发动机气门盘部凹槽结构对其变形影响研究

王景，刘志刚

(河南工业职业技术学院，河南 南阳 473000)

1 气门盘部变形失效特征分析

气门是发动机配气机构中的重要元件，工作环境十分恶劣，除了受到汽缸内高温高压燃气的作用外，还受到有害气体的腐蚀，因此常常发生失效[1]。气门失效形式多样化，而气门盘部翘曲变形是其中比较重要的失效形式之一。导致气门盘部变形失效的原因很多，可以归纳为以下几点：1) 气门材料，气门在工作时受到的载荷超过了材料的屈服强度，就会引起变形；2) 热载荷过大，气门的硬度、强度和耐腐蚀等性能会随着汽缸内温度的升高而下降，从而使气门产生变形失效[2]；3) 热处理不当，不仅不能提高材料的强度、耐磨性等，还会削弱材料的性质，从而导致气门变形失效[3]。

一般都认为热负荷、机械载荷过高是导致气门变形的主要原因，而忽略气门盘部结构对其变形的影响，但是通过大量调查研究可知，气门盘部结构设计对其使用寿命也有一定的影响，因此，有必要分析气门盘部结构对其变形的影响。

2 气门盘部结构特征分析

本文以工况条件恶劣的排气门为研究对象，图1为气门盘部结构图。由图1可知，气门是轴对称结构，B′AB结构是气门盘部凹槽结构，DE为过渡圆弧，由于气门盘部容易产生变形失效，过渡圆弧容易产生断裂失效，所以本文研究这两个结构处的变形。

图1 气门盘部结构图

通过查阅文献和结合实践可知，气门的盘部外径d一般取25～50mm，气门盘部厚度h=(0.1～0.12)d，弧高H≤1.5h，凹槽对应的弦长L≤1/3d[4-5]。基于此，建立了表1所示气门盘部结构识别图。

表1 气门盘部结构识别图 mm

3 气门盘部热-应力耦合分析

3.1 建模和网格划分

采用ANSYS二次开发功能APDL对气门进行建模，采用精度为6的自由划分方式对气门进行网格划分[6]。有限元模型如图2所示。

图2 有限元模型

3.2 施加载荷与边界条件

1) 确定气门材料参数

本文所选气门为某型号排气门，材料为21-4N钢，该材料相关参数为：弹性模量210 GPa，密度7 833 kg/m3，泊松比0.3，比热448 J/(kg·K)，热传导系数25.96[7]。

2) 确定边界条件

文中选择1/4个气门进行分析，因此需在对称面对其施加对称约束；气门落座时，由于受到气门座圈的落座冲击，因此需要在气门盘部锥面对其施加y方向约束；气门锁夹槽曲面会受到气门弹簧座对其x、z方向的约束[8]。

气门工作时，表面各部分温度不相同，结合实践，对其施加如图3所示非线性温度载荷。

图3 气门表面非线性温度载荷

3) 确定工况条件

结合气门工作时具体情况，气门锁夹槽曲面受到预紧力作用，取为P1=430/4N；气门落座时受到落座冲击力，取为P2=4 779.007 8/4N；气门关闭时，受到汽缸内部压力，取为P3=11 MPa。

3.3 气门盘部热-应力耦合分析

首先对气门进行热分析，然后删除实体模型上的热载荷，将热单元转换为结构单元，再对其进行结构分析[9]。

4 气门变形计算结果与分析

如图4为气门盘部变形结构图，图中虚线为变形前结构，实线为变形后结构。由图可知：气门工作时，由于受到外界载荷的作用，气门结构发生了改变，但是每个节点处变形不一样，因此需对其变形规律进行研究[10]。

图4 气门盘部变形图

4.1 气门盘部凹槽位置变形研究

图5-图8为气门盘部凹槽位置变形随凹槽结构特征变化规律。由图可知，平底结构时，沿着径向尺寸，变形越来越大，这也是气门盘部容易产生变形失效的原因；而有凹槽结构时，气门盘部中心变形随着气门盘部凹槽尺寸的增大而增大，而凹槽边缘的变形比平底结构相同位置的变形要小。凹槽尺寸适中时(R=10.5～12、H=1～2、L=10～14)气门盘部凹槽位置整体变形不大，而且变形比较平缓；凹槽尺寸比较大时(R>12、H>2、L>14)，气门盘部凹槽变形随着径向尺寸的增大而减小，在凹槽边缘位置变形达到最小。

图5 气门盘部随R变形曲线

图6 气门盘部随H变形曲线

图7 气门盘部随H变形曲线

图8 气门盘部随R和L变形曲线

4.2 气门过渡圆弧位置变形研究

图9-图12为气门过渡圆弧位置变形随着凹槽结构特征变化规律。由图可知，随着凹槽尺寸的增大，气门过渡圆弧位置变形也呈现增大的趋势，这是由于凹槽尺寸越大，气门盘部结构越薄，所以会导致过渡圆弧位置变形增大。

图9 气门过渡圆弧随R变形曲线

图10 气门过渡圆弧随H变形曲线

图11 气门过渡圆弧随H变形曲线

图12 气门过渡圆弧随R和L变形曲线

5 结语

通过对气门盘部凹槽结构进行分析，建立气门盘部结构识别图，运用有限元分析软件ANSYS对其进行热-应力耦合分析，研究了气门盘部凹槽结构对其凹槽结构和过渡圆弧位置变形的影响。研究表明：

1) 气门盘部凹槽结构对气门盘部变形影响较大，气门盘部中心的变形随着R、H、L的增大而增大；有凹槽结构时，凹槽边缘的变形比平底结构时相同位置的变形要小。凹槽结构适中(R=10.5～12、H=1～2、L=10～14)时，随着径向尺寸的增大，凹槽位置变形均比较平缓，凹槽结构较大(R>12、H>2、L>14)时，凹槽位置变形随着径向尺寸的增大呈现减小的趋势。

2) 过渡圆弧位置的变形随着凹槽尺寸的增大呈现增大的趋势。

综上所述，气门盘部设置凹槽结构，不仅能减轻气门的重量，还能适当地改变气门盘部变形情况。该分析结果为气门进一步结构优化提供了理论依据。