新聞主題	氣門彈簧的預(yù)緊力和彈簧剛度測試實驗

 

摘要：柴油發(fā)電機配件之氣門彈簧制造過程中，節(jié)距影響彈簧自由長度，而劣質(zhì)彈簧的性能進一步影響柴油機的故障率。本文根據(jù)實際的氣門彈簧節(jié)距和線圈數(shù)，用CATIA建立數(shù)學(xué)模型，確定彈簧自由長度、節(jié)距以及彈簧圈數(shù)之間的關(guān)系。基于ABAQUS平臺，以標準彈簧 為力學(xué)基礎(chǔ)，對不同超差量的氣門彈簧模型進行靜力學(xué)有限元仿真分析和預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析。

 

      氣門彈簧是柴油機配氣機構(gòu)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(guān)閉過程中氣門及傳動件因慣性力而產(chǎn)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(fā)動機振動時因跳動而破壞密封。而在實際氣門彈簧的生產(chǎn)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(chǎn)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(jù)以及調(diào)整工藝參數(shù)的依據(jù)顯得尤為重要。而氣門彈簧的節(jié)距，是彈簧力學(xué)性能的重要參數(shù)。同時，也是實際生產(chǎn)過程中需要控制的生產(chǎn)參數(shù)。它影響氣門彈簧的自由長度，從而直接影響彈簧的力學(xué)性能。但是，由于生產(chǎn)工藝的影響，實際生產(chǎn)過程中，彈簧節(jié)距值與理論設(shè)計值總存在一定的偏差。當(dāng)超差量在一定范圍內(nèi)時，不會影響到彈簧的合格率，同時能減少生產(chǎn)成本。本文著重分析節(jié)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(guān)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(chǎn)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(jīng)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(chǎn)生并圈現(xiàn)象，這種自接觸行為會導(dǎo)致彈簧剛度呈非線性變化。在壓應(yīng)力作用下，氣門彈簧會受到沿著45°方向的剪應(yīng)力作用，最終導(dǎo)致疲勞斷裂。因此，設(shè)計過程中，必須保證氣門彈簧的最大剪應(yīng)力、米塞斯應(yīng)力小于許用應(yīng)力，其1階模態(tài)遠遠小于工作頻率，如圖2所示。

 

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(shù)是彈簧預(yù)緊力和彈簧剛度。氣門彈簧在疲勞壽命的使用范圍內(nèi)，必須保證彈簧具有規(guī)定要求的彈性剛度，提供足夠的反力來平衡系統(tǒng)中氣門及其相關(guān)附件產(chǎn)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(shù)倍關(guān)系，防止發(fā)生共振，使彈簧發(fā)生斷裂。

二、彈簧節(jié)距與自由長度的數(shù)模

 

      在氣門彈簧的實際生產(chǎn)過程中，由于伴隨著節(jié)距誤差，彈簧的節(jié)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(jié)距——自由長度數(shù)學(xué)模型，測量了大量的彈簧實際節(jié)距，得到以下彈簧自由長度計算公式：

      l_i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(shù)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(jié)距進行數(shù)據(jù)處理發(fā)現(xiàn)：

（1）規(guī)定氣門彈簧上、下偏差后，每個彈簧的節(jié)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(jié)距值。

 

三、氣門彈簧分析理論及CAD模型

 

1、分析理論

（1）靜力學(xué)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(tǒng)控制方程為

[K] {u} = {F}

      因此，結(jié)構(gòu)靜力學(xué)問題，即歸結(jié)為求解靜力方程。

（2）模態(tài)分析理論

模態(tài)分析是分析結(jié)構(gòu)自然頻率和模態(tài)形狀的方法，其在分析中會假設(shè)：

① 結(jié)構(gòu)剛度矩陣和質(zhì)量矩陣不發(fā)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(yīng)；

③ 結(jié)構(gòu)中沒有隨時間變化的載荷。

      在無阻尼系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)振動方程如下所示

[M] {Ü} + [K] {u} = {0}

式中：[M]——質(zhì)量矩陣；

[K]——剛度矩陣，可以包括預(yù)應(yīng)力效應(yīng)帶來的附加剛度；

{Ü}——節(jié)點加速度向量；

{u}——節(jié)點位移向量。

2、氣門彈簧CAD模型

      實際生產(chǎn)過程中，彈簧的節(jié)距與理想的設(shè)計尺寸存在一定的誤差，因此，理想的彈簧設(shè)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(jié)距的差異性造成了實際生產(chǎn)的氣門彈簧與理論設(shè)計的彈簧的力學(xué)性能的差異。通過建立數(shù)學(xué)模型，可以發(fā)現(xiàn)實際生產(chǎn)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(yè)氣門彈簧生產(chǎn)過程中，允許的正負值超差量極值均為2 mm。實際生產(chǎn)中彈簧自由長度超差量越大，生產(chǎn)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(chǎn)出的彈簧是否符合要求，分別在兩個極限范圍內(nèi)設(shè)置不同超差量，實際自由長度超差量數(shù)值如表1所示：

      根據(jù)實際彈簧的節(jié)距變化數(shù)據(jù)找到的數(shù)學(xué)模型，計算出每一圈彈簧節(jié)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

 

四、結(jié)果及分析

 

1、標準氣門彈簧性能

      彈簧實際生產(chǎn)過程中，實際節(jié)距與理論值總存在一定的偏差，因此，彈簧的剛度和質(zhì)量也會隨之變化，進而影響彈簧的振動特性。共振將導(dǎo)致配氣機構(gòu)不能正常工作，氣門將發(fā)生沖擊和反跳，共振嚴重時甚至?xí)?dǎo)致彈簧斷裂。為了保證發(fā)動機運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性和安全性，很有必要對氣門彈簧振動特性進行研究，避免發(fā)生共振[8]。彈簧自由長度越接近理論設(shè)計值時，彈簧力學(xué)性能越能滿足其工作需要。為了滿足彈簧性能要求，必須盡量減小超差值。然而，超差值越小，生產(chǎn)越困難，廢品率越高，生產(chǎn)成本越高，必須設(shè)置合理的超差值。因此，進行有限元仿真分析，比較超差模型和標準模型的剪應(yīng)力、米塞斯應(yīng)力以及彈簧1階模態(tài)的變化趨勢。

      氣門彈簧在實際工況中會受到預(yù)緊力的作用，因此，本文在用ABAQUS軟件對氣門彈簧進行模態(tài)分析時采用預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析。提取最大剪應(yīng)力、米塞斯應(yīng)力以及預(yù)應(yīng)力彈簧1階模態(tài)云圖。仿真結(jié)果表明最大剪應(yīng)力位置在彈簧中圈內(nèi)表面上，如圖3所示，彈簧1階模態(tài)如圖4所示。

      由仿真結(jié)果的中的最大Tresca應(yīng)力可求出最大剪應(yīng)力

τ_max=½Tresca

      基于對有限元軟件求解結(jié)果的分析，得出標準氣門彈簧完全滿足力學(xué)性能要求。完全符合實際的工作狀況。

 

圖3  標準氣門彈簧最大Tresca應(yīng)力

圖4  標準氣門彈簧1階模態(tài)

 

 

2、正偏差氣門彈簧性能

      對于正向偏差量的彈簧，通過設(shè)置自由長度不同超差量，進行有限元分析，求解出每個模型的最大剪應(yīng)力、最大米塞斯應(yīng)力以及1階模態(tài)。并與標準件的最大剪應(yīng)力、米塞斯應(yīng)力以及1階模態(tài)比較，觀察自由長度的變化與各項性能的相對變化趨勢。如下圖5、圖6所示。

      通過Oringin Pro繪制彈簧最大米塞斯應(yīng)力、剪應(yīng)力以及1階模態(tài)相對標準件彈簧變化趨勢圖，可以更加直觀地分析彈簧的最大米塞斯應(yīng)力、剪應(yīng)力以及1階模態(tài)相對于標準彈簧的變化量。

（1）從圖5中我們可以看到，氣門彈簧偏差值2 mm在許用偏差范圍內(nèi)，氣門彈簧的生產(chǎn)過程滿足彈簧性能要求。

（2）當(dāng)彈簧自由長度正向逐漸增大時，彈簧的最大米塞斯應(yīng)力、剪應(yīng)力相對標準件彈簧應(yīng)力值逐漸增大，盡管增大的過程中，有一些小的波動，但主體增長趨勢不變。

（3）可以觀察到彈簧自由長度變化量達到2.5 mm時，米塞斯應(yīng)力的變化幅值超過了10%。因此，2.5 mm是偏差臨界值。

（4）當(dāng)彈簧自由長度正向逐漸增大時，彈簧的1階模態(tài)與標準模型1階模態(tài)相比基本不變，超差量對其1階模態(tài)影響不大。

 

圖5  氣門彈簧最大剪應(yīng)力相對變化趨勢

圖6  氣門彈簧I階模態(tài)變化趨勢

 

 

3、負偏差氣門彈簧性能

      對于負值偏差量的彈簧，通過設(shè)置不同超差量，進行有限元分析，求解出每個模型的最大剪應(yīng)力、最大米塞斯應(yīng)力以及1階模態(tài)。并與標準件的最大剪應(yīng)力、米塞斯應(yīng)力以及1階模態(tài)比較，觀察自由長度的變化與各項性能的相對變化趨勢。如下圖7、圖8：

      同理，通過Oringin Pro繪制彈簧最大米塞斯應(yīng)力、剪應(yīng)力以及1階模態(tài)相對標準件彈簧變化趨勢圖，可以更加直觀地分析彈簧的最大米塞斯應(yīng)力、剪應(yīng)力以及1階模態(tài)相對于標準彈簧的變化量。

（1）與正偏差結(jié)果相似，整體偏差值增大，自由長度也增加，彈簧的最大米塞斯應(yīng)力、剪應(yīng)力相對標準件彈簧應(yīng)力值逐漸增大。

（2）當(dāng)彈簧的自由長度變化，剪應(yīng)力相對變化值和米塞斯應(yīng)力的變化幅值并未超過臨界值10%，這表明預(yù)設(shè)的整體偏差值比較合理。

（3）當(dāng)彈簧自由長度正向逐漸增大時，彈簧的1階模態(tài)與標準模型1階模態(tài)相比基本不變，超差量對其1階模態(tài)影響不大。

 

圖7  負偏差氣門彈簧最大剪應(yīng)力相對變化趨勢

圖8  負偏差氣門彈簧I階模態(tài)變化趨勢

 

 

總結(jié)：

 

      基于實驗和仿真研究，本文提出了調(diào)整氣門彈簧節(jié)距的方法，找到合適的偏差值以提高生產(chǎn)質(zhì)量。其中，有限單元分析法用來確定彈簧整體的偏差預(yù)設(shè)值。正、負偏差條件下分別計算節(jié)距和彈簧整體自由長度的關(guān)系。在預(yù)設(shè)整體偏差條件下，這些規(guī)則可以運用于每個節(jié)距的調(diào)整，從而提高生產(chǎn)質(zhì)量。建立標準CAE模型和正、負偏差的范圍。結(jié)果表明：

（1）最大米塞斯應(yīng)力和剪應(yīng)力隨著自由長度偏差量的增大而增大，氣門彈簧1階模態(tài)相對于標準模型的1階模態(tài)變化可以忽略。

（2）與標準彈簧模型相比，彈簧整體長度正偏差量不能超過2.5 mm，設(shè)置的所有負偏差量都滿足要求。因此，在彈簧制造生產(chǎn)過程中預(yù)設(shè)2.0 mm的偏差量是符合質(zhì)量要求的。以后可以進一步實驗，對不同規(guī)格的彈簧進行研究，得到彈簧自由長度和許用超差量的關(guān)系，可以更快捷地得到不同彈簧在制造過程中可控制的超差量，以達到提高生產(chǎn)質(zhì)量的目的。

 

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