氣門的設(shè)計(jì)要求

1、氣門的設(shè)計(jì)要求1、氣門的工作條件在汽油機(jī)中，進(jìn)氣門溫度為300500C,排氣門溫度為600800C,甚至更高，尤其排氣門剛剛開啟時，氣缸內(nèi)壓力較高，氣門開度還小，高溫燃燒氣體以很高的速度(可達(dá)600m/s)經(jīng)氣門座和氣門縫隙排出，使氣門強(qiáng)烈地受熱和腐蝕。看到，排氣門頭頂面中心處、背面與桿部相交處的溫度最高，后者是由于高速排氣的的沖刷造成的。氣門所受熱量中大約有76%是經(jīng)氣門座散走的，其余24%是經(jīng)氣門桿部和導(dǎo)管傳走的。從氣門冷卻角度來說，必須保持氣門與氣門座的錐面間接觸良好并保持密封，否則，錐面就會由散熱通道變成受熱表面了。氣門以很高的頻率開啟和關(guān)閉時，氣門桿和氣門導(dǎo)管之間有摩擦。氣門在工作時

2、要承受落座沖擊載荷及燃?xì)鈮毫o予的靜負(fù)荷，這種靜負(fù)荷一般約為0.5MPa,沖擊負(fù)荷一般約為1.2MPa。2、氣門的設(shè)計(jì)要求對氣門的設(shè)計(jì)要求有以下幾點(diǎn)：2.1、 氣門的工作溫度是確定氣門材料的主要依據(jù)，在氣門工作溫度范圍內(nèi)，材料應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、韌性和表面硬度。2.2、 要求結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，頸部形狀恰當(dāng)，以減小氣體的流動阻力，增加進(jìn)氣充量。在保證足夠強(qiáng)度、剛度和耐磨性的前提下，氣門要輕。2.3、 盡可能降低熱負(fù)荷。氣門的設(shè)計(jì)與氣缸蓋的設(shè)計(jì)要密切配合，氣門座周圍必須加強(qiáng)冷卻，溫度盡量均勻，如果結(jié)構(gòu)允許，應(yīng)盡量增加導(dǎo)管長度，適當(dāng)減小氣門升程與導(dǎo)管的配合間隙，以降低氣門溫度。2.4、 氣門是配氣機(jī)

3、構(gòu)以凸輪開始的整個運(yùn)動鏈中的末端零件，氣門的設(shè)計(jì)必須從整個配氣結(jié)構(gòu)來考慮，避免氣門落座時承受過大沖擊和振動，因?yàn)檫@些機(jī)械負(fù)荷是造成氣門及氣門座磨損的原因之一。3、氣門的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)氣門屬配氣機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵基礎(chǔ)件，如上所示其主要結(jié)包括盤外圓、盤錐面、盤部厚度、頸部、桿部及鎖夾槽等部分。盤外圓D為了獲得最佳容積效率，氣門頭部直徑通常是越大越好，但因受燃燒室間的限制，進(jìn)氣門直徑為氣缸直徑的4248%。即td=(0.420.48)D.一般來說考慮到吸氣作用，進(jìn)氣門直徑要比排氣門大1520%，以改善充氣效率，即：'td=(0.80.85)td通常允許氣門頭部外圓伸出已精加工的氣門座之外約0.51.0m

4、m，氣門盤外圓通常為氣口直徑的1.15倍，這樣可以使氣門座有足夠的寬度以利于氣門頭的傳熱。錐面角度a氣門頭部的密封錐面有30。和45。兩種，較大錐角可提高氣門頭部邊緣的剛度，保證氣門錐面與底座良好的自動對中作用和密封面的較大比壓，利于輾壓積炭。大多數(shù)氣門設(shè)計(jì)都采用45。錐面角，實(shí)踐證明，45。錐面角不但能提供良好的密封性，而且能夠滿足氣門座合的耐磨性要求。錐面積炭比較厚的柴油機(jī)，一般都用45。錐面角，由此可以獲得較好的座合和較高的座合壓力而不必減少密封面積，這樣積炭就容易被壓扁或擦掉。氣門與氣門座合面寬度約為1.53.0mm，氣門座圈的錐角應(yīng)比氣門密封錐面略大0.5°1°(

5、如上圖)，這可形成一條較窄的座合面密封帶，提高座合壓力，限制積炭層厚度，改善熱傳導(dǎo)。氣門錐面寬度一般為盤外圓td的0.050.12倍，即：(0.050.12)td。盤部厚度H為保證氣門頭部有足夠的剛性和盡可能輕的質(zhì)量，在設(shè)計(jì)中應(yīng)合理選取盤厚H尺寸，據(jù)資料表明，本設(shè)計(jì)中的爆發(fā)壓力為7.6MPa,氣門盤直部厚度H為其徑td的0.1倍即可滿足剛度要求。即H=0.1td。頸部過渡錐角3和過渡半徑R氣門頸部過渡錐角3和過渡半徑R的大小對氣流有很大的影響，錐角3應(yīng)保證氣流的圓滑過渡，但更重要的是能夠保證氣門頸部表面各處的應(yīng)力分布均勻。一般來說，排氣門的過渡錐角3及過渡半徑R比進(jìn)氣門要大些。R尺寸按(0.2

6、0.5)td計(jì)算，3值一般為15°30°另外在均布壓力作用下，氣門頭的變形主要發(fā)生在盤外緣，在H一定情況下，氣門頭的剛性主要取決于3和R的大小。R=(0.20.5)td,桿部直徑d氣門桿部直徑主要是根據(jù)排氣門的耐久性要求確定，進(jìn)氣門頭部直徑與桿部直徑的比值一般為(4.55.5)：1，為方便氣缸蓋加工，進(jìn)排氣門導(dǎo)管直徑一般是相同的，進(jìn)排氣門也通常采用相同的桿部公稱尺寸，在實(shí)際設(shè)計(jì)中氣門直徑一般按7、飛、一9、一9.5、-10、_11、_12等選取。常用的氣門桿部與導(dǎo)管的配合間隙：進(jìn)氣門為0.040.08mm，排氣門為0.050.09mm,由于氣門與導(dǎo)管之間的間隙將影響氣門桿與

7、氣門頭圓滑過渡處的氣門強(qiáng)度，因此最小間隙應(yīng)選擇為使氣門桿在導(dǎo)管中沒有卡住的危險，氣門桿與導(dǎo)管之間的間隙，應(yīng)使之在最高工作溫度下，能夠保留潤滑油膜，間隙增大促使氣門桿部溫度提高和積炭，這些都會使?jié)櫥Ч陆担?dǎo)致氣門桿部的擦傷與磨損。氣門頸部形狀設(shè)計(jì)鎖夾槽在氣門卞f端部，自搖臂傳來的偏心壓力和氣門與搖臂的摩擦力使氣門桿部產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，慣性載荷與氣門彈簧力疊加的作用加上氣體壓力，容易造成氣門鎖夾槽薄弱斷面處疲勞強(qiáng)度儲備不足。氣門鎖夾槽的設(shè)計(jì)方式有錐槽、方槽和圓弧槽三種（如圖所示）。其中圓弧槽又可分為單道、雙道及多道圓弧槽，單道圓弧槽的結(jié)構(gòu)形式實(shí)際上可適用于任何桿徑的氣門，這種設(shè)計(jì)與錐槽和方槽相比

8、的主要優(yōu)點(diǎn)是圓弧槽減少了缺口敏感性；雙道槽的圓弧形面具有較低的缺口敏感性，而且兩槽能產(chǎn)生附加的抗剪切力；多道槽（3-4道）設(shè)計(jì)形式除具有雙道圓弧槽的優(yōu)點(diǎn)外還便于在裝配時使鎖夾和鎖夾槽相互對接，而不單是用于夾緊氣門桿，這種鎖夾裝置靠槽與鎖夾的凹、凸緣之間的接觸面來支撐氣門，使氣門處于旋轉(zhuǎn)的自由狀態(tài)，而不受鎖夾和鎖帽組裝的制約，這類鎖夾要表面淬硬，而且氣門桿的鎖夾槽表面也要完全淬硬，以保證鎖夾槽與鎖夾的凹、凸緣接觸面的耐磨性要求。對于有些機(jī)型，有時在氣門桿靠近鎖夾槽處車出一道環(huán)槽安裝彈簧卡圈，當(dāng)氣門桿自鎖夾槽處斷裂時，卡圈被氣門導(dǎo)管擋住，氣門不致掉入氣缸中?？ㄈΠ疾鄣奈恢脩?yīng)能保證氣門的下落量只比氣

9、門最大升程大12mm即可。氣門總長及桿部焊縫位置：氣門桿部長度取決于氣缸蓋和氣門彈簧的設(shè)計(jì)，一般總希望短一些，以便降低發(fā)動機(jī)的總高度通常氣門桿部長度為進(jìn)氣門盤外圓的2.53.5倍，或者為氣缸直徑為1.11.3倍。為便于加工,進(jìn)排氣門長度尺寸在設(shè)計(jì)中一般保持一致。大量試驗(yàn)證明，進(jìn)氣門最大升程?。?.260.28）td,排氣門最大升程?。?.30.35）'td時，換氣效果最佳。4、氣門材料在選擇氣門材料時，必須考慮工作溫度、腐蝕情況、沖擊載荷、氣門桿部和端面的耐磨性等，進(jìn)氣門溫度較低，常用材料為40Cr,負(fù)荷較高的為40Cr9Si2、4Cr10Si2Mo等；排氣門在高溫下工作，需特殊考慮。

10、馬氏體鋼一般氣門常采用鐵素體合金鋼，含碳量在0.38%0.80%之間，淬火后得到的馬氏組織能達(dá)到耐磨要求，這種材料的機(jī)械加工性能好，滑動性好，在工作溫度不超過650c的排氣門上廣泛采用，如4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo等。在強(qiáng)化程度較高的發(fā)動機(jī)中，由于熱負(fù)荷機(jī)械負(fù)荷高，因而對氣門錐面的耐磨、耐腐蝕性提出了更高的要求，這時可采用對焊氣門，這是一種頭部采用奧氏體剛、桿部采用馬氏體剛結(jié)構(gòu)的氣門，并采用摩擦焊或閃光焊來對焊。對焊氣門設(shè)計(jì)時應(yīng)注意：1）接口應(yīng)在氣門頭部應(yīng)力區(qū)之外，并離頸部弧中點(diǎn)附近的熱點(diǎn)遠(yuǎn)些；2）耐熱性較差的桿部材料不能受高溫燃?xì)獾那治g；3）焊接部位選在氣門全開接口與導(dǎo)管下端對齊或

11、略高為宜；4）焊接處的抗拉強(qiáng)度不應(yīng)低于基本材料的抗拉強(qiáng)度。4.2奧氏體鋼這類鋼在常溫和工作溫度下基本上全是奧氏體組織，高溫強(qiáng)度高，耐蝕性好，奧氏體鋼氣門最高工作溫度允許達(dá)到870C,一般常用的有21-4N、4Cr14N14W2Mo。5、氣門表面強(qiáng)化處理5.1滾壓滾壓能使金屬表面產(chǎn)生塑性變形，形成很大的殘余壓縮應(yīng)力，提高材料的疲勞強(qiáng)度和耐磨性。采用滾壓來避免氣門鎖夾槽處斷裂有顯著效果，桿部滾壓亦可提高耐磨性，還可降低氣門導(dǎo)管磨損，氣門錐面滾壓后粗糙度可達(dá)0.2以下，表面硬度可提高HRC68。滲鋁表面滲鋁能顯著改善抗氧化性、耐熱性和耐磨性。滲鋁的方法很多，較好的工藝是高頻加熱噴鍍鋁，即先在預(yù)熱線圈

12、中把氣門頭部加熱到300c左右，然后向錐面噴鋁并進(jìn)一步高頻加熱到7001000C,使噴鋁層部分或大部分形成鐵鋁合金層，鋁擴(kuò)散層厚度要求在1525m,最高達(dá)40m,鐵鋁合金層的維氏硬度略有提高。鍍銘對于在氣門導(dǎo)管內(nèi)滑動性能不良的氣門鋼（如奧氏體鋼），大多可在桿部鍍銘，鍍銘可以耐磨并不易積碳，桿部鍍銘層厚約0.030.04mm,鍍后精磨。氮化氮化對提高氣門的耐磨性和疲勞強(qiáng)度有顯著效果。由于滲氮層一般較薄，滲氮后可作微量磨削，不允許再作其它熱處理和切削加工，因此滲氮前零件要先精加工和調(diào)質(zhì)處理。為了在氮化過程中不影響材料的機(jī)械性能和零件精度，要求滲氮溫度一般為500570C,不能超過調(diào)質(zhì)處理中的回火溫度，氣門氮化多數(shù)采用低溫真空離子氮化或軟氮化。表面淬火用馬氏體耐熱鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼制成的氣門，一般采用表面淬火提高桿端的硬度，同時氣門桿表面和進(jìn)氣門錐面也可采用表面淬火提高耐磨性。6工藝過程中重要管理項(xiàng)目設(shè)定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理不一定就能有好的氣門質(zhì)量，加工過程中重要管理項(xiàng)目的設(shè)定是關(guān)鍵。所以，氣門組的錐面加工工裝精度一定要保證并要定期保養(yǎng)和檢查，而且要有檢查記錄、檢查表。加工刀具的壽命通過計(jì)算產(chǎn)品的CP（無偏移情況下的過程能力指數(shù)）和CPK（有偏移情況下的過程能力指數(shù)）確定換刀頻次并進(jìn)行管理，將刀具壽命、工裝保