摘 要：柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中的氣門(mén)橫臂做上下運(yùn)動(dòng)，控制氣門(mén)的開(kāi)啟與閉合，是氣門(mén)啟閉的重要傳力部件之一。氣門(mén)組件上安裝氣門(mén)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以改善氣門(mén)的工作狀態(tài)。本文針對(duì)氣門(mén)橫臂和氣門(mén)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的安裝干涉問(wèn)題進(jìn)行分析，提出氣門(mén)橫臂結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施，并用有限元軟件對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行力學(xué)分析，通過(guò)結(jié)果對(duì)比分析，綜合考慮強(qiáng)度、剛度、制造的工藝性及氣門(mén)組件的動(dòng)力性，選擇合理的改進(jìn)方案并裝機(jī)驗(yàn)證，新的氣門(mén)橫臂與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)配合無(wú)干涉，且氣門(mén)橫臂運(yùn)行良好，工作可靠。

關(guān)鍵詞：氣門(mén)橫臂 安裝干涉 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

Abstract：The valve cross arm in the diesel engine gas distribution mechanism moves up and down to control the opening and closing of the valve， which is one of the important force transmission components for valve opening and closing. Installing a valve swivel mechanism on the valve assembly can improve the working condition of the valve. This paper analyzes the installation interference problem of valve cross arm and valve rotating mechanism， puts forward valve cross arm structure improvement measures， and uses finite element software to analyze the mechanical analysis of the design scheme. And through the comparative analysis of the results， the article comprehensively considers the strength， stiffness， manufacturing processability and dynamic nature of the valve assembly， and selects a reasonable improvement scheme and installs it for verification. the new valve cross arm and the rotating mechanism cooperate without interference， and the valve cross arm runs well and works reliably.

Key words：valve crossarm， mounting interference， structural improvement

1 引言

柴油機(jī)在長(zhǎng)期運(yùn)行后，特別是長(zhǎng)時(shí)間在高負(fù)荷或低轉(zhuǎn)速狀態(tài)工作時(shí)，由于燃燒不良等情況發(fā)生，氣門(mén)錐面會(huì)存在積炭，發(fā)生磨損不均等現(xiàn)象，并導(dǎo)致氣門(mén)密封不嚴(yán)。而安裝氣門(mén)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使氣門(mén)在工作過(guò)程中產(chǎn)生緩慢的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，既可使氣門(mén)溫度均勻，也可將錐面及氣門(mén)桿上的積炭擦掉[1]。不但可以改善氣門(mén)桿的潤(rùn)滑條件，而且對(duì)于改善氣門(mén)座及導(dǎo)管的導(dǎo)熱性是有利的，避免氣門(mén)和座圈的過(guò)早磨損和失效。進(jìn)而有提高燃油效率及降低排放[2]的效果。國(guó)外先進(jìn)的機(jī)車(chē)柴油機(jī)上已安裝氣門(mén)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，隨著節(jié)能減排的要求越來(lái)越高，國(guó)內(nèi)某大功率機(jī)車(chē)柴油機(jī)上正考慮應(yīng)用此技術(shù)。

本文中的氣門(mén)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為保證在現(xiàn)有的安裝空間下和氣門(mén)彈簧上座實(shí)現(xiàn)互換而設(shè)計(jì)的，廠家根據(jù)氣門(mén)彈簧上座結(jié)構(gòu)已制造出氣門(mén)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。筆者此時(shí)進(jìn)行氣門(mén)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的安裝，在車(chē)間組裝時(shí)發(fā)現(xiàn)氣門(mén)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與氣門(mén)橫臂側(cè)臂下部干涉，無(wú)法安裝應(yīng)用。在裝配圖上發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的罩蓋和已有氣門(mén)橫臂的兩側(cè)臂干涉，考慮到氣門(mén)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)罩蓋機(jī)構(gòu)更改余地小，為解決干涉問(wèn)題，本文對(duì)氣門(mén)橫臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)為保證改動(dòng)后氣門(mén)橫臂的強(qiáng)度、剛度與原氣門(mén)橫臂相比變化不大，本文用有限元軟件對(duì)氣門(mén)橫臂進(jìn)行強(qiáng)度模擬計(jì)算。

2 氣門(mén)橫臂和氣門(mén)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)干涉情況分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

現(xiàn)場(chǎng)組裝時(shí)發(fā)現(xiàn)氣門(mén)橫臂和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)干涉，導(dǎo)致氣門(mén)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在柴油機(jī)上無(wú)法安裝。為深入了解干涉情況，對(duì)氣門(mén)橫臂和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的裝配圖進(jìn)行校核，下圖1是校核后的裝配圖。

從圖1可見(jiàn)，兩裝配件的最小距離出現(xiàn)在氣門(mén)橫臂的側(cè)臂下部和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的上罩蓋附近，間隙值為1.8mm，而氣門(mén)橫臂側(cè)臂下部由于拔模斜度而增加的厚度為1.5mm左右，實(shí)際裝配間隙只有0.3mm左右，這樣的裝配間隙值無(wú)法保證兩裝配件不干涉。

因氣門(mén)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)小且緊湊，且與氣門(mén)橫臂干涉的上罩蓋的結(jié)構(gòu)更改余地不大，本文對(duì)氣門(mén)橫臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，因氣門(mén)橫臂與多種零部件配合，需要最少的改動(dòng)原結(jié)構(gòu)，本文決定僅通過(guò)改變氣門(mén)橫臂側(cè)臂形狀來(lái)滿足配合間隙的要求，同時(shí)兼顧優(yōu)化氣門(mén)橫臂的結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)多種設(shè)計(jì)方案的對(duì)比分析，最后選擇如圖2所示的三種方案。

方案一：用R30的上拱圓弧來(lái)增加裝配間隙；方案二：先用R9圓弧，再用直線連接；方案三：先用直線，然后用R15的圓弧，再用直線連接。在裝配圖上分別對(duì)三種結(jié)構(gòu)的裝配間隙進(jìn)行校核，考慮拔模斜度后的裝配間隙均在2～3mm左右，根據(jù)裝配經(jīng)驗(yàn)，間隙尺寸合理，可以保證裝配不干涉。

注：為了下面計(jì)算分析方便，三種方案筋板區(qū)均未考慮減重凹槽。

3 氣門(mén)橫臂結(jié)構(gòu)仿真分析

為了確定結(jié)構(gòu)改動(dòng)對(duì)氣門(mén)橫臂強(qiáng)度、剛度的影響，本文進(jìn)行了相應(yīng)的強(qiáng)度仿真計(jì)算，包括：原結(jié)構(gòu)和三種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案的強(qiáng)度計(jì)算。選擇氣門(mén)橫臂受力最大的狀態(tài)進(jìn)行強(qiáng)度分析。此時(shí)氣門(mén)橫臂頂部受搖臂向下的壓力，橫臂兩端受氣門(mén)彈簧向上的回復(fù)力，二者達(dá)到平衡，受力簡(jiǎn)圖[3]如圖3所示。在ANSYS中對(duì)氣門(mén)橫臂進(jìn)行加載計(jì)算。原方案和三種設(shè)計(jì)方案的強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

為方便對(duì)各種設(shè)計(jì)方案計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)主要部位的計(jì)算結(jié)果總結(jié)如表1所示。

表1中的左、右臂最大應(yīng)力位置相同，頂部最大應(yīng)力位于頂部圓柱與側(cè)臂的過(guò)渡圓角處，最大變形位于右臂的外邊緣處。原設(shè)計(jì)總體應(yīng)力較小，局部應(yīng)力大，應(yīng)力集中在右臂斜筋與右邊圓柱相接處。

方案一總體應(yīng)力分布比較均勻，最大應(yīng)力在頂部圓柱與側(cè)臂的過(guò)渡圓角處。但此處為壓應(yīng)力，對(duì)鍛件來(lái)說(shuō)，受力情況相對(duì)比較安全。最大變形值相對(duì)不大。方案二應(yīng)力集中在R9圓弧與直線相接處，因此R9圓弧和直線的過(guò)渡區(qū)域工藝要求相對(duì)較高。方案三應(yīng)力集中在R15圓弧中間部位，有利于分散應(yīng)力，但應(yīng)力值偏大，若在裝配間隙合理情況下對(duì)中間圓弧增大半徑，可以使應(yīng)力值下降，但加之此方案?jìng)?cè)臂過(guò)渡段較多，圓滑過(guò)渡要求較高，對(duì)工藝要求高。

綜上，從應(yīng)力和工藝方面考慮選擇方案一，同時(shí)方案一的變形相對(duì)比較小，剛性相對(duì)較好，且與原設(shè)計(jì)的剛性相差不大。

4 氣門(mén)橫臂側(cè)臂部位凹槽結(jié)構(gòu)的考慮

原設(shè)計(jì)在側(cè)臂中間過(guò)渡區(qū)有凹槽，因而對(duì)方案一中側(cè)臂部位加凹槽進(jìn)行仿真計(jì)算分析。方案一（帶凹槽結(jié)構(gòu)）的局部視圖如圖5所示，氣門(mén)橫臂的左臂和右臂形狀一致。方案一（帶凹槽結(jié)構(gòu)）的應(yīng)力分布如圖6所示，主要部位的計(jì)算結(jié)果總結(jié)如表2所示。

表2中的左、右臂最大應(yīng)力位置相同，頂部最大應(yīng)力位于頂部圓柱與側(cè)臂的過(guò)渡圓角處，最大變形位于右臂的外邊緣處。對(duì)方案一（帶凹槽結(jié)構(gòu)）和方案一的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，可見(jiàn)帶凹槽結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形均比無(wú)凹槽結(jié)構(gòu)的大，說(shuō)明氣門(mén)橫臂的強(qiáng)度和剛度皆因凹槽結(jié)構(gòu)存在而減弱。從工藝方面考慮，由于凹槽結(jié)構(gòu)的圓角尺寸小，對(duì)模鍛工藝要求反而高。

同時(shí)氣門(mén)橫臂受力情況復(fù)雜，在柴油機(jī)工作中一直承受交變載荷，為使設(shè)計(jì)改動(dòng)對(duì)部件安全性能影響較小，本文選擇不帶凹槽方案，它的強(qiáng)度、剛度相對(duì)較高，同時(shí)質(zhì)量與原設(shè)計(jì)相差不大，對(duì)氣門(mén)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的整體動(dòng)力性影響較小。

5 裝機(jī)應(yīng)用情況

該改進(jìn)方案生產(chǎn)組裝應(yīng)用后，機(jī)車(chē)柴油機(jī)工作中運(yùn)作狀態(tài)良好，新的氣門(mén)橫臂在長(zhǎng)期使用中，均能可靠工作。驗(yàn)證了此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。新的氣門(mén)橫臂裝機(jī)應(yīng)用如圖7所示。且此類結(jié)構(gòu)的氣門(mén)橫臂后續(xù)已應(yīng)用在其他機(jī)型的柴油機(jī)上，均工作情況良好，運(yùn)行可靠。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)氣門(mén)橫臂和氣門(mén)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的裝配干涉進(jìn)行分析，保證裝配間隙合理的情況下，確定初步結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。應(yīng)用強(qiáng)度計(jì)算對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行強(qiáng)度、剛度分析，通過(guò)結(jié)果對(duì)比分析，同時(shí)考慮減少制造工藝的投入及對(duì)氣門(mén)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力性的影響最小，最終確定改進(jìn)方案，很好地保證了零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，裝機(jī)應(yīng)用驗(yàn)證了氣門(mén)橫臂結(jié)構(gòu)的功能性和可靠性。零件制造的工藝特點(diǎn)需要在設(shè)計(jì)時(shí)考慮，如本文中原氣門(mén)橫臂的拔模斜度引起氣門(mén)橫臂厚度的增加，造成原氣門(mén)橫臂與氣門(mén)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的干涉問(wèn)題。該改進(jìn)方案的確定過(guò)程綜合考慮了零件的功能性、生產(chǎn)中的工藝性及運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)力性，最終實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)結(jié)構(gòu)的可靠工作。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介

張小嬋：（1983.10—），女，漢族，河南南陽(yáng)人，碩士研究生，工程師。研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。