柴油机气门弹簧的疲劳寿命预估

吴文江　郑明军　高占凤

（石家庄铁道大学　河北石家庄　050043）

柴油机气门弹簧的疲劳寿命预估

吴文江郑明军高占凤

（石家庄铁道大学河北石家庄050043）

气门弹簧是内燃机配气机构中气门组件的重要组成部分，它能确保气门组件的正常工作。为对某柴油机气门弹簧工作过程中的应力分布和疲劳寿命进行研究，利用MSC.Patran有限元软件对气门弹簧进行有限元分析，得出气门弹簧在各种工况下的应力分布情况，然后对其进行模态分析以检验共振情况，校核分析结果和设计要求。运用 ADAMS对配气机构进行动力学仿真，导出了疲劳分析所需要的载荷谱。然后运用疲劳分析软件Fatigue对气门弹簧进行疲劳寿命分析，评估进、排气门弹簧的疲劳寿命。最后搭建气门弹簧试验台架，进行试验研究，验证疲劳寿命理论分析结果。

螺旋弹簧气门弹簧有限元配气机构疲劳寿命

1　气门弹簧模型的建立

近些年来柴油机在车辆上的应用越来越广泛，然而随着柴油机强化程度的不断提高，其零件的疲劳破坏而引起的柴油机可靠性问题也日益突出。因此，在以柴油机作为动力的工程机械和轿车中，疲劳破坏导致的可靠性问题已成为柴油机发展面临的严峻挑战。

气门弹簧是柴油机气门组件的重要组成部分，其性能的好坏直接影响到配气机构性能的好坏。气门弹簧一般采用圆柱螺旋弹簧，通过对圆柱螺旋弹簧进行受力、变形和稳定性的分析，推导相关公式，为气门弹簧的建模和分析提供了理论基础。根据厂家提供的资料建立的气门弹簧实体模型如图1所示。

图1　气门弹簧模型

图2-1　进气门弹簧预紧力下应力云图

2　有限元分析和模态分析

采用有限元软件Msc.Patan对气门弹簧进行有限元分析，将气门弹簧的模型导入Msc.Patan，该气门弹簧的材料代号为VDCrSi（即55CrSi）。由气门弹簧的特性曲线得到进气门弹簧的预紧力为320 N，最大工作载荷580 N，按照相关实验的步骤和规定，进行非线性分析，将分析结果读入，查看应力和位移结果云图[3]。得出进气门弹簧在安装预紧力及最大工作载荷下的应力云图和轴向变形（位移）云图如图2-1至2-4所示。

图2-2　进气门弹簧预紧力下变形云图

图2-3　进气门弹簧最大工作载荷下应力云图

图2-4　进气门弹簧最大工作载荷下变形云图

图2-5　排气门弹簧预紧力下应力云图

排气门弹簧的具体分析步骤和进气门弹簧的分析过程基本相同，只是施加的预紧力和最大工作载荷分别为440 N和740 N。得出排气门弹簧在安装预紧力及最大工作载荷下的应力云图和轴向变形（位移）云图如图2-5至2-8所示。

图2-6　排气门弹簧预紧力下变形云图

图2-7　排气门弹簧最大工作载荷下应力云图

为了避免气门弹簧因共振导致的配气机构不能正常工作，保证发动机运转的平稳性和安全性，对气门弹簧进行模态分析。将模型导入后，按照相关实验的步骤和规定，设置上端弹簧座施加预紧力320 N，下端弹簧座固定，进行模态分析，查看分析结果。将分析结果读入，得到前10阶模态振型图，如图2-9所示。

图2-8　排气门弹簧最大工作载荷下变形云图

图3　配气机构动力学仿真图

图2-9　前十阶振型图

3　配气机构动力学仿真

配气机构的工作性能决定了发动机的工作性能，合理设计的配气机构可使发动机在实际工作中更可靠、平稳、耐久。本文研究的配气机构为凸轮下置式配气机构，由气门组和气门传动组两大部分组成[4-5]，配气系统气门弹簧相关力学参数则根据厂方提供的弹性特性曲线获得。赋予所有零件材料属性和施加边界条件约束后，进行动力学仿真得到结果如图3所示。

4　气门弹簧疲劳寿命

气门弹簧的疲劳分析是在气门弹簧的结构强度分析结果、材料疲劳特性和动力学仿真分析获得的载荷谱的基础上，通过疲劳分析软件 MSC.Fatigue进行分析的。将有限元模型和应力分析结果导入到MSC.Fatigue中，采用应力疲劳分析，即S-N分析法，设置疲劳载荷和弹簧材料的疲劳特性，运用Good man应力修正方式，经求解得到进、排气门弹簧的疲劳寿命分布云图如图4-1至4-2所示[6]。

图4-1　进气门弹簧寿命云图

图4-2　排气门弹簧疲劳寿命云图

5　实验分析

针对某型号柴油发动机气门弹簧疲劳强度进行试验研究， 根据厂家提供的缸体、凸轮轴、气缸盖及挺柱、气门弹簧等，建立了发动机气门弹簧疲劳寿命考核试验台架，如图5所示。

图5　气门弹簧试验台架

5.1气门弹簧试验台架的组成：

该试验台架有发动机固定支架 、发动机配气机构、凸轮轴驱动系统、机油泵驱动系统、发动机测试及监控系统组成。通过在发动机上安装凸轮轴温度传感器（监测凸轮轴轴温）、转速传感器（监测凸轮轴转速）、油温传感器（监测机油温度）等来获取配气机构的运转状况。

5.2试验台架运行情况

按照《GB/T19055-2003—汽车发动机可靠性试验方法》要求，使发动机运转状况达到试验条件。

试验期间，测试人员认真观察凸轮轴及油泵运转情况，并通过转速传感器、凸轮轴温度传感器及机油温度传感器采集的数据核对凸轮轴及机油润滑情况，同时从气门缸盖处观察摇臂等运转及润滑情况。将系统运行1 000多小时，得到相关数值。现场运转情况表明，所设计的试验台架达到了试验与测试功能，能够对气门弹簧疲劳寿命进行考核。

6　理论计算与实验结果对比

理论分析结果：由理论分析结果可知，进、排气门弹簧的薄弱部位为除支撑圈外的弹簧内圈部分，分析结果显示进、排气门均能达到1000 h的运转要求。

试验结果：实验过程中未发现异常，实验正常。经过1000多小时的连续运转，拆卸后发现，进、排气门均无明显裂纹，说明进、排气门弹簧均能达到实验要求。

7　结语

本文对进、排气门弹簧进行了应力分析，在此基础上进行了疲劳寿命预估，并进行了台架试验，试验结果表明：发动机在1 000 h的连续运转中未发现异常，该进、排气门弹簧可以达到连续工作1 000 h的要求，和理论分析结果一致。本文通过理论分析，找出了气门弹簧的疲劳寿命和疲劳薄弱区域，但是并没有对气门弹簧进行优化，下一步可以结合应力和疲劳寿命分析结果做优化设计，最终得出气门弹簧的最优结构。

[1]展夫云.浅议摩托车发动机气门弹簧的设计[J].摩托车信息,2001(8):18-22

[2]张义和,蔡日恒.进气门弹簧断裂分析[J].汽车工艺与材料,1995(12):20-25

[3]商跃进,王红,孟广浦.新型货车转向架螺旋弹簧三维有限元分析与疲劳寿命估算[J].中国铁道科学,2008(l):65-69

[4]束永平.汽车发动机配气机构仿真分析[J].传动技术,2005,19(4):30-33

[5]李增刚.ADAMS入门讲解与实例[M].北京:国防工业出版社,2006

[6]周传月,郑红霞,罗慧强.MSC.Fatigue疲劳分析应用于实例[M].北京:科学出版社,2005

Prediction of Fatigue Life of Valve Spring in a Diesel Engine

WU Wen-jiang1)ZHENG Ming-jun2)GAO Zhan-feng1)
(Engineering Training Center, Shijiazhuang Tiedao University1)ShijiazhuangHebei050043China School of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University2)ShijiazhuangHebei050043China )

Valve spring is one of important parts of valve mechanism of the combustion engine, and it works to ensure the normal work of the valve assembly. In order to make a research on the stress distribution in the working process of the valve spring in a diesel engine and the fatigue life of the valve spring, this paper carries out the finite element analysis by using the software of MSC.Patran, works out the stress distribution in different working conditions of the valve spring, gives a modal analysis about the valve spring in order to test the resonance condition of the valve spring, and then checks the analysis result and design requirements. After that, this paper obtains the loading spectrum which is necessary for the analysis of the fatigue life by giving a dynamic simulation of gas distribution mechanism by ADAMS, and analyses the fatigue life of valve spring by applying the software of Fatigue, and evaluates the fatigue life of intake and exhaust valve spring. Finally, the paper builds the test bench of valve spring and verify the theoretical analysis results of the fatigue life.

spiral springvalve springfinite elementdistribution devicefatigue life

1

A

1673-1816(2015)04-0057-05

2015-10-14

吴文江（1965-），男，汉，河北石家庄人，博士研究生，教授，研究方向机械结构强度优化、机电一体化。