气门活塞极限间隙分析新算法的应用研究

刘芳， 田入园， 陶丽芳， 刘建华

摘 要：基于气门与活塞的运动规律及制造装配误差，构建了一种气门与活塞极限运动间隙的新算法，并利用Excel软件， 编制了气门活塞间隙分析程序。以某汽油机为例，进行了计算分析，分析结果显示，零部件的尺寸公差、制造装配误差等对结果影响很大。

关键词：气门；活塞；间隙；计算方法

引 言 

气门和活塞是发动机性能得以实现的重要部件，通 过气门的开启和活塞往复运动的配合，实现了发动机的性能^[1]。在发动机工作时，气门和活塞都遵循一定的规律在运动，当活塞由下止点向上运动，到达上止点时，若气门仍处于较大开启状态，就会出现气门撞活塞的现象^[2]，导致气门折断^[3]，为使气门与活塞运动顺畅，必须保证活塞与气门之间有足够的间隙。

传统的气门活塞间隙的分析方法包括利用公式求解和CAE软件分析。高永胤^[4]和陈文壁^[5]通过构建发动机气门活塞间隙计算的数学模型，通过简化方程求解得出气门和活塞间的最小距离。这种数学模型求解过程复杂而繁琐，包括大量的数学理论知识，使得这种分析方法很难推广。施玉春等^[6]通过数学建模，计算了4G15V机型柴油机的气门活塞最小运动间隙，并阐述了理论与实际情况的误差来源于凸轮的制造公差、零件的热变形等。

随着CAE分析软件的广泛应用，上述问题得到了很好的解决并效果显著^[7-11]。王东玉等[7]利用Adams软件，搭建了整个曲轴系统、正时系统及配气系统的模型，并应用软件中的间隙分析功能得到了活塞与气门的最小运动间隙。但该方法前处理往往会占据大量时间，导致设计工程师无法及时有效地分析和优化设计方案；另外，随着企业职能的划分，很多设计师没有仿真计算的经验，设计与CAE之间的数据交换大大降低了工作效率。

针对上述存在的不足之处，本文修正了气门活塞极限运动间隙计算方法，增加了尺寸公差、加工及装配误差等因素；并基于Excel强大的计算功能，设计出用户界面良好、操作简单、功能强大的气门活塞间隙分析计算程序，实现分析自动化，设计师只需要校核输入数据，即可得出计算分析结果，不仅降低了设计师对仿真能力的要求，也大大缩短了设计周期。

1 分析方法构建

影响气门活塞间隙的主要因素^[12]有：气门升程及气门倾角、活塞运动方程、相关零件尺寸、极限公差及热变形、凸轮的制造公差、传动链的装配公差以及传递误差。

1.1 数学模型的建立 

1）根据图1，可建立活塞运动方程为x=f（φ），其中φ为曲轴转角。假设活塞从上止点开始运动，曲柄半径为R，连杆长度为L，得到活塞的运动方程^[13]：

       （1）

2）气门升程h=g（φ）。

3）气门关闭时，气门 顶与活塞避阀坑的名义距离Hl ，包括缸垫厚度、避阀坑深、活塞上表面到缸体表面的距离。

4）各关联运动件的尺寸公差及热变形Δl。

5）制造装配传递相位总公差Δα，凸轮的制造误差及凸轮轴与曲轴的装配误差最后都会体现在气门相位的前滞或后滞。

6）气门相位调节角度δ，相位前滞时，取正值，相位后滞时，取负值。

气门与活塞间隙:

 （2） 

  式中：β为气门倾角；计算进气门与活塞间隙时Δα取正，计 算排气门与活塞间隙时Δα取负。

1.2 Excel的实现

在Excel中，对不同类型的输入参数进行归类，通过强大的计算功能，对气门活塞间隙计算公式进行求解；利用Excel绘图功能，将计算的结果显示出来，得到气门升程的各项数据及最小气门活塞间隙Min.C，如图2所示。

  采用分析程序，可以省略建模的时间及降低分析人员对仿真分析和计算能力的要求。在前期产品开发阶段，设计工程师只需要收集相关输入数据，输入到程序中即可得到所需的结果，从而可以将主要精力投入到方案优化上^[14]。

2 计算实例

2.1 已知条件 

 1）某两缸四冲程汽油机，冲程为34.5 mm，连杆长度43 mm；2）气门升程见图3；3）活塞在上止点（TDC）时，缸体顶面到活塞顶面的距离为2 mm；4）缸垫厚度为0.75 mm，避阀坑深0 mm；5）气门关闭时刻最低点与缸盖底部的距离1 mm；6）各关联运动件的尺寸总公差为0.821 mm；7）制造及装配相位总偏差控制在4.5°曲轴转角内。

2.2 计算结果及分析 

在计算分析控制中，设定尺寸+相位公差的分析计算，考虑尺寸公差及制造装配传动相位公差对气门活塞间隙的影响。图4给出了气门-活塞的运动关系图及气门活塞运动间隙图。

图5给出了最小气门活塞间隙值，可以看出，在气门达到上止点后5.75°凸轮转角（camdeg）时，最小气门活塞间隙为1.48 mm，满足设计要求。

之前在很多有关气门活塞间隙的研究工作中，都忽略了尺寸公差及制造装配传动相位公差的影响。实际上，根据尺寸链公差理论^[15]可知，系统的尺寸公差及制造装配传动相位公差势必会影响原有的气门活塞运动轨迹，从而影响气门活塞运动间隙。现根据计算结果来说明不同参数对最小气门活塞间隙的影响。

                                               图6 不用参数的计算结果          

   

图6给出了不同参数的计算结果，可以得到不同参数对最小气门活塞间隙的影响。由图可知，不考虑尺寸公差及相位公差的影响时，得到名义值Min.C=2.67 mm，这种计算结果就是现在传统的计算方法得出的理论结果。单独考虑尺寸公差的影响，得到Min.C=1.85 mm；单独考虑相位公差，得到Min.C=2.30 mm；综合考虑所有参数的影响，得到Min.C=1.48mm。

从图6中4种结果对比可知，尺寸公差的影响值为（2.67-1.85）=0.82 mm，相位公差的影响值为（2.67-2.30）= 0.37 mm，总公差的影响值为（0.82+0.37）=1.19 mm。可知尺寸及相位公差对气门活塞间隙影响显著，不容忽视。

                                            图7 不同名义距离下的计算结果

图7给出了不同名义距离下的计算结果，可知当名义距离由3.75 mm减少到2.1 mm时，名义值Min.C=1.02 mm。根据设计公司推荐的值，最小气门活塞间隙名义值为1 mm，由计算结果可知，当考虑到尺寸及相位公差时，最小气门活塞间隙值为-0.17 mm，可知，在此工况下，会出现气门撞活塞的现象。

3 结 论

1）通过分析气门活塞间隙的影响因素，提出了一种计算气门-活塞间隙的新算法，通过考虑相关零部件的公差、凸轮的制造公差及曲轴-凸轮装配传动误差等因素影响，使得该计算方法更加精确。

2）利用Excel强大的计算和绘图功能，设计了气门 活塞间隙计算分析程序，可以大幅度提高工作效率。

3）通过对某发动机的计算分析，该程序直观地显示了尺寸公差、相位公差因素对最小气门-活塞间隙的影响贡献值，为设计师进行数据分析及优化方案提供了理论依据。

[参 考 文 献]

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[3]李嘉骏,李忠泉.谈谈气门摇臂连续折断的原因[J].农业机械, 1987(11):21.

[4]高永胤.气门与活塞最小间隙及其相应角位的求解法[J].内燃机工程,1989,10(4):80-81.

[5]陈文壁.气门与活塞间距离的计算方法[J].柴油机,2006,28(3):35-27.

[6]施玉春,王剑锋,王志国,等.4G15V机型汽油机气门与活塞最小运动间隙的计算[J].汽车实用技术,2016(10):85-88.

[7]王东玉,张萍,颜峰,等.活塞与气门的最小间隙分析[J].内燃机,2016(2):51-54.

[8]王建萍,朱昱,李志扬.柴油机运动系统仿真与气门活塞最小运动间隙测量[J].现代制造工程,2014(9):113-116.

[9]李玉霞.某船用柴油机气门断裂故障浅析[J].内燃机与配件,2017(2):63.

[10]仲斌,陈培红.8138Cz船用柴油机气门与活塞最小运动间隙的计算[J].内燃机,2004(5):11-14.

[11]张浩.140柴油机配气系统仿真分析[D].济南:山东大学,2012.

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[13]陈家瑞.汽车构造[M].北京:人民交通出版社,1993.

[14]程文明,李刚,邹扬宁.4NC2A型柴油机气门下陷量的确定[J].制造业自动化,2011(3):53-55.

[15]李舒燕.公差与配合[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2007. （责任编辑 张立明）