第一章 氣門設計及其熱處理工藝

1、1 重慶大東隆騰汽車摩托車重慶大東隆騰汽車摩托車氣門制有限公司氣門制有限公司氣門設計氣門設計、門線加工工藝、門線加工工藝、氣門門線失效問題分析探討氣門門線失效問題分析探討編著：蔡時賢校對：劉小燕制作：趙普徐2007-5-252l參考文獻：參考文獻：l 1：Failnre of Materrials in Mechanical Design AnalYsis Predicfion Preventionl（機器設計中材料失效、分析、防止、預測）（機器設計中材料失效、分析、防止、預測）l 2：耐磨材料手冊耐磨材料手冊l 3：摩托車發(fā)動機檢修問答摩托車發(fā)動機檢修問答l 4：高等學校交流講義：高等學校交

2、流講義：金屬機械性能金屬機械性能l 5：金屬熱處理手冊金屬熱處理手冊l 6：熱處理手冊：熱處理手冊第二冊第二冊l 7：破斷故障金相分析破斷故障金相分析l 8：兵器工業(yè)部西南兵工局干部教育培訓教：兵器工業(yè)部西南兵工局干部教育培訓教材：材：摩托車與技術摩托車與技術3第一章第一章 氣門設計及其熱處理工藝氣門設計及其熱處理工藝l一一 氣門的工作條件及設計要求氣門的工作條件及設計要求.l1 氣門在發(fā)動機配氣系統(tǒng)中是一個關鍵部件,是用來打開或關閉進排氣道,是保證發(fā)動機可靠性和耐久性的主要部件.氣門工作條件極其嚴酷，承受全體壓力的沖擊,氣門頭部直接與高溫高壓氣門體接觸，不僅受熱，而且受腐蝕，散熱條件很差，如

3、圖1所示：4圖1E硬化部分尾部D焊接部份C排氣沖擊頂部ABV-8轎車3500r/minV-8貨車4000r/min圖-1 典型汽車排氣閥危險區(qū)及溫度分度狀態(tài)710712710682638613593593583721732710771782796810840796780771743763757738704704727738743757 7617716606816136386136136386028107967825l1） 閥的最高溫度在閥的頭部和頸部（A ，C區(qū)），汽油發(fā)動機氣閥最高溫柴油機氣閥最高溫度在A區(qū)。這些部位要求高的熱強度和良好的耐腐蝕性。l2） 與閥座接觸的閥面（B）區(qū)是閥的又一個

4、危險區(qū)，該區(qū)要求抗熱腐蝕，熱疲勞，熱磨損等綜合性能。l閥桿與閥端（D，E）均屬熱磨損區(qū)，該區(qū)要求優(yōu)越的減摩和耐磨性能。l排氣閥的損壞形式主要是閥面燒損，閥盤的疲勞碎裂和閥桿斷裂。l不僅受熱,而且受腐蝕.散熱條件很差.如圖:(1)l 因此這一運動排氣尤其為嚴格.其局部最高溫度可達800900,氣門落座時產(chǎn)生且承 很大的沖擊載荷,對氣門來說還要承受廢氣的高速沖刷,在這樣嚴酷工作條件下,氣門經(jīng)常出現(xiàn)變形、腐蝕、燒傷.氣門座的磨損、氣門斷裂等故障.62 氣門設計的基本要求:l原則上有下列考慮:lA: 為了保證有足夠的進氣量,在缸頭布置允許的條件下,頭部直徑應盡可能大些,并盡可能減少氣體流動阻力.lB:

5、 結(jié)構簡單,在保證足夠強度和剛度的條件下,盡量減輕重量.lC: 盡可能降低熱負荷,主要是與汽缸頭的設計配合,改善散熱條件.lD: 應選擇強度高.耐熱、耐腐蝕的材料.對排氣門的材料要求耐高溫.7二二 氣門的構造設計氣門的構造設計氣門結(jié)構兩部組成:氣門頭部和桿部.l1 氣門頭部形狀設計l通常氣門頭部有三種結(jié)構形成:平面頭部、凹面頭部和凸面頭部.如圖(2)示:圖2-氣門頭部形狀8l三種結(jié)構形式特點如下:la、平面氣門頭部的特點是:幾何形狀簡單,工藝性好受熱面小,適應于大量系列化生產(chǎn).因此被廣泛采用.為了減輕重量其桿部到頭部的半徑較小,運動流動阻力增大.lb、凹面頭部(窩子)的特點:桿部到頭部的圓弧半

6、徑較大,流動阻力小,剛度適中,但工藝較難,受熱面大,適用于高速強化發(fā)動機.JH70、JH145等都采用這種結(jié)構lc、凸面頭部的特點是:比較適應于氣體從汽缸流動的流線.剛度好.常用于高速強化發(fā)動機的排氣門或某些裝冷卻劑氣門(簡稱空心氣門)例:德國的奔馳、寶馬車空心氣門內(nèi)裝固體鈉金屬做冷卻劑.9l2 頭部直徑l氣門頭直徑一般是希望盡可能取得大些,以便保證良好的進、排氣效果.在確定氣門頭部直徑時,考慮到汽缸和燃燒時系統(tǒng)布置和形狀尺寸限制.此處當氣門頭部過大,則會靠近汽缸頭燃燒處的鼻梁(燃燒室內(nèi)溫度最高而熱強力最大的區(qū)域)，一般發(fā)動機頭部直徑D=(0.320.15)D其中D為汽缸直徑設計中考慮佳值.l

7、一般排氣門頭部直徑比進氣門直徑要小10%-20%，排氣門頭部直徑略小還能改善其受熱狀況.10l注意:在不確定氣門頭部直徑D時,還應該考慮到,為了保證密封錐面磨損后仍能可靠的密封, 由于氣門錐面硬度低于氣門座硬度,氣門磨損較快的情況下氣門直徑D等于或小于氣門座密封面的最大直徑D。且坐圈寬度1.52mm，見圖3示: bca磨損后hmHdd1dd1=d-2ed圖3-氣門密封錐面與氣門座的配合氣門的氣體通路截面he11l見圖3(b)(c),否則按圖3(a)設計,就不能保證長期密封.故此這種結(jié)構使氣門密封錐面在磨損后出現(xiàn)臺階,但是相反,如果工作中氣門座磨損大于氣門,就應該設計成dd1 如圖3(a).注意

8、!為了考慮錐仰角,設計應該考慮到換件方便.必須考慮避免缸頭座圈磨損,設計氣門錐面硬度略低于缸頭座圈硬度,保證排氣門錐面上堆焊能承受高溫磨損、耐腐蝕、耐熱疲勞、耐氣流沖刷侵蝕的鈷基合金，也保證氣門使用壽命,到一定情況下,氣門被磨損后,缸頭座圈不會磨損,只換氣門不換汽缸頭.12l3 氣門頭部密封錐面斜角:l當氣門的升程H不太大時氣門頭部密封錐角對氣體的流動有影響.此時作為氣體通路截面是一個側(cè)表面,如圖3（d）所示.它的小底直徑是d,大底直徑是d1=d+e,而母線長。h=hmcos，通路截面積fm=h(d1+d)/2.因為e=hsin。所以，fm=(dcos+hmsincom2)hmcos。（1）。

9、當=0時，fm=hmd,只有這時通路截面一個圓柱形的側(cè)表面，如果氣門升程hm的數(shù)值一定，從上式（1）可知，隨著角的加大，通路截面積減小，摩托車的氣門頭部密封錐后角一般都是45或者30。l 13l當氣門開大，開程hm達到某一值時氣門側(cè)面的通路截面就等于喉口的截面積，再增大開程對氣流的流通將不再有顯著影響。這個升程值hm分別為=45時，hm=0.31d；=30時，hm=0.26d。因此本公司CG125為例:外圓d1=29.d=26.2.所以,hm=0.3126.2=8.122.摩托車上氣門最大的升程為1/4左右,且進排氣門的升程取同樣的數(shù),故hm=1/426.22=6.55.（經(jīng)驗公式）。 所以本

10、人認為CG125進排氣門hm=6.55-17.00之間取。同時活塞上有一個半圓弧斜凹面，高接近。如果hm計算近似值不是最佳值，就有可能產(chǎn)生頂缸，氣門與設計活塞接觸，加上缸蓋上紙墊厚度都要嚴格控制，如果紙墊薄厚都要考慮氣門最大升程，紙墊薄超差，更易產(chǎn)生頂缸概率。這個問題，原嘉陵廠發(fā)動機設計專家某某某曾經(jīng)論證過頂缸概率，這是發(fā)動機設計理論討論的問題。14l4 氣門的封密性和傳熱性要求：l（1）為了保證密封和傳熱，在氣門和氣門座的座合表面（即密封面）間應有足夠的座合壓力。由于沿軸向作用在氣門上的關緊力p與此產(chǎn)生的環(huán)繞錐面分布的法向力N之間關系如圖4所示。N=P/cos (a)(b )PNh ah t

11、h m圖4氣門頭部密封錐面斜角15l（2）P是由于裝配氣門上的 B 回位彈簧，氣門彈簧還增大氣門對氣門座的壓力,提高對氣門的密封作用。一般氣門驅(qū)動機構各構件間，一般是能傳遞壓力，不能傳遞拉力，所以氣門機構必須用回位彈簧維持機構各零件的正常接觸。l配氣機構傳動件的往復運動使氣門彈簧受交變負荷力，它們在負加速度段，工作期的慣性力會使機構脫開，凸輪運動的諧振動又會激起氣門彈簧顫振，會使氣門彈簧應力幅度增加，而有效彈力減小，致使氣門反跳。因此要求彈簧力始終大于機構慣性力（是加速度及附加諧振產(chǎn)生）要求彈簧顫振減小，保證機構正常運行。16l為了使氣門與慣性力曲線匹配良好，降低彈簧應力，采用兩個左旋（內(nèi)）和

12、右旋（外）彈簧組。lJH70氣門彈簧計算力為：l內(nèi)彈簧全開 P1=117.212N（彈簧壓縮10mm）l P2=20514N（彈簧壓縮16mm）l外彈簧全開 P2=956.7N(彈簧壓縮16mm)l P1=555.5N(彈簧壓縮10mm)17l為了保證密封性，同時考慮彈簧對氣門運動作用壓力，保證氣門即時封閉。因此氣門失效與彈簧力失效也有關，這一點是編者提出考慮的問題。l因此當P值一定時，則氣門頭部密封錐面斜角越大，座合表面間的座合力就越大，采用大也有利于清除沉積在封密面上的積炭和雜質(zhì)，這是由于氣門回落時的軸向位移hm可以看作是兩個分位移之和，兩表面間相互接近的位移hd=hmcos和兩表面間的相

13、對平移ht=hmsin，見圖4（b）.隨角的增大而增大，它起著抹去上述積炭和雜質(zhì)的作用。l但對于缸內(nèi)氣壓較高的增壓式發(fā)動機來說，氣門所受到的軸向載荷也是很大時，選用較小的比較合適，以便減少座合錐面的磨損及由此所產(chǎn)生的氣門下陷，增壓式發(fā)動機一般=30或更小的密封錐面斜角。18l4 氣門的座合及寬度l當氣門的硬度與氣門座的硬度接近匹配時，故兩者配合情況如圖5所示：圖5-氣門密封錐面的實際接觸情況bb氣門座0.5-1氣門19l即使是氣門密封錐面并不是以全寬與氣門座配合的，實際接觸寬度b要比b小得多，而b越寬，越利于散熱。但b過大時，工作面比壓下降，沉積于氣門與氣門座密封錐面的雜物和硬顆粒就不能很好輾

14、碎，妨礙密封性。因此，密封帶寬度取適中值，一般當d=2032mm，b=0.70.9mm；當d=3335mm時，b =1.62.4mm；當d=35mm時，b=2.42.8mm。為了保證密封可靠，只允許錐面斜角大0.51.0，即使是負角，通過公司調(diào)整角度公差45+12/+4按磨凡爾線減角允差，保證不存在研磨氣門缸頭座圈措施來實現(xiàn)密封性。同時保證圓度達到3m之內(nèi)，而不允許有相反的關系。如圖5所示，為了密封性，氣門頭部密封錐面對桿部圓柱面的跳動為0.030.04mm氣門密封錐面一般取為b=(0.05-0.12)d為適合。20l5 氣門頭錐部厚度及背錐角設計要求l如圖6所示是氣門頭部厚度大及背錐角B示意

15、圖。氣門頭部厚度大對氣門剛度影響較大，設計時希望在不太大的重量下能得到較大的剛度。一般取t=(0.10.2)d0.氣門的背錐面td圖6-氣門頭部厚度t及背錐角示意圖 除影響氣門的剛度外，還影響進氣阻力。試驗表明，當=20左右時，氣流阻力最小。本公司承接印度艾斯考茨公司B03，B05，B26試制生產(chǎn)時，公司與森杰先生討論，試制中討論角度 的重要性 。有最大進氣流，減少進氣的阻力。如BO5的進氣門背錐角=20，排氣門背錐角=30時進排氣流達到最大值，改善氣門工作條件。21三 關于司太立合金（鈷基合金）的種類介紹l司太立合金在本世紀初1900年為美國人ElwoodHaynes所發(fā)明，這種以鈷鉻鎢為主

16、要元素的合金冷卻后是銀白色，熠熠發(fā)光恰是星星。在拉丁語中星星為Stella,故命名為Stella,以后Haynes把Stellite作為商標。我國則把它譯為司太立，定義為鈷鉻鎢合金。l1922年司太立合金用于硬面涂層，以解決內(nèi)燃機，隨后是噴氣發(fā)動機對材料的特殊需要。司太立合金的開發(fā)對航空，汽車，高溫化工業(yè)的發(fā)展做出了重要的貢獻。目前全世界每年耗用司太立合金大約1500噸，而其中1/3是用于內(nèi)燃機汽閥和其它閥門的堆焊上。221）支撐性能l司太立合金在高溫和常溫下有很好的抗磨擦和抗咬合能力。它們能保持；較高的光亮度，磨擦系數(shù)較低，在0.11-0.15之間，這要取決于司太立合金和與之相對應的相對磨擦

17、面的表面粗糙度，在與軟的黑色金屬材料磨擦時，司太立合金可能會產(chǎn)生傷痕，但與某些有色金屬能很好的配合。l司太立合金很好的抗磨擦性和抗咬合性在用作閥門和氣門的密封面時異常優(yōu)越。232）司太立合金的耐熱沖擊性l許多熱加工工 ，如熱沖斷模，熱剪刀等，由于溫度冷熱交變會引起爆裂，在這種場合下，熱沖擊性能就很重要，實驗方法，直徑12.7mm50.8mm的樣品端面，用經(jīng)精確調(diào)整的氧乙炔火焰加熱至試驗溫度，樣品達到了試驗溫度后，從火焰下取下放在水池中冷卻，這樣加熱和冷卻循環(huán)多次，直至在試驗面上產(chǎn)生爆裂。根據(jù)樣品加熱和冷卻循環(huán)次數(shù)，作為樣品耐沖擊能力，在650，800，950 時幾種司太立合金抗熱沖擊能力如圖2

18、：24536742200100初始開裂的熱淬周期數(shù)300650 8001400500950圖2 司太立 合金熱與 熱模鋼熱 淬周期曲線1，Stellite7 .2,Stellite3140 .3，熱模 鋼810油淬，500回 火。4:熱模鋼810油 淬，350回火 。5：Stellite8. 6：DeloroAlloy C .7:Stellite 6.圖 2：253）司太立合金的耐磨性l司太立合金堆焊層金屬間粘著磨損性能見表4，表中數(shù)據(jù)的測定方法是SAE4620鑄鋼（低鎳結(jié)構鋼）HRC30，做成圓輪，試樣貼在外圓上磨，轉(zhuǎn)速80r/min每個試樣總的行程為220m，對磨時試樣加以不同的載荷。表中

19、所列數(shù)字為試樣平均體積損失（mm3）l表4 司太立合金耐金屬間粘著磨損性能(平均體積損失mm3) 合金牌號 堆焊方法 壓力載荷(10N) 40.9 68.2 95.5 136.3 Stellite 6 氧乙炔 1.03 2.57 9.54 18.8 Stellite 6 鎢極氬弧 1.19 - 11.38 -26l司太立合金堆焊層耐磨粒磨損性見表5，數(shù)據(jù)測定方法是：堆焊層試塊貼在229mm橡膠輪外圓上，橡膠輪轉(zhuǎn)速200r/min，試塊加載荷13.6kg-，0.2-0.3mm砂粒，以380g/min喂入試塊磨擦面上，表中所列數(shù)據(jù)為試樣平均體積損失。 表5 司太立合金耐磨粒磨損性能(平均體積損失m

20、m3)l 合金牌號 堆焊方法 氧-乙炔 鎢極氬弧 等離子粉末 lStellite 6 29 63.8 6627l2 司太立合金的化學性能l1） 司太立合金在各種酸中的耐腐蝕性能lA、在硝酸和醋酸溶液中，所有的司太立合金在室溫下都有較強的耐硝酸和醋酸能力，司太立合金在常溫下變得惰性化，類似不銹鋼。28B、司太立合金的抗氣蝕性能l氣蝕磨損是一種含有固態(tài)顆粒的液體和氣體在材料表面快速流動時，形成的氣泡在高壓區(qū)時將發(fā)生產(chǎn)生超生波，這種施加于材料表面的反復作用會引起材料表面的疲勞損傷，產(chǎn)生麻點狀損傷。進而會成片脫落。環(huán)境的熱量和腐蝕，液流中固體顆粒的磨擦都會加速氣蝕的進程。這類氣蝕的例子有內(nèi)燃機氣閥，降

21、壓閥。汽輪機和燃氣渦輪葉片，排風機葉片，推進器葉片，泵推動器等。司太立合金能相當好地經(jīng)受上述惡劣氣蝕的環(huán)境。司太立合金的耐氣蝕性能可用許多方法測定。表8中所列的結(jié)果是這樣測出的：從直徑為0.8mm噴嘴噴出的噴進為22.2m/s的水流，射向6.35mm寬的樣品表面，頻率為3400次，樣品固定在旋轉(zhuǎn)的輪子上，輪子的轉(zhuǎn)速為1700r/minl表8 司太立合金耐氣蝕性能 牌號 試驗材料狀態(tài) 硬度(HV) 平均失重(%min)lStellite 6 鑄 420 410-429C、熱氣體對合金的侵蝕l蒸汽 司太立合金在高于538的過熱蒸汽中有極好的抗氧化性能，因而使它們得以廣泛應用于閥門中的墊片和磨擦密封面。l燃油 司太立合金在含有五氧化釩的燃油氣體中，在700800下進行的試驗表明，它的侵受率大約為0.025mm/100h，相比之下，18/8不銹鋼的侵受率為0.1020.13mm。25/20不銹鋼侵受率為0.102mm。l空氣 司太立合金在高溫下有