新聞主題	氣門(mén)彈簧的預緊力和彈簧剛度測試實(shí)驗

 

摘要：柴油發(fā)電機配件之氣門(mén)彈簧制造過(guò)程中，節距影響彈簧自由長(cháng)度，而劣質(zhì)彈簧的性能進(jìn)一步影響柴油機的故障率。本文根據實(shí)際的氣門(mén)彈簧節距和線(xiàn)圈數，用CATIA建立數學(xué)模型，確定彈簧自由長(cháng)度、節距以及彈簧圈數之間的關(guān)系?；贏(yíng)BAQUS平臺，以標準彈簧 為力學(xué)基礎，對不同超差量的氣門(mén)彈簧模型進(jìn)行靜力學(xué)有限元仿真分析和預應力模態(tài)分析。

 

      氣門(mén)彈簧是柴油機配氣機構中氣門(mén)組件的重要組成部分，通過(guò)彈簧自身張力克服氣門(mén)關(guān)閉過(guò)程中氣門(mén)及傳動(dòng)件因慣性力而產(chǎn)生的間隙，保證氣門(mén)及時(shí)落座并緊密貼合，同時(shí)也可防止氣門(mén)在發(fā)動(dòng)機振動(dòng)時(shí)因跳動(dòng)而破壞密封。而在實(shí)際氣門(mén)彈簧的生產(chǎn)過(guò)程中，無(wú)法對廢品彈簧進(jìn)行及時(shí)有效的在線(xiàn)判斷，造成生產(chǎn)過(guò)程中的廢品率過(guò)高。因此，對于如何在線(xiàn)判斷廢品、判斷廢品的依據以及調整工藝參數的依據顯得尤為重要。而氣門(mén)彈簧的節距，是彈簧力學(xué)性能的重要參數。同時(shí)，也是實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中需要控制的生產(chǎn)參數。它影響氣門(mén)彈簧的自由長(cháng)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(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，彈簧節距值與理論設計值總存在一定的偏差。當超差量在一定范圍內時(shí)，不會(huì )影響到彈簧的合格率，同時(shí)能減少生產(chǎn)成本。本文著(zhù)重分析節距偏差對彈簧總長(cháng)的影響，建立不同偏差值的彈簧模型，對其進(jìn)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(mén)彈簧的性能要求及功能

 

1、氣門(mén)彈簧功能

        氣門(mén)彈簧的功用是保證氣門(mén)在關(guān)閉時(shí)能壓緊在氣門(mén)座上，而在運動(dòng)時(shí)使傳動(dòng)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(mén)彈簧在安裝時(shí)就有較大氣門(mén)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(mén)彈簧的形狀多為圓柱形螺旋彈簧，如圖1所示。

       氣門(mén)彈簧的使用過(guò)程中，由于受到壓縮載荷的作用，會(huì )產(chǎn)生并圈現象，這種自接觸行為會(huì )導致彈簧剛度呈非線(xiàn)性變化。在壓應力作用下，氣門(mén)彈簧會(huì )受到沿著(zhù)45°方向的剪應力作用，最終導致疲勞斷裂。因此，設計過(guò)程中，必須保證氣門(mén)彈簧的最大剪應力、米塞斯應力小于許用應力，其1階模態(tài)遠遠小于工作頻率，如圖2所示。

 

圖1 氣門(mén)彈簧鎖緊裝置示意圖

圖2 氣門(mén)彈簧疲勞破壞圖

 

2、氣門(mén)彈簧性能要求

      氣門(mén)彈簧的基本參數是彈簧預緊力和彈簧剛度。氣門(mén)彈簧在疲勞壽命的使用范圍內，必須保證彈簧具有規定要求的彈性剛度，提供足夠的反力來(lái)平衡系統中氣門(mén)及其相關(guān)附件產(chǎn)生的各種力和慣性力，保證氣門(mén)閉合的力度和避免氣門(mén)飛脫。同時(shí)，必須保證氣門(mén)彈簧的工作頻率和它的固有振動(dòng)頻率不成整數倍關(guān)系，防止發(fā)生共振，使彈簧發(fā)生斷裂。

二、彈簧節距與自由長(cháng)度的數模

 

      在氣門(mén)彈簧的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于伴隨著(zhù)節距誤差，彈簧的節距會(huì )逐漸增加。因此，彈簧的自由長(cháng)度也會(huì )增加而偏離理論值。為了建立合適的節距——自由長(cháng)度數學(xué)模型，測量了大量的彈簧實(shí)際節距，得到以下彈簧自由長(cháng)度計算公式：

      l_i是氣門(mén)彈簧在180度位置的實(shí)際測量高度，n和d分別表示氣門(mén)彈簧的圈數和氣門(mén)彈簧的鋼絲直徑。測量時(shí)，分別測量彈簧上下端面到中面的距離來(lái)減少測量誤差，然后對這些節距進(jìn)行數據處理發(fā)現：

（1）規定氣門(mén)彈簧上、下偏差后，每個(gè)彈簧的節距值的變化趨勢一致。

（2）對于同一個(gè)彈簧，相鄰的三圈彈簧之間，測量出兩個(gè)不同的節距值。

 

三、氣門(mén)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(mén)彈簧的靜力分析過(guò)程中，忽略了慣性力，及平衡方程中并沒(méi)有考慮了加速度的影響，因而整個(gè)系統控制方程為

[K] {u} = {F}

      因此，結構靜力學(xué)問(wèn)題，即歸結為求解靜力方程。

（2）模態(tài)分析理論

模態(tài)分析是分析結構自然頻率和模態(tài)形狀的方法，其在分析中會(huì )假設：

① 結構剛度矩陣和質(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；

③ 結構中沒(méi)有隨時(shí)間變化的載荷。

      在無(wú)阻尼系統中，結構振動(dòng)方程如下所示

[M] {Ü} + [K] {u} = {0}

式中：[M]——質(zhì)量矩陣；

[K]——剛度矩陣，可以包括預應力效應帶來(lái)的附加剛度；

{Ü}——節點(diǎn)加速度向量；

{u}——節點(diǎn)位移向量。

2、氣門(mén)彈簧CAD模型

      實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，彈簧的節距與理想的設計尺寸存在一定的誤差，因此，理想的彈簧設計模型與實(shí)際制造的彈簧模型存在一定的差別。其中，自由長(cháng)度以及節距的差異性造成了實(shí)際生產(chǎn)的氣門(mén)彈簧與理論設計的彈簧的力學(xué)性能的差異。通過(guò)建立數學(xué)模型，可以發(fā)現實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，氣門(mén)彈簧的自由長(cháng)度超差量分別為正向超差、負向超差。某企業(yè)氣門(mén)彈簧生產(chǎn)過(guò)程中，允許的正負值超差量極值均為2 mm。實(shí)際生產(chǎn)中彈簧自由長(cháng)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(shí)驗證2mm的超差量時(shí)，生產(chǎn)出的彈簧是否符合要求，分別在兩個(gè)極限范圍內設置不同超差量，實(shí)際自由長(cháng)度超差量數值如表1所示：

      根據實(shí)際彈簧的節距變化數據找到的數學(xué)模型，計算出每一圈彈簧節距相對于標準件彈簧的變化值，建立不同自由長(cháng)度超差量氣門(mén)彈簧的CAD模型。

表1    彈簧模型超差量/mm

 

四、結果及分析

 

1、標準氣門(mén)彈簧性能

      彈簧實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，實(shí)際節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(huì )隨之變化，進(jìn)而影響彈簧的振動(dòng)特性。共振將導致配氣機構不能正常工作，氣門(mén)將發(fā)生沖擊和反跳，共振嚴重時(shí)甚至會(huì )導致彈簧斷裂。為了保證發(fā)動(dòng)機運轉的平穩性和安全性，很有必要對氣門(mén)彈簧振動(dòng)特性進(jìn)行研究，避免發(fā)生共振[8]。彈簧自由長(cháng)度越接近理論設計值時(shí)，彈簧力學(xué)性能越能滿(mǎn)足其工作需要。為了滿(mǎn)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，必須設置合理的超差值。因此，進(jìn)行有限元仿真分析，比較超差模型和標準模型的剪應力、米塞斯應力以及彈簧1階模態(tài)的變化趨勢。

      氣門(mén)彈簧在實(shí)際工況中會(huì )受到預緊力的作用，因此，本文在用ABAQUS軟件對氣門(mén)彈簧進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)采用預應力模態(tài)分析。提取最大剪應力、米塞斯應力以及預應力彈簧1階模態(tài)云圖。仿真結果表明最大剪應力位置在彈簧中圈內表面上，如圖3所示，彈簧1階模態(tài)如圖4所示。

      由仿真結果的中的最大Tresca應力可求出最大剪應力

τ_max=½Tresca

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

 

圖3  標準氣門(mén)彈簧最大Tresca應力

圖4  標準氣門(mén)彈簧1階模態(tài)

 

 

2、正偏差氣門(mén)彈簧性能

      對于正向偏差量的彈簧，通過(guò)設置自由長(cháng)度不同超差量，進(jìn)行有限元分析，求解出每個(gè)模型的最大剪應力、最大米塞斯應力以及1階模態(tài)。并與標準件的最大剪應力、米塞斯應力以及1階模態(tài)比較，觀(guān)察自由長(cháng)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(guò)Oringin Pro繪制彈簧最大米塞斯應力、剪應力以及1階模態(tài)相對標準件彈簧變化趨勢圖，可以更加直觀(guān)地分析彈簧的最大米塞斯應力、剪應力以及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(mén)彈簧偏差值2 mm在許用偏差范圍內，氣門(mén)彈簧的生產(chǎn)過(guò)程滿(mǎn)足彈簧性能要求。

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

（3）可以觀(guān)察到彈簧自由長(cháng)度變化量達到2.5 mm時(shí)，米塞斯應力的變化幅值超過(guò)了10%。因此，2.5 mm是偏差臨界值。

（4）當彈簧自由長(cháng)度正向逐漸增大時(shí)，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(mén)彈簧最大剪應力相對變化趨勢

圖6  氣門(mén)彈簧I階模態(tài)變化趨勢

 

 

3、負偏差氣門(mén)彈簧性能

      對于負值偏差量的彈簧，通過(guò)設置不同超差量，進(jìn)行有限元分析，求解出每個(gè)模型的最大剪應力、最大米塞斯應力以及1階模態(tài)。并與標準件的最大剪應力、米塞斯應力以及1階模態(tài)比較，觀(guān)察自由長(cháng)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(guò)Oringin Pro繪制彈簧最大米塞斯應力、剪應力以及1階模態(tài)相對標準件彈簧變化趨勢圖，可以更加直觀(guān)地分析彈簧的最大米塞斯應力、剪應力以及1階模態(tài)相對于標準彈簧的變化量。

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

（2）當彈簧的自由長(cháng)度變化，剪應力相對變化值和米塞斯應力的變化幅值并未超過(guò)臨界值10%，這表明預設的整體偏差值比較合理。

（3）當彈簧自由長(cháng)度正向逐漸增大時(shí)，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(mén)彈簧最大剪應力相對變化趨勢

圖8  負偏差氣門(mén)彈簧I階模態(tài)變化趨勢

 

 

總結：

 

      基于實(shí)驗和仿真研究，本文提出了調整氣門(mén)彈簧節距的方法，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(lái)確定彈簧整體的偏差預設值。正、負偏差條件下分別計算節距和彈簧整體自由長(cháng)度的關(guān)系。在預設整體偏差條件下，這些規則可以運用于每個(gè)節距的調整，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。結果表明：

（1）最大米塞斯應力和剪應力隨著(zhù)自由長(cháng)度偏差量的增大而增大，氣門(mén)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(cháng)度正偏差量不能超過(guò)2.5 mm，設置的所有負偏差量都滿(mǎn)足要求。因此，在彈簧制造生產(chǎn)過(guò)程中預設2.0 mm的偏差量是符合質(zhì)量要求的。以后可以進(jìn)一步實(shí)驗，對不同規格的彈簧進(jìn)行研究，得到彈簧自由長(cháng)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(guò)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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