柴油机配气机构中气门横臂结构的改进设计_张小婵.pdf

140 AUTO TIMEAUTOMOBILE DESIGN|汽车设计柴油机配气机构中气门横臂结构的改进设计1引言柴油机在长期运行后，特别是长时间在高负荷或低转速状态工作时，由于燃烧不良等情况发生，气门锥面会存在积炭，发生磨损不均等现象，并导致气门密封不严。而安装气门旋转机构，使气门在工作过程中产生缓慢的旋转运动，既可使气门温度均匀，也可将锥面及气门杆上的积炭擦掉1。不但可以改善气门杆的润滑条件，而且对于改善气门座及导管的导热性是有利的，避免气门和座圈的过早磨损和失效。进而有提高燃油效率及降低排放2的效果。国外先进的机车柴油机上已安装气门旋转机构，随着节能减排的要求越来越高，国内某大功率机车柴油机上正考虑应用此技术。本文中的气门旋转机构为保证在现有的安装空间下和气门弹簧上座实现互换而设计的，厂家根据气门弹簧上座结构已制造出气门旋转机构。笔者此时进行气门旋转机构的安装，在车间组装时发现气门旋转机构与气门横臂侧臂下部干涉，无法安装应用。在装配图上发现旋转机构的罩盖和已有气门横臂的两侧臂干涉，考虑到气门旋转机构罩盖机构更改余地小，为解决干涉问题，本文对气门横臂结构进行改进，同时为保证改动后气门横臂的强度、刚度与原气门横臂相比变化不大，本文用有限元软件对气门横臂进行强度模拟计算。2气门横臂和气门旋转机构干涉情况分析及结构改进现场组装时发现气门横臂和旋转机构干涉，导致气门旋转机构在柴油机上无法安装。为深入了解干涉情况，对气门横臂和旋转机构的装配图进行校核，下图 1 是校核后的装配图。图1机构装配示意图原侧臂形状干涉位置气门横臂气门旋转机构张小婵江苏城乡建设职业学院公用事业学院江苏省常州市213000摘 要：柴油机配气机构中的气门横臂做上下运动，控制气门的开启与闭合，是气门启闭的重要传力部件之一。气门组件上安装气门旋转机构可以改善气门的工作状态。本文针对气门横臂和气门旋转机构的安装干涉问题进行分析，提出气门横臂结构改进措施，并用有限元软件对设计方案进行力学分析，通过结果对比分析，综合考虑强度、刚度、制造的工艺性及气门组件的动力性，选择合理的改进方案并装机验证，新的气门横臂与旋转机构配合无干涉，且气门横臂运行良好，工作可靠。关键词：气门横臂安装干涉结构改进Improved Design of Valve Cross Arm Structure in Diesel Engine Gas Distribution MechanismZhang XiaochanAbstract：The valve cross arm in the diesel engine gas distribution mechanism moves up and down to control the opening and closing of the valve,which is one of the important force transmission components for valve opening and closing.Installing a valve swivel mechanism on the valve assembly can improve the working condition of the valve.This paper analyzes the installation interference problem of valve cross arm and valve rotating mechanism,puts forward valve cross arm structure improvement measures,and uses finite element software to analyze the mechanical analysis of the design scheme.And through the comparative analysis of the results,the article comprehensively considers the strength,stiffness,manufacturing processability and dynamic nature of the valve assembly,and selects a reasonable improvement scheme and installs it for verification.the new valve cross arm and the rotating mechanism cooperate without interference,and the valve cross arm runs well and works reliably.Key words：valve crossarm,mounting interference,structural improvementAUTO TIME 141 AUTOMOBILE DESIGN|汽车设计 时代汽车从图 1 可见，两装配件的最小距离出现在气门横臂的侧臂下部和旋转机构的上罩盖附近，间隙值为 1.8mm，而气门横臂侧臂下部由于拔模斜度而增加的厚度为 1.5mm 左右，实际装配间隙只有 0.3mm 左右，这样的装配间隙值无法保证两装配件不干涉。因气门旋转机构结构小且紧凑，且与气门横臂干涉的上罩盖的结构更改余地不大，本文对气门横臂结构进行改进，因气门横臂与多种零部件配合，需要最少的改动原结构，本文决定仅通过改变气门横臂侧臂形状来满足配合间隙的要求，同时兼顾优化气门横臂的结构。经过多种设计方案的对比分析，最后选择如图 2 所示的三种方案。方案一：用 R30 的上拱圆弧来增加装配间隙；方案二：先用 R9 圆弧，再用直线连接；方案三：先用直线，然后用 R15 的圆弧，再用直线连接。在装配图上分别对三种结构的装配间隙进行校核，考虑拔模斜度后的装配间隙均在 2 3mm 左右，根据装配经验，间隙尺寸合理，可以保证装配不干涉。注：为了下面计算分析方便，三种方案筋板区均未考虑减重凹槽。3气门横臂结构仿真分析为了确定结构改动对气门横臂强度、刚度的影响，本文进行了相应的强度仿真计算，包括：原结构和三种设计结构方案的强度计算。选择气门横臂受力最大的状态进行强度分析。此时气门横臂顶部受摇臂向下的压力，横臂两端受气门弹簧向上的回复力，二者达到平衡，受力简图3如图 3 所示。在 ANSYS中对气门横臂进行加载计算。原方案和三种设计方案的强度计算结果如图 4 所示。横臂导杆气门横臂气门弹簧P图3气门横臂受力分析图为方便对各种设计方案计算结果进行对比分析，对主要部位的计算结果总结如表 1所示。表 1 中的左、右臂最大应力位置相同，顶部最大应力位于顶部圆柱与侧臂的过渡圆角处，最大变形位于右臂的外边缘处。原设计总体应力较小，局部应力大，应力集中在右臂斜筋与右边圆柱相接处。方案一总体应力分布比较均匀，最大应力在顶部圆柱与侧臂的过渡圆角处。但此处为压应力，对锻件来说，受力情况相对比较安全。最大变形值相对不大。方案二应力集中在 R9 圆弧与直线相接处，因此 R9 圆弧和直线的过渡区域工艺要求相对较高。方案三图4（a）原设计的静应力图（b）方案一的静应力图（c）方案二的静应力图（d）方案三的静应力图2图2三种方案简图R3R3R15213R3方案一R3R9322R30方案二方案三142 AUTO TIMEAUTOMOBILE DESIGN|汽车设计 作者简介张小婵：（1983.10），女，汉族，河南南阳人，硕士研究生，工程师。研究方向：机械设计。表1设计方案结果对比表设计方案左臂最大应力（MPa）右臂最大应力（MPa）左、右臂最大应力位置顶部最大应力（MPa）最大变形（mm）原设计126150斜筋与右边圆柱相接处1020.0473方案一9999R30圆弧中间部位1070.0485方案二117110R9圆弧与直线相接处1030.0501方案三137136R15圆弧中间部位1210.0559表2方案一（带凹槽）主要部位计算结果表设计方案左臂最大应力（MPa）右臂最大应力（MPa）左右臂最大应力位置顶部最大应力（MPa）最大变形（mm）方案一（带凹槽）112110R30圆弧中间部位1170.0516应力集中在 R15 圆弧中间部位，有利于分散应力，但应力值偏大，若在装配间隙合理情况下对中间圆弧增大半径，可以使应力值下降，但加之此方案侧臂过渡段较多，圆滑过渡要求较高，对工艺要求高。综上，从应力和工艺方面考虑选择方案一，同时方案一的变形相对比较小，刚性相对较好，且与原设计的刚性相差不大。4气门横臂侧臂部位凹槽结构的考虑原设计在侧臂中间过渡区有凹槽，因而对方案一中侧臂部位加凹槽进行仿真计算分析。方案一（带凹槽结构）的局部视图如图 5所示，气门横臂的左臂和右臂形状一致。方案一（带凹槽结构）的应力分布如图 6 所示，主要部位的计算结果总结如表 2 所示。表 2 中的左、右臂最大应力位置相同，顶部最大应力位于顶部圆柱与侧臂的过渡圆角处，最大变形位于右臂的外边缘处。对方案一（带凹槽结构）和方案一的计算结果进行对比分析，可见带凹槽结构的应力和变形均比无凹槽结构的大，说明气门横臂的强度和刚度皆因凹槽结构存在而减弱。从工艺方面考虑，由于凹槽结构的圆角尺寸小，对模锻工艺要求反而高。同时气门横臂受力情况复杂，在柴油机工作中一直承受交变载荷，为使设计改动对部件安全性能影响较小，本文选择不带凹槽方案，它的强度、刚度相对较高，同时质量与原设计相差不大，对气门驱动机构的整体动力性影响较小。5装机应用情况该改进方案生产组装应用后，机车柴油机工作中运作状态良好，新的气门横臂在长期使用中，均能可靠工作。验证了此结构设计的合理性。新的气门横臂装机应用如图 7所示。且此类结构的气门横臂后续已应用在其他机型的柴油机上，均工作情况良好，运行可靠。图7新的气门横臂装机应用新的气门横臂气门旋旋机构6结语通过对气门横臂和气门旋转机构的装配干涉进行分析，保证装配间隙合理的情况下，确定初步结构改进方案。应用强度计算对设计方案进行强度、刚度分析，通过结果对比分析，同时考虑减少制造工艺的投入及对气门驱动机构动力性的影响最小，最终确定改进方案，很好地保证了零部件的优化设计，装机应用验证了气门横臂结构的功能性和可靠性。零件制造的工艺特点需要在设计时考虑，如本文中原气门横臂的拔模斜度引起气门横臂厚度的增加，造成原气门横臂与气门旋转机构的干涉问题。该改进方案的确定过程综合考虑了零件的功能性、生产中的工艺性及运动中的动力性，最终实现了改进结构的可靠工作。参考文献：1 李刚.气门旋转机构在柴油机上的应用 J.铁道机车车辆，2011，10：243-245.2 辉门动力总成将推出首款低速轻型车发动机用气门旋转机构 J.国外内燃机，2017，5：4.3 闫广义，焦革文.12V240ZJ1 型柴油机气门横臂导杆结构的改进 J.内燃机车，2004，10：25-26.图5方案一（带凹槽结构）R30图6方案一（带凹槽结构）的静应力图