柴油机进气门颈部特征分析与结构优化

1 引言

断裂失效是气门常见的一种失效方式，往往对发动机造成毁灭性破坏，轻者需修理，重者要更换整机。这样给用户和制造厂都造成了巨大的利益损害。因此，柴油机厂、各大汽配件厂乃至国家科委都对提高气门的质量给予了的高度关注。张效工等针对气门落座对排气门失效的影响进行了研究，研究了不同参数对气门落座特性的影响

。气门颈部是应力集中的最严重的区域之一，但是关于气门结构对气门失效影响的研究却很少，王景等人通过有限元模拟研究了气门盘部结构对气门失效的影响

。但是关于气门颈部结构尺寸变化对气门失效的影响研究却很少，基于各种软件的优势不同，本文利用SolidWorks三维软件进行建立气门模型，再把三维模型导入到有限元软件进行温度或应力分析，改变参数，通过对比进行结构优化，为气门颈部结构优化设计提供参考依据。

2 气门颈部结构特征

气门颈部结构是杆部与盘部的过渡部分，存在着应力集中，而且会受到高温、高腐蚀性气体的冲刷，存在着气门的第二热点，其工况条件非常恶劣。这也是颈部常发生弯曲疲劳断裂的原因所在。因此颈部结构的合理性显得尤为重要。气门颈部结构有下面三种：①圆弧型②圆弧+过渡锥角型③圆弧+过渡锥角+背锥角型，气门颈部结构如图1。

圆弧型加工起来比较简单，圆弧直接把杆部和盘部相连，但是应力集中比较严重，因此只适合小型普通发动机，圆弧+过渡锥角型气门加工起来比圆弧型略为复杂，但是颈部和盘部的平顺性大大提高。圆弧+过渡锥角+背锥角型气门加工起来比前面两种复杂，但其过渡区域的平顺性最好，适应于负荷较大的发动机。

气门在发动机工作时会出现盘部掉头、颈部断裂、盘部翘曲变形等损坏现象，不仅会导致气门的失效，严重者甚至会导致发动机的损毁造成恶性事故，为了改善气门的性能，提高气门质量，对颈部结构参数颈部过渡锥角β和过渡半径R进行设计优化。过渡半径R和过渡锥角β不仅对通过气门颈部的气流有较大影响，还影响着颈部应力集中的程度和分布的均匀程度。R的范围一般为(0.2～0.5)D，D为盘外圆直径，β的范围一般为15°～30°，且在盘部厚度一定的情况下，过渡半径R和过渡锥角β决定了气门头部的刚度

。为了提高气门的质量和寿命水平，对气门进气门的结构优化显得尤为必要，颈部特征结构如图2。过渡区域为应力分布的敏感区，可以基于参数化的形式，分析应力随颈部结构变化的规律，从而来确定最优解。

3 进气门颈部的结构优化方案

优化设计就是一种寻求最优化方案的技术，所谓“最优化”是指在满足全部设计要求的情况下，达到一个最佳的设计目标，比如重量最轻、应力最小、体积最小、成本最低、性能最好等。目前工程上最用的最多的一种优化方法为几何优化，即采用的是人机交互的方式，先根据部件的原有结构用SolidWorks建立模型，然后进行性能的分析，再对结构进行修改，继续导入分析软件进行分析，反复的设计分析，直到达到最优的设计目的。对结构的修改，必须遵照《设计手册》，即修改的结构尺寸须在规定的范围内。

由图2可知，现有进气门盘外圆直径D为55 mm，过渡圆弧半径为15mm，过渡锥角β为15°。此时以过渡圆弧半径R和过渡锥角β为变量，对等效应力进行分析比较，根据R与D值之间的关系，且R和β都不能过大否则会使结构发生干涉，此时可将R的变化为13mm、15mm、17mm、19mm、21mm、23mm。β的变化为15°、17°、19°、21°、23°、25°。可以得到对应的参数设计表，如表1。

因此可以根据R来分组，一共可采集36个数据，共可以分成6组进行分析。首先分析第一组，即R=13mm时，β分别为15°、17°、19°、21°、23°、25°。分别对轴向应力分布，盘部应力分布进行分析对比。

目前业界内变形分析的因子抽取，普遍是基于主成分分析、独立成分分析、典型相关性分析及偏最小二乘回归分析的原理进行抽取和变换的，其主要缺点包括[4-7]：主成分分析、独立成分分析侧重于因子侧的最大化信息表述和抽取，典型相关性分析侧重于效应量和因子的相关性最大化，都不够全面；典型相关性分析和偏最小二乘回归分析都只能考察变量的线性相关性，对于非线性系统则容易失真；数据的预处理也极为重要，如果对未经降噪、去量纲、时序对齐等预处理的因子样本直接进行统计分析，那分析结论的精度通常是不可接受的。

本文采用的是单一变量法，即控制其中的一个参数不变，改变另一个参数，以等效应力为优化目标，查看等效应力的分布，计算出等效应力的大小，然后进行结果的分析比较，找出最优解或最优解的范围，本文试验样品的尺寸如图3。

4 计算结果分析

通过计算可以得到以下六祖进气门应力径向与轴向分布结果。

图4为六组数据中，气门轴向最大应力变化情况，可以发现，各组轴向最大应力变化基本一致，过渡锥角β和过渡圆弧半径R对最大应力的变化皆有较大影响，变化规律为：β在15°～21°变化时，最大应力值随着β的增大而减小；当β在21°～25°变化时，最大应力值是递增的，故在β=21°时，最大应力最小。这是因为当β增大的同时，头部刚性会增加，气门的变形会减少，故相应的应力值也会减少，β继续增加时，气门质量成为影响最大应力的主要因素，这时β越大质量越大，气门落力增幅较明显，所以最大应力程增长趋势。过渡圆弧半径R在13mm～21mm变化时，半径越大，最大应力值就越小；R大于21mm时，半径越大，最大应力值越大，在R=21mm时，最大应力值最小。R在13mm ～ 21mm变化时，影响最大应力的因素是气门通流面积，当R增大时，气门通流面积增大，通流面积越大，应力值反而越小，所以应力值会随着半径增大呈递减趋势；当R继续增大时影响最大应力的主要因素是气门质量，过渡圆弧半径越大，质量越大，最大应力值也就越大。综合分析在β=21°，R=21mm时最大应力值最小，质量最优。

试样的干密度也会对试样强度产生影响,由图5可知,混合物试样的强度主要是由膨润土承担.纯膨润土试样的干密度为1.5 g/cm3,而在掺砂混合物试样中,膨润土的干密度可用膨润土有效干密度ρb的概念[13]进行计算:

图5为气门盘部表面径向应力变化，各组盘部应力随β与R的变化趋势基本相同，β在15° ～21°变化时，盘部最大应力呈递减趋势，而β在21°～25°之间时，盘部最大应力呈递增趋势。在β=21°，盘部最大应力值最小。这是由于β增大，气门头部变厚，变形就会减小，最大应力值也就随之减小；当β大于21°时，随着β的增大，气门头部质量也会增大，此时气门落座力增幅较明显，所以最大应力值就会随着β的增大呈增长趋势。把β相同，但R值不用的结果进行比较，可以发现：R从13mm增大到19mm时，盘部的最大应力值随着R的增大而减小；R大于19mm时，盘部最大应力值继续增加，在R=19mm时盘部最大应力值最小。这是由于R增加，过渡处的平顺性也会提高，应力集中程度会降低，最大应力值也会相应减少；当R大于19mm时，质量成为影响最大应力的主要因素，R增加，质量也会相应增加，且此时落座力增幅相对较大，所以盘部最大应力值程增长趋势。综合分析可得，当β=21°，R=19mm时，盘部最大应力值最小。

我国的水法、防洪法、河道管理条例以及一些部门、地方规章，都规定禁止在河道、堤防及其管理范围内种植林木和高秆作物。水法第三十七条规定：禁止在江河、湖泊、水库、运河、渠道内弃置、堆放阻碍行洪的物体和种植阻碍行洪的林木及高秆作物。防洪法第二十二条第二款规定：禁止在行洪河道内种植阻碍行洪的林木和高秆作物。河道管理条例第二十四条规定：在河道管理范围内，禁止修建围堤、阻水渠道、阻水道路；种植高秆农作物、芦苇、杞柳、荻柴和树木（堤防防护林除外）。第二十条规定：有堤防的河道，其管理范围为两岸堤防之间的水域、沙洲、滩地（包括可耕地）、行洪区，两岸堤防及护堤地。

现在各类跨境电商比赛很多。要想通过比赛促进跨境电商专业教学，比赛绝不能脱离跨境电商岗位实际。学生参加的跨境电商比赛至少要有网店开设、网店产品发布、网店装修、网店运营与营销策划推广、网店客户服务与管理及跨境电商物流等跨境电商必有的几个任务模块。

5 小结

本文简述了气门颈部应力分析的传热理论及颈部结构的优化方法，并且对等效应力的表达进行了阐述。通过SolidWorks建立不同参数下的模模型，并利用Abaqus进行应力了热-应力耦合分析，获得了不同参数下气门轴向应力分布以及气门盘部应力分布曲线，分析表明：选用β=21°，R=21mm是，其轴向最大应力值最小，选用β=21°，R=19mm时盘部最大应力最小。由于β=21°，R=21mm的盘部最大应力值与β=21°，R=19mm的盘部最大应力值相差不大，综合考虑最优参数组合应选用β=21°，R=21mm，即过渡锥角为21°，过渡圆角半径为21mm。综合考虑结构参数对轴向应力与盘部应力的影响，对气门进行优化设计，不仅能对企业提高气门质量有一定的参考，还能对气门工作条件有改善作用，延长气门的使用寿命，提高企业效益。

[1]张效工,陈法成.内燃机气门落座特性的研究[J].内燃机工程,1980,1(2):23-35.

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

[3]胡巍.柴油机进气门颈部断裂失效分析及结构优化[D].南华大学,2016.

[4]江文广,莫晓腾.发动机气门颈部结构设计参考[J].汽车工艺师,2019(03):58-60.DOI:10.16173/j.cnki.ame.2019.03.016.

[5]李厚佳,卢平.基于ANSYS的气门盘部设计参数对应力分布影响的研究[J].机械,2008,(04):31-34.

[6]王景,许娜.基于ANSYS的气门盘部凹槽参数化建模系统开发[J].精密制造与自动化,2016(03):26-28.DOI:10.16371/j.cnki.issn1009-962x.2016.03.007.