内燃机进气门配套圆柱螺旋弹簧结构

在往复式内燃机的配气机构里，这类弹簧是保证气门精准回位、密封燃烧室的核心弹性元件，日常做配气机构动力学仿真、气门组件装配校核的时候，这类弹簧的三维数模是必不可少的基础参考。实际装机运行时，它需要克服气门机构在往复运动中产生的惯性力，避免气门和传动件之间出现脱开、跳齿的问题，同时要保证气门在关闭状态下能紧密贴合气门座圈，防止燃烧室出现漏气、压力不足的故障。做这类弹簧的结构设计时，首先要匹配配气凸轮的型线升程特性，弹簧的刚度不能选得过大，否则会额外增加凸轮轴、挺柱这些传动件的接触应力，加剧零件磨损，缩短整机的保养周期；刚度也不能过小，不然高转速工况下气门会出现飞脱现象，直接打乱配气正时，甚至出现气门撞击活塞的严重故障。从结构形式上看，这类弹簧采用等节距圆柱螺旋设计，两端都做了并圈磨平处理，安装时磨平的端面可以和弹簧座、气缸盖的安装平面完全贴合，避免弹簧受载时出现偏斜、侧向力额外加载在气门杆上的问题，减少气门杆和导管之间的偏磨风险。设计阶段还要充分考虑安装边界的约束，弹簧的外径要和气缸盖上的弹簧安装沉孔保留合理的径向间隙，避免发动机运行过程中弹簧出现径向颤动剐蹭沉孔壁，产生异响或者额外磨损；弹簧的内径要和气门杆的外径、弹簧座的定位凸台尺寸匹配，保证弹簧压缩过程中不会和气门杆发生运动干涉，同时定位可靠不会出现径向窜动。弹簧的自由长度、并紧高度这些参数，要和气门的最大升程匹配，保证气门达到最大开度时，弹簧的压缩量不会超过材料的许用变形量，避免弹簧出现并圈冲击，同时预留足够的预紧力余量，抵消怠速、急加速等不同工况下的惯性力波动。做三维建模的时候，要准确还原弹簧的螺旋升角、有效圈数、两端并圈的过渡结构，不能简单用等直径螺旋线直接扫掠就完成建模，要把两端磨平后的端面结构、并圈位置的丝径贴合状态都还原出来，这样后续做装配干涉检查、有限元应力分析的时候，结果才会和实际工况贴合。这类弹簧除了用在车用内燃机上，在通用小型汽油机、柴油机的配气机构里也有广泛应用，不同排量、不同额定转速的发动机，对弹簧的丝径、有效圈数、刚度参数要求差异很大，建模时要结合具体的装机工况调整参数，不能直接套用通用弹簧的尺寸。实际装配过程中，弹簧是套在气门杆外侧，一端抵在气缸盖的弹簧承台上，另一端抵在固定于气门杆尾端的弹簧座上，通过锁片实现弹簧座和气门杆的刚性连接，气门开启时凸轮推动挺柱、推杆、摇臂压下气门，弹簧被压缩储存弹性势能，凸轮转过升程段后，弹簧释放弹性势能拉动气门回位，完成一个工作循环。建模时还要考虑弹簧在工作中的动态变形特性，高转速下弹簧自身会出现 surge 颤振现象，所以结构设计时有时候会采用不等节距或者双弹簧嵌套的设计，但本次的结构是单等节距弹簧，多用于转速相对较低的中小排量内燃机，这类弹簧的加工工艺更成熟，制造成本更低，维护更换也更方便。做装配校核的时候，要模拟气门从全关到全开的全行程，检查弹簧在最大压缩状态下的并圈间隙，确认相邻簧圈之间不会发生刚性碰撞，同时检查弹簧压缩过程中，簧圈的变形范围不会超出安装沉孔的边界，不会和周边的喷油器、火花塞、气道结构发生空间干涉。弹簧的端面磨平长度通常要达到一圈丝径周长的四分之三以上，端面粗糙度也要控制在合理范围，这样才能保证安装后弹簧的受力轴线和气门杆轴线重合，避免出现侧向分力导致气门运动卡滞。