柴油机气门结构设计

柴油机气门结构设计 气门是燃烧室的组成部分,又是气体进、出燃烧室的通道,在工作中要承受极大的交变和冲击载荷及高温、高速燃气的冲刷与腐蚀作用,工况极为苛刻。气门设计的合理与否不仅与发动机的技术经济指标有关,还与整机的可靠性和气门的使用寿命密切相关。气门设计中除应进行详尽的强度和刚 度计算外,还应考虑气流的通过能力、气门与气门座的密封、气门的材料及 冷却、润滑与磨损等。根据目前国内柴油机气门设计的实际状况,结合柴油机气门的制造及配套情况,谈一下笔者的认识。气门属配气机构的关键基础 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 夹槽等部分。 1 D 为了获得最佳容积效率,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～dt0.48)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. d'dtt 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。 2 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 比较厚的柴油机,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。 ddtt 3 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,据资料明,本设计中的爆发压力为7.6MPa,气门盘直部厚 的0.1 倍即可满足刚度要求。即H=0.1=6mm。 ddtt度H 为其径 4 βR 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表面各处的应 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dt 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。 dt 取,,20:,,25:，排气门取 5 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,能够保留润滑油膜,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。 6 7 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备不足。 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,这类锁夹要表面淬硬,而且气门杆的锁夹槽表面也要完全淬硬,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。 8 : 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 ,排气门d般保持一致。大量试验证明,进气门最大升程取(0.26～0.28) t '最大升程取(0.3～0.35) 时,换气效果最佳。 dt 即有 ： 气门总长 l=（2.5～3.5）=150～210mm；（取180mm） dt 进气门最大升程 h=（0.26～0.28）=15.6～16.8mm；(取16mm) dt '' 排气门最大升程 h=（0.3～0.35）=15～17.5mm。(取16mm) dt