4G15V机型汽油机气门与活塞最小运动间隙的计算

施玉春，王剑锋，王志国，李国华，沙洲

（哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心，黑龙江 哈尔滨 150060）

4G15V机型汽油机气门与活塞最小运动间隙的计算

施玉春，王剑锋，王志国，李国华，沙洲

（哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司技术中心，黑龙江 哈尔滨 150060）

以4G15V车用汽油机为例，介绍由凸轮升程、摇臂和气门之间的运动规律求出气门升程，再根据气门升程与活塞位移之间的关系来求出最小运动间隙的方法。

活塞位移；配气相位；最小运动间隙

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.027

CLC NO.: U471.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-85-04

引言

4G15 V车用汽油机是由4G15S车用汽油机升级而成的，它是哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司开发的新产品，新机设计时碰到如何合理地确定活塞上气门凹坑深度的问题。凹坑深度小，可能会造成气门和活塞干涉，凹坑深度大，性能又变差，因此要寻求一个汽油机在运行中气门与活塞不发生干涉又对燃烧影响最小的凹坑深度。此次是通过气门升程和活塞的位移之间的关系在给定气门凹坑深度的条件下来计算最小运动间隙，下面介绍计算过程。

1、活塞位移计算

1.1 计算公式

式中，χ为活塞位移（参考点为上止点）；α为曲轴转角；L为连杆长度，L=131；R为曲轴半径，R=41。

1.2 计算结果

计算结果见表1和表2。

2、气门升程计算

2.1 原始参数

图1 为摇臂与调节螺钉工作状态下的示意图，摇臂与气门实际接触面为球面,故摇臂短边与长边均为摇臂中心与接触球心的距离。

e.凸轮轴中心至摇臂轴中心的距离E进=47.82 ;E排=43.43；

f.进气摇臂短边与长边的夹角=149°，排气摇臂短边与长边的夹角=152°；

g.进气凸轮基圆半径R=16 ; 排气凸轮基圆半径R=16 ;

h.配气相位：14°（BTDC）/142°（BTDC）进气门/129°（ATDC）/6°（BTDC）排气门；

i.活塞顶面间隙3.62。

气门升程见表1和表2。

表1 进气侧计算结果

表2 排气侧计算结果

2.2 气门间隙

摇臂与进气门的冷态间隙=0.13；

摇臂与排气门的冷态间隙=0.17；

2.3 计算结果

计算结果见表1和表2。

3、计算结果及其误差分析

用气门凹入度、活塞顶间隙和活塞上气门凹坑深度之和作为活塞位移与气门升程的纵坐标之差，然后用配气相位来确定气门升程和活塞位移横坐标的相对位置，根据表1的计算结果分别画出气门升程和活塞位移随曲轴转角的关系图，见图3。 由图3可见，进气门与活塞的最小运动间隙为1.75，在上止点后6度；排气门与活塞的最小运动间隙为1.46，在上止点前6度。

根据设计公司推荐，进气门的最小运动间隙为1.2左右，排气门的运动间隙为1.4左右，从上面的计算结果可以看出，进气门的最小运动间隙偏大。为此，可将进气门的最小运动间隙定为1.2，反推活塞上进气门上凹坑深度为1.70，最小运动间隙在上止点后5度。

以上仅是理论计算结果，跟实际情况有一定的误差，分析原因有以下几点：

a.凸轮对称中心线相对于键槽位置角度的加工误差，它直接影响配气相位，配气相位公差是±3度。

b.计算中未考虑零件的热变形和安装应力所引起的机械变形。

c.汽缸垫的压缩高度是图样要求的尺寸，非试验测量实际值。

4、小结

a.用上述活塞与气门最小运动间隙的计算方法，计算结果为：进气门与活塞的最小运动间隙为1.45，在上止点后5度；排气门与活塞的最小运动间隙为1.46，在上止点前6度。该方法适用于杯状挺柱、摇臂传动的配气机构。

b.为简化设计过程，预先给定活塞与气门的最小运动间隙，然后反推活塞上气门凹坑的深度。

5、考虑变形与公差

为使得计算数据更接近实际工况，接下来我们综合考虑零件热变形及尺寸公差来进一步验算气门与活塞间隙。气门与活塞相碰的现象，引起发动机工作粗暴及噪声过大。要分析原因并解决问题，进行尺寸链计算是必不可少的。由于发动机在运转过程中机内温度很高，造成机内各部件受热膨胀，使得静态时尺寸链计算的间隙与实际运转状态相差较大。对静态和动态时气门与活塞的间隙进行计算，在计算中确定合理的置信水平，找到两种状态下的最小间隙。

5.1 活塞受热膨胀量的计算

物体热胀冷缩会引起长度（体积）的变化。内燃机在运转过程中，机内各部件受高温影响，发生膨胀，进而造成气门和活塞间隙变小，容易发生碰撞，致使发动机噪声增大。在现今用户普遍要求发动机降低噪声的大环境下，噪声增大无疑会影响该发动机的市场前景。因此，针对这个问题，首先要确定各部件膨胀量。而在各膨胀量部件中，尤其以活塞膨胀最为明显，因此本次计算主要考虑了活塞膨胀时对间隙的影响。

当温度由T1变到T2,长度相应地有L1变到L2时，材料在该温区的平均线膨胀系数为：

式中：α1---平均线膨胀系数（K-1）,活塞材料镁铝合金计算，膨胀系数取为α1=2.55*107K-1；

L1---常温下的活塞销到活塞上平面的距离，L1=28.65；

△L---线长度增量（mm）

△T---温度增量（K），取平均温差△T =300K。线长度增量：△L =α1* L1*△T =0.219 mm

计算得知，活塞膨胀量为0.219 mm，为了验证活塞与气门是否相碰，知道了气门与活塞之间的间隙，需要进行尺寸链计算。

5.2 尺寸链公差计算

5.2.1 封闭环基本尺寸的计算

无论是极值法还是统计法，封闭环的基本尺寸都可以用尺寸链的方程式确定。下图6为尺寸链所示。

尺寸链示意图为活塞位于进气冲程上止点时，活塞、曲柄连杆机构、气缸盖的装配示意图。因此计算中将活塞上平面到气缸盖端面的距离A0作为封闭环尺寸。

曲柄连杆机构的各运动零部件之间都存在着配合间隙。当活塞位于排气冲程上止点时，活塞连杆机构存在着向下运动的趋势，处于拉伸状态。在计算中，考虑发动机在运行中各零部件的热膨胀量。

A0是在装配最后形成的，因此是封闭环。由于是处于上止点，并存在下行的趋势，所以机构处于拉伸状态，使得孔与轴的配合间隙只能出现在一个方向上，不可能出现两种不同的位置，可根据实际工作位置，用一条装配尺寸链来分析A0的大小。

5.2.2 统计法

统计法是应用概率论原理进行尺寸链计算的一种方法。在正常生产条件下，加工尺寸均处于极限尺寸的可能性是较小的，根据概率乘法定理，组成环极限尺寸重合的概率等于各组成环出现极限尺寸概率的乘积。环数较多时，极限尺寸相遇的可能性很小。因此，如果尺寸链的环数较多，封闭环精度要求较高，就需采用统计法计算。

在多环尺寸链中，封闭环的分布接近于正态分布，可按正态分布曲线方程式计算出在一定分布范围内的概率密度。该分布范围如在规定的公差范围内，则所求概率密度即为合格率或置信水平。

5.2.3 极值法

极值法是计算封闭环极限尺寸的一种方法，其组成环尺寸均为极限尺寸。采用极值法计算简单、可靠、直观。适用于封闭环公差较大、组成环较少时的尺寸链计算。利用极值法计算，可以直观地看出气门碰活塞现象是否是由于各零件的尺寸公差的设置不合理造成的。

6、计算数据分析

为了分析气门和活塞之间是否存在相碰，要分别计算静态和动态时（标定转速下）凸轮转角下进、排气门和活塞之间的距离。静态计算中不考虑气门飞脱及活塞受热膨胀等现象；而动态计算则考虑上诉因素的影响。由于气门和活塞相碰发生的区段为排气门下降段、进气门上升段，故分析此两段。

7、总结

计算可以看出，采用极值法，静态时进、排气门和活塞之间的间隙对于进气门在上升段时和活塞之间的间隙最小；对于排气门在下降段附近和活塞之间的间隙最小。由极值法和统计法计算结果可以看出，在静态下不存在气门和活塞干涉的问题。

活塞膨胀量为0.219mm，气门碰活塞最危险处气门飞脱量为0.10151mm。因此，不仅需要对配气机构采取措施一减小气门飞脱量，还要从改进活塞结构，如将活塞顶排气门避碰坑深度由原来的1.3mm改为1.8mm，才能彻底消除气门和活塞干涉的问题。

[1] 王德海,姜树李.配气机构摇臂比的精确计算.内燃机学报.1985, (3)124～ 157.

[2] 尚汉冀.关于配气机构设计和分析计算若干问题研究.内燃机结构强度联合学术讨论会.1983:203～217.

[3] 苏军,申屠森.顶置凸轮配气机构气门升程的精确计算.内燃机学报.1999, (2): 202～203.

5、汽车造型设计与文化的进化与创新

文化融于汽车造型设计，汽车造型设计体现文化，这已经是一种事实。汽车造型设计的思想观念深刻的反映了文化的特质；文化的各种特征也在汽车造型设计的各处得到了完整的体现。文化是现代汽车造型设计的灵魂，凡是优秀的设计，总蕴含着深厚的文化内涵。汽车造型设计与文化不断结合并进化而创新，并给我们创造了新的生活方式及文化观念。

随着经济科技的快速发展，文化以一种前所未有的速度传播，而我们不断进步的社会，对各种各样的文化展现出了强大的包容性，这是以往的任何时代都未曾出现的。现在文化的传播业给造型设计师极大的自由发挥空间，也涌现出了精彩纷呈的各种趣味的造型设计。沃尔沃全新设计语言标志性的T形日间行车灯灵感就来源于瑞典神话中的雷神之锤。（图8沃尔沃S90）。随着国外文化的传入，汽车造型设计的大融合时代已经悄然而至。东西方汽车造型设计的融合源于东西文化开始融合，这也进一步证明了文化与汽车造型设计的关系。

参考文献

[1] 陈登凯.设计哲学.陕西:西安交通大学出版社,2013.10.

[2] 付黎明.设计美学规律研究[M].香港:中国美术出版社,2006.

[3] 吴承佑.2013车展主流趋势发现.2013.

The Calculation of Minimal Moving Clearance Between 4G15V Gasoline Engine Valve and Piston

Shi Yuchun, Wang Jianfeng, Wang Zhiguo, Li Guohua, Sha Zhou
（Center of Technology, Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd,Heilongjiang Harbin 150060）

A method is introduced in this paper by taking 4G15V gasoline engine for example. That is valve lift can be accumulated according to the moving rule among the camshaft, rocker and valve and the minimal moving clearance can be worked out by the valve lift and piston displacement.

piston displacement; inlet and outlet phase; minimal moving clearance

U471.2

A

1671-7988(2016)10-85-04

施玉春，（1972-），女，高级工程师，本科，就职于哈尔滨东安汽车发动机制造有限公司。研究方向发动机零部件设计开发工作。