门落座时承受过大冲击和振动，因为这些机械负荷是造成气门及气门座磨损的原因之一。 3、气门的结构和设计 气门属配气机构的关键根底件,如图1 所示其主要结包括盘外圆、盘锥面、盘部厚度、颈部、杆部及锁夹槽等局部。 3.1、盘外圆D 为了获得最正确容积效率,气门头部直径通常是越大越好,但因受燃烧室间的限制,进气门直径为气缸直径的42～48 %。即=(0.42～0.48)D=56.7～64.8mm,取用60mm. 一般来说,考虑到吸气作用,进气门直径要比排气门大15～20 %，以改善充气效率，即：=〔0.8～0.85〕=48～51mm,取用50mm. 通常允许气门头部外圆伸出已精加工的气门座之外约0. 5～1. 0mm ,气门盘外圆通常为气口直径的1. 15 倍,这样可以使气门座有足够的宽度以利于气门头的传热。 3.2、锥面角度α 气门头部的密封锥面有30°和45°两种,较大锥角可提高气门头部边缘的刚度,保证气门锥面与底座良好的自动对中作用和密封面的较大比压,利于辗压积炭。大多数气门设计都采用45°锥面角,实践证明,45°锥面角不但能提供良好的密封性,而且能够满足气门座合的耐磨性要求。锥面积炭比拟厚的柴油机,一般都用45°锥面角,由此可以获得较好的座合和较高的座合压力而不必减少密封面积,这样积炭就容易被压扁或擦掉。 气门与气门座合面宽度约为1. 5～3. 0mm ,气门座圈的锥角应比气门密封锥面略大0. 5°～1°〔如图2〕,这可形成一条较窄的座合面密封带,提高座合压力,限制积炭层厚度,改善热传导。气门锥面宽度一般为盘外圆的0.05～0.12 倍,即：〔0.05～0.12〕=3～7.2mm。取4mm。 3.3、盘部厚度H 为保证气门头部有足够的刚性和尽可能轻的质量,在设计中应合理选取盘厚H 尺寸,据资料说明,本设计中的爆发压力为7.6MPa,气门盘直部厚度H 为其径的0.1 倍即可满足刚度要求。即H=0.1=6mm。 3.4、颈部过渡锥角β和过渡半径R 气门颈部过渡锥角β和过渡半径R 的大小对气流有很大的影响,锥角β应保证气流的圆滑过渡,但更重要的是能够保证气门颈部外表各处的应力分布均匀。一般来说,排气门的过渡锥角β及过渡半径R 比进气门要大些。R 尺寸按〔0.2～0.5〕计算，β值一般为15°～30°,另外在均布压力作用下,气门头的变形主要发生在盘外缘,在H 一定情况下,气门头的刚性主要取决于β和R 的大小。 R=〔0.2～0.5〕=12～30mm,进气门取R=24mm，排气门取R=20mm。 取，排气门取 3.5、杆部直径d 气门杆部直径主要是根据排气门的耐久性要求确定,进气门头部直径与杆部直径的比值一般为(4. 5～5. 5) ∶1 ,为方便气缸盖加工,进排气门导管直径一般是相同的,进排气门也通常采用相同的杆部公称尺寸,在实际设计中气门直径一般按7、8、9、9. 5、10 、11 、12 等选取。常用的气门杆部与导管的配合间隙：进气门为0.04 ～0.08mm ,排气门为0. 05～0. 09mm ,由于气门与导管之间的间隙将影响气门杆与气门头圆滑过渡处的气门强度,因此最小间隙应选择为使气门杆在导管中没有卡住的危险,气门杆与导管之间的间隙,应使之在最高工作温度下,能够保存润滑油膜,间隙增大促使气门杆部温度提高和积炭,这些都会使润滑效果下降,并导致气门杆部的擦伤与磨损。设计中取d=12mm。 3.6、气门颈部形状设计 3.7、锁夹槽 在气门杆端部,自摇臂传来的偏心压力和气门与摇臂的摩擦力使气门杆部产生弯曲应力,惯性载荷与气门弹簧力叠加的作用加上气体压力,容易造成气门锁夹槽薄弱断面处疲劳强度储藏缺乏。 气门锁夹槽的设计方式有锥槽、方槽和圆弧槽三种(如图4 所示) 。其中圆弧槽又可分为单道、双道及多道圆弧槽,单道圆弧槽的结构形式实际上可适用于任何杆径的气门,这种设计与锥槽和方槽相比的主要优点是圆弧槽减少了缺口敏感性;双道槽的圆弧形面具有较低的缺口敏感性,而且两槽能产生附加的抗剪切力;多道槽(3 —4 道) 设计形式除具有双道圆弧槽的优点外,还便于在装配时使锁夹和锁夹槽相互对接,而不单是用于夹紧气门杆,这种锁夹装置靠槽与锁夹的凹、凸缘之间的接触面来支撑气门,使气门处于旋转的自由状态,而不受锁夹和锁帽组装的制约,这类锁夹要外表淬硬,而且气门杆的锁夹槽外表也要完全淬硬,以保证锁夹槽与锁夹的凹、凸缘接触面的耐磨性要求。对于有些机型,有时在气门杆靠近锁夹槽处车出一道环槽,安装弹簧卡圈,当气门杆自锁夹槽处断裂时,卡圈被气门导管挡住,气门不致掉入气缸中。卡圈凹槽的位置应能保证气门的下落量只比气门最大升程大1～2mm 即可。 3.8、气门总长及杆部焊缝位置: 气门杆部长度取决于气缸盖和气门弹簧的设计,一般总希望短一些,以便降低发动机的总高度,通常气门杆部长度为进气门盘外圆的2.5～3.5 倍,或者为气缸直径为1.1～1.3 倍。为便于加工,进排气门长度尺寸在设计中一般保持一致。大量试验证明,进气门最大升程取(0.26～0.28) ,排气门最大升程取(0.3～0.35) 时,换气效果最正确。 即有 ： 气门总长 =〔2.5～3.5〕=150～210mm；〔取180mm〕 进气门最大升程 =〔0.26～0.28〕=15.6～16.8mm；(取16mm) 排气门最大升程 =〔0.3～0.35〕=15～17.5mm。(取16mm) 4、气门材料 在选择气门材料时，必须考虑工作温度、腐蚀情况、冲击载荷、气门杆部和端面的耐磨性等，进气门温度较低，常用材料为40Cr，负荷较高的为40Cr9Si2、4Cr10Si2Mo等；排气门在高温下工作，需特殊考虑。 4.1马氏体钢 一般气门常采用铁素体合金钢，含碳量在0.38％～0.80％之间，淬火后得到的马氏组织能到达耐磨要求，这种材料的机械加工性能好，滑动性好，在工作温度不超过650℃的排气门上广泛采用，如4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo等。在强化程度较高的发动机中，由于热负荷机械负荷高，因而对气门锥面的耐磨、耐腐蚀性提出了更高的要求，这时可采用对焊气门，这是一种头部采用奥氏体刚、杆部采用马氏体刚结构的气门，并采用摩擦焊或闪光焊来对焊。对焊气门设计时应注意：1)接口应在气门头部应力区之外，并离颈部弧中点附近的热点远些；2)耐热性较差的杆部材料不能受高温燃气的侵蚀；3)焊接部位选在气门全开接口与导管下端对齐或略高为宜；4)焊接处的抗拉强度不应低于根本材料的抗拉强度。 4.2奥氏体钢 这类钢在常温和工作温度下根本上全是奥氏体组织，高温强度高，耐蚀性好，奥氏体钢气门最高工作温度允许到达870℃，一般常用的有21-4N、4Cr14N14W2Mo。 5、气门外表强化处理 5.1滚压 滚压能使金属外表产生塑性变形，形成很大的剩余压缩应力，提高材料的疲劳强度和耐磨性。采用滚压来防止气门锁夹槽处断裂有显著效果，杆部滚压亦可提高耐磨性，还可降低气门导管磨损，气门锥面滚压后粗糙度可达0.2以下，外表硬度可提高HRC6～8。 5.2渗铝 外表渗铝能显著改善抗氧化性、耐热性和耐磨性。渗铝的方法很多，较好的工艺是高频加热喷镀铝，即先在预热线圈中把气门头部加热到300℃左右，然后向锥面喷铝并进一步高频加热到700～1000℃，使喷铝层局部或大局部形成铁铝合金层，铝扩散层厚度要求在15～25μm，最高达40μm，铁铝合金层的维氏硬度略有提高。 5.3镀铬 对于在气门导管内滑动性能不良的气门钢〔如奥氏体钢〕，大多可在杆部镀铬，镀铬可以耐磨并不易积碳，杆部镀铬层厚约0.03～0.04mm，镀后精磨。 5.4氮化 氮化对提高气门的耐磨性和疲劳强度有显著效果。由于渗氮层一般较薄，渗氮后可作微量磨削，不允许再作其它热处理和切削加工，因此渗氮前零件要先精加工和调质处理。为了在氮化过程中不影响材料的机械性能和零件精度，要求渗氮温度一般为500～570℃，不能超过调质处理中的回火温度，气门氮化多数采用低温真空离子氮化或软氮化。 5.5外表淬火 用马氏体耐热钢或合金结构钢制成的气门，一般采用外表淬火提高杆端的硬度，同时气门杆外表和进气门锥面也可采用外表淬火提高耐磨性。 6工艺过程中重要管理项目设定 结构设计合理不一定就能有好的气门质量，加工过程中重要管理项目的设定是关键。所以，气门组的锥面加工工装精度一定要保证并要定期保养和检查，而且要有检查记录、检查表。加工刀具的寿命通过计算产品的CP〔无偏移情况下的过程能力指数〕和CPK〔有偏移情况下的过程能力指数〕确定换刀频次并进行管理，将刀具寿命、工装保养、外表强化处理时间和、温度等重要管理项目写进作业标准和工程QC表中，还要有控制质量的手段，应将圆度、圆柱度、粗糙度写进检查基准书，规定检查频次、基准值、方法用检查仪器，圆度测定要在不同的3个方向测量，另外品质特性铬层厚度、硬度都要在检查基准书中体现。 7结论 结构设计合理是保证发动机气门质量的前提条件，制造过程重要管理项目设定和控制是保证气门质量的关键，有效的检测方法是控制气门质量的手段，三者缺一不可。 参考文献： [1]陈家瑞 汽车构造 机械工业出版社 [2]余志生 汽车理论 机械工业出版社 [3]王望予 汽车设计 机械工业出版社 [4]闻邦椿 机械设计手册〔第5版〕第3卷 机械工业出版社 6