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 盘外圆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 d间的限制,进气门直径为气缸直径的42,48 %。即=(0.42,t 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 d'd善充气效率，即:=(0.8,0.85)=48,51mm,取用50mm. tt 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 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dd的0.05,0.12 倍,即:(0.05,0.12)=3,7.2mm。取4mm。 tt 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,据资料表明,本设计中的爆发压力为7.6MPa,气门盘直部厚 dd度H 为其径的0.1 倍即可满足刚度要求。即H=0.1=6mm。 tt 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 d些。R 尺寸按(0.2,0.5)计算，β值一般为15?,30?,另外在均布t 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。 dR=(0.2,0.5)=12,30mm,进气门取R=24mm，排气门取R=20mm。 t 取,,20:，排气门取,,25: 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 气门颈部形状设计 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 d,排气门般保持一致。大量试验证明,进气门最大升程取(0.26,0.28) t 'd最大升程取(0.3,0.35) 时,换气效果最佳。 t d即有 : 气门总长 =(2.5,3.5)=150,210mm;(取180mm) lt d 进气门最大升程 =(0.26,0.28)=15.6,16.8mm;(取16mm) ht ''d 排气门最大升程 h=(0.3,0.35)=15,17.5mm。(取16mm)t