摩托车发动机排气门结构改进及有限元分析

吴勇华，徐乔，耿爱农，胡小安，温国坤



摩托车发动机排气门结构改进及有限元分析

吴勇华1，徐乔1，耿爱农1，胡小安2，温国坤1

（1.五邑大学 机电工程学院，广东 江门 529020；2.江门市长华凯特威摩托车有限公司，广东 江门 529085）

在分析摩托车发动机配气机构的功能要求和工作环境的基础上，对排气门进行了改进设计和有限元分析. 首先运用Pro/E工程软件的MECHANICA Structure模块对排气门进行改进设计，通过软件迭代运算功能得到最优的基本结构尺寸，然后对最优模型进行有限元分析，由此获得排气门的应力应变和温度分布状况. 根据改进前后的数据对比和模型的有限元分析结果可以看到：改进后的排气门应力场及温度场分布更合理、更科学，在满足强度条件下，将排气门的质量由减至，减重14%，大大提高了高温条件下排气门的性能.

摩托车发动机；排气门；有限元分析

摩托车发动机配气机构是发动机的重要组成部分，是实现进气和排气过程的关键装置，对发动机的性能、振动以及噪音影响很大. 气门（包括进气门和排气门）是发动机配气机构的重要部件，气门的好坏决定着发动机工作的可靠程度. 气门在气缸中不断循环地开启、关闭进气口和排气口，确保气缸内新鲜空气吸入和废气排出. 由于发动机的气门一直处于在高温、腐蚀、冲击和交变载荷的工作环境中，因此，负责排气任务的排气门比进气门要求更高[1]. 排气门的设计、结构、形状、材料、加工工艺，以及其他相关零件如气门座、气门导管、气门弹簧、凸轮及冷却系统等都会影响它的性能和使用寿命[2]. 目前，业内的研究方向一般是发动机排气门的失效机理、动力学特性以及材料，这些研究都涉及较多复杂因素. 在气门材料没有突破的情况下，目前的重点研究方向是通过改进结构来提高排气门的性能和使用寿命.

1 排气门设计要求与结构简介

排气门的作用是通过与气门座配合对燃烧室进行密封，并按工作循环的需要定时开启和关闭，适时排出废气. 排气门由盘部和杆部两部分组成. 盘部用来封闭燃烧室的排气通道，杆部则主要为气门的运动导向. 与进气门相比，排气门的工作条件更加恶劣. 首先，排气门顶面与气缸的高温燃气室直接接触，且被排出的高温废气冲刷，冷却条件很不理想，因此，排气门受热严重，温度很高. 其次，排气门还要承受气缸内燃气高压和气门弹簧力的作用，且在气门运动组件惯性力的作用下，排气门也会对气门座产生冲击. 此外，排气门盘部直接与高温燃气中的腐蚀性气体接触，易受腐蚀. 针对恶劣的工作条件，要求排气门必须有足够的强度、刚度、耐热、耐磨和抗腐蚀能力[3]2.

排气门设计既要满足更好实现换气的功能，又要兼顾可靠性和耐久性. 由于排气门与气缸燃烧室接触，受热膨胀时会对排气门产生较大的压力，因此，若增加气门盘底的厚度，则使气门的总质量增加，导致落座的冲击力和热容量增大，气门磨损加剧，同时会产生较大的噪音. 但是，减轻气门重量又会导致其强度和刚度的不足而引起失效. 综合以上因素，排气门的结构设计为锥形结构，见图1.

气门杆径；气门颈部圆弧半径；气门锁夹槽圆弧半径；气门盘部凹槽半径

2 排气门的失效分析

摩托车发动机出现的故障中，排气门的失效占一定的比例. 排气门的失效形式主要有以下几种：1）由于材料选用不合理，使气门的强度和硬度达不到要求，导致气门掉头、掉块以及变形；2）由于设计不合理导致锥面磨损、杆部断裂[4]33；3）由于选材不良和制造精度不高导致杆部崩落. 由于排气门在较恶劣的环境中工作，导致这些失效的原因是复杂的，是多种因素综合影响的结果. 因此，排气门的改进设计也需要从冲击产生的应力应变、高温产生的温度场及材料性能等方面综合分析.

3 排气门改进设计

3.1 创建模型

本文采用Pro/MECHANICA模块对气门进行改进设计. 根据已知的条件建立气门模型，然后设定单位和材料属性，定义约束载荷以及设计参数，进行灵敏度分析，再根据结果改善模型. 并通过Pro/MECHANICA模块的全局灵敏度分析确定设计参数的范围，从而进行改进设计[5].

图2 排气门模型

3.2 约束及载荷

排气门开启时与气门座是不发生任何接触的，此时不存在接触应力. 排气门只有在落座后才与气门座发生接触，即排气门运动位移为零时气门与气门座有接触应力，即气门与气门座发生接触碰撞时是最危险的时刻. 在最高的爆发压力下，气门处于关闭状态，承受的是弹簧预紧力、气体压力和冲击载荷. 因此，需对气门轴的自由度进行约束，并在气门盘部加上气门所受的最大冲击载荷，以及在气门端面加上气体压力和预紧力等以满足气门与气门座之间所需的接触应力. 本文选用某款摩托车发动机作为实例，其气门弹簧的预紧力为，气体压力载荷为，冲击载荷为，并考虑本身的重力[6].

3.3 灵敏度分析

灵敏度分析是研究与分析一个模型的状态或输出变化对系统参数或周围条件变化的敏感程度的方法. 在分析过程中，为了能确定重要设计参数，并排除那些影响程度很小的设计参数，通常定量地表示这种影响程度[7].

3.3.1 局部灵敏度分析

为了得到设计改进时需要重点考虑的设计参数，需通过局部灵敏度分析确定每个设计参数对模型性能影响的程度大小. 这里的模型性能指模型应力.

根据局部灵敏度分析曲线图，可以得出气门模型的应力对气门杆径、气门颈部圆弧半径和气门盘部凹槽半径比较敏感，气门杆锁夹槽半径对模型最大应力的影响不大. 因此改进设计时只需重点考虑对模型应力影响较大的参数.

3.3.2 全局灵敏度分析

全局灵敏度分析就是通过对模型性能影响较大的设计参数分析，确定用于改进设计的变化范围，从这些参数的变化范围中寻求最佳的设计模型.

图4 各参数的全局灵敏度分析曲线

图5 设计参数对气门模型质量变化影响

3.4 改进设计

在保证模型的约束条件前提下，改进设计应尽可能满足质量轻、体积小、形状合理、成本最低以及力学方面最大限度地减缓过渡区应力集中等目标条件. 因此，排气门改进设计的目标函数设定为气门的质量最小. 约束条件为气门的最大强度要小于或等于其许用应力. 由此得到其强度不大于.

表1 某型号摩托车排气门原始值与改进值的比较

4 排气门有限元分析

改进排气门结构不仅要考虑动力学因素，也要考虑排气门在高温环境工作时产生的热应力. 在高温环境中，需用有限元软件分析气门工作时的温度场分布特征. 对气门进行热应力分析，需要采用间接耦合分析法，所谓间接耦合分析法就是将热分析得到的每个节点的温度作为载荷施加到应力分析中. 通过有限元分析，进一步对比和验证改进设计的合理性.

4.1 气门热—应力耦合分析

本文为了加载和求解的方便，采用在PRO/E直接建模的方式并通过ANSYS软件接口导入实体模型，建立排气门实体模型. 在划分网格时先划分线条，自动划分气门杆、气门盘部与杆部过渡区域、气门盘部和气门杆端部网格，对气门盘部与杆部过渡区域、气门盘部、气门杆端部表面进行细划处理. 有限元模型如图6所示.

图6 气门网格划分图

4.2 施加约束条件和载荷

排气门落座时，需对气门与气门座之间沿气门轴的自由度进行约束后，再对气门盘部进行分析.由于气门在工作过程中各个部分的温度分布不同，因此在热分析时需要对气门施加如图7所示的非线性温度载荷[3]46.

图中上部是沿气门径向温度分布图中右侧是沿气门轴向温度分布

气门落座瞬间承受的是弹簧预紧力、气体压力和冲击载荷. 气门以很高的频率开启和关闭时，要承受落座冲击载荷即燃气压力给予的静载荷，这种静载荷一般为，冲击载荷约为. 预紧力大小为. 在热—应力耦合分析时，热应力作为载荷加载在气门上进行进一步的分析[4].

4.3 热—应力耦合分析求解

根据ANSYS间接分析法的步骤，在进行热分析之后需再进行稳态分析，但是在结构分析之前需将热单元转换为相应的结构单元，并重新定义材料属性和边界条件，通过SOLVE求解计算.

1）温度分布图

通过对气门模型施加温度，其温度分布结果如图8所示. 由分析结果可知，达到稳态后，排气门盘部与气门杆部的过渡区温度最高，达到，气门杆端的温度最低，只有，从分布图可以看出温度在气门各部分的分布差异很大. 高温也会容易使气门盘部表面发生烧蚀现象，同时在气门落座的冲击载荷下，有可能使气门盘部出现裂纹；高温会使气门锥面的磨损加剧，从而破坏气门的密封性，使发动机运转不正常. 从分布图结果还可得出，当气门与气门座接触时，气门座会带走一定热量，使得气门密封锥面区域的温度小于最高温度.

图8 气门温度变化图

2）气门变形图

气门受到载荷的作用会产生变形，其变形图如图9所示. 由分析结果可知，气门的最大变形伸长量为，这为气门间隙的设置提供了参考. 一般在冷态时排气门的间隙为，可避免因热伸长而导致的气门关闭不严.

图9 气门变形图

3）气门等效应力图

通过气门的热—应力耦合分析得出气门的等效应力图，如图10所示. 由分析结果可知，最大应力出现在气门盘部的锥面上，即最大压应力处在气门与气门座之间的接触处. 这是因为气门关闭时，气门受到较大的落座冲击力. 此外，在盘部与杆部的过渡处也是应力比较集中的地方，易造成气门断裂失效. 在气门杆端锁夹槽处，由于受到弹簧的预紧力，此处也容易造成应力集中[8].

图10 气门等效应力图

通过热—应力耦合分析求解，得到了气门温度分布、气门等效应力和气门变形分布，总结出导致气门密封锥面失效的主要原因是：气门密封锥面处存在的较大的应力变化、落座冲击力导致的失效以及气门锁夹槽处较大的应力导致气门锁夹槽的疲劳断裂.

5 结束语

摩托车发动机排气门是发动机配气机构中的一个重要部件，通过对某款摩托车排气门的改进设计，在满足基本强度和刚度的条件下，得出气门杆径、气门颈部圆弧半径和气门盘部凹槽半径最佳设计尺寸，使气门质量减轻了14%，达到了轻量化的目标. 实际量产时，由于制造工艺、材料、热处理等环节可能出现的误差或差异，其尺寸或结构会有微小调整.

通过对排气门的有限元热—应力耦合模型的分析求解，得到了气门的应力、温度和变形分布规律. 热—应力耦合分析的结果比单独分析气门在热负荷、机械负荷作用下的结果更加接近气门的实际工作情况. 由此方法得到的气门的应力分布规律具有一定的实际参考价值，可为排气门材料的选择提供参考，并为进一步对气门的研究提供了理论依据.

[1] 王致钊. 发动机气门失效分析及改进策略[D]. 天津：天津大学，2005.

[2] 程绍桐，王致钊，程淑颖. 柴油机气门失效分析及改进[J]. 内燃机，2004, 31(2): 8-9.

[3] 周超. 基于ANSYS的气门力学特性分析[D]. 武汉：武汉理工大学，2006: 45-46.

[4] 吴旭初，沈文君. 发动机气门材料应用及进展[J]. 内燃机工程，1999, 5(1): 33-36.

[5] 刘树华，章程. 基于Pro/Mechanica的机械结构改进设计[J]. 船电技术，2012, 11(3): 35-36.

[6] 王琳，刘佐民. 发动机气门失效机理研究的国内外概况[J]. 武汉工业大学学报，2000, 22(5): 83-85.

[7] 王景. 气门盘部凹槽结构的参数化设计及共应力与变形形态研究[D]. 武汉：武汉理工大学，2011.

[8] LIU Zuomin, CHILDS T H C. Material dissipative processes in automotive engine exhaust valve-seat wear [J]. Dissipative Processes in Tribology, 1994, 27(7): 445-451.

[责任编辑：韦 韬]

Structural Improvement and Finite Element Analysis of Motorcycle Engine Exhaust Valves

WUYong-hua1, XUQiao1, GENGAi-nong1, HUXiao-an2, WENGuo-kun1

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China;2. Jiangmen Changhua Kaitewei Motorcycle Co. Ltd., Jiangmen 529085, China)

Based on an analysis of the functional requirements of and working environment for exhaust valves in motorcycle engines, an improved design is provided for and a finite analysis is made of the exhaust valve. First, a design for improving the exhaust valve is made using the MECHANICA Structure module of Pro/E and the optimal basic structure size is obtained through the software iterative calculation function. Then a finite analysis is made for the optimal model, and the distribution of stress, strain and temperature of the exhaust valve are derived. A comparison of the data before and after the improvement and the finite analysis results show that the stress field and temperature field distribution of the improved valve is more reasonable and more efficient, reducing the mass of the exhaust valve from 32.7g to 28.1g when strength requirements are met, a decrease of 14%, significantly improving the performance of the exhaust valve under high temperature conditions.

motorcycle engines; exhaust valves; finite element analysis

1006-7302（2015）01-0030-07

TK413.4+3

A

2014-09-28

2014年广东省本科高校教学质量与教学改革工程—大学生实践教学基地项目【粤教高函[2014]97】；五邑大学本科“3+1”培养模式综合实验班毕业设计课题.

吴勇华（1965—），男，江西井冈山人，副教授，博士，主要从事机械设计方面的研究.