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氣門(mén)彈簧的預(yù)緊力和彈簧剛度測(cè)試實(shí)驗(yàn) |
摘要:柴油發(fā)電機(jī)配件之氣門(mén)彈簧制造過(guò)程中,節(jié)距影響彈簧自由長(zhǎng)度,而劣質(zhì)彈簧的性能進(jìn)一步影響柴油機(jī)的故障率。本文根據(jù)實(shí)際的氣門(mén)彈簧節(jié)距和線圈數(shù),用CATIA建立數(shù)學(xué)模型,確定彈簧自由長(zhǎng)度、節(jié)距以及彈簧圈數(shù)之間的關(guān)系?;贏BAQUS平臺(tái),以標(biāo)準(zhǔn)彈簧 為力學(xué)基礎(chǔ),對(duì)不同超差量的氣門(mén)彈簧模型進(jìn)行靜力學(xué)有限元仿真分析和預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析。
氣門(mén)彈簧是柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中氣門(mén)組件的重要組成部分,通過(guò)彈簧自身張力克服氣門(mén)關(guān)閉過(guò)程中氣門(mén)及傳動(dòng)件因慣性力而產(chǎn)生的間隙,保證氣門(mén)及時(shí)落座并緊密貼合,同時(shí)也可防止氣門(mén)在發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)時(shí)因跳動(dòng)而破壞密封。而在實(shí)際氣門(mén)彈簧的生產(chǎn)過(guò)程中,無(wú)法對(duì)廢品彈簧進(jìn)行及時(shí)有效的在線判斷,造成生產(chǎn)過(guò)程中的廢品率過(guò)高。因此,對(duì)于如何在線判斷廢品、判斷廢品的依據(jù)以及調(diào)整工藝參數(shù)的依據(jù)顯得尤為重要。而氣門(mén)彈簧的節(jié)距,是彈簧力學(xué)性能的重要參數(shù)。同時(shí),也是實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中需要控制的生產(chǎn)參數(shù)。它影響氣門(mén)彈簧的自由長(zhǎng)度,從而直接影響彈簧的力學(xué)性能。但是,由于生產(chǎn)工藝的影響,實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,彈簧節(jié)距值與理論設(shè)計(jì)值總存在一定的偏差。當(dāng)超差量在一定范圍內(nèi)時(shí),不會(huì)影響到彈簧的合格率,同時(shí)能減少生產(chǎn)成本。本文著重分析節(jié)距偏差對(duì)彈簧總長(zhǎng)的影響,建立不同偏差值的彈簧模型,對(duì)其進(jìn)行仿真分析,以獲得能保證其使用性能的最大偏差量。
一、氣門(mén)彈簧的性能要求及功能
1、氣門(mén)彈簧功能
氣門(mén)彈簧的功用是保證氣門(mén)在關(guān)閉時(shí)能壓緊在氣門(mén)座上,而在運(yùn)動(dòng)時(shí)使傳動(dòng)件保持相互接觸,不致因慣性力的作用而相互脫離,產(chǎn)生沖擊和噪聲。所以氣門(mén)彈簧在安裝時(shí)就有較大氣門(mén)彈簧的材料通常為高碳錳鋼、硅錳鋼和鎳鉻錳鋼的鋼絲,用冷繞成型后,經(jīng)熱處理而成。為了提高彈簧的疲勞強(qiáng)度,一般用噴丸或噴砂表面處理。氣門(mén)彈簧的形狀多為圓柱形螺旋彈簧,如圖1所示。
氣門(mén)彈簧的使用過(guò)程中,由于受到壓縮載荷的作用,會(huì)產(chǎn)生并圈現(xiàn)象,這種自接觸行為會(huì)導(dǎo)致彈簧剛度呈非線性變化。在壓應(yīng)力作用下,氣門(mén)彈簧會(huì)受到沿著45°方向的剪應(yīng)力作用,最終導(dǎo)致疲勞斷裂。因此,設(shè)計(jì)過(guò)程中,必須保證氣門(mén)彈簧的最大剪應(yīng)力、米塞斯應(yīng)力小于許用應(yīng)力,其1階模態(tài)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工作頻率,如圖2所示。
氣門(mén)彈簧在工作時(shí)可能發(fā)生共振。當(dāng)氣門(mén)彈簧的固有振動(dòng)頻率與凸輪軸轉(zhuǎn)速或氣門(mén)開(kāi)閉的次數(shù)成倍數(shù)關(guān)系時(shí),就會(huì)產(chǎn)生共振。共振會(huì)使氣門(mén)彈簧加速疲勞損壞,配氣機(jī)構(gòu)也無(wú)法正常工作,因而應(yīng)盡力防止。
圖1 氣門(mén)彈簧鎖緊裝置示意圖 |
圖2 氣門(mén)彈簧疲勞破壞圖 |
2、氣門(mén)彈簧性能要求
氣門(mén)彈簧的基本參數(shù)是彈簧預(yù)緊力和彈簧剛度。氣門(mén)彈簧在疲勞壽命的使用范圍內(nèi),必須保證彈簧具有規(guī)定要求的彈性剛度,提供足夠的反力來(lái)平衡系統(tǒng)中氣門(mén)及其相關(guān)附件產(chǎn)生的各種力和慣性力,保證氣門(mén)閉合的力度和避免氣門(mén)飛脫。同時(shí),必須保證氣門(mén)彈簧的工作頻率和它的固有振動(dòng)頻率不成整數(shù)倍關(guān)系,防止發(fā)生共振,使彈簧發(fā)生斷裂。
(1)增加彈簧剛度
通過(guò)增加彈簧剛度來(lái)提高固有頻率是防止共振的措施之一。但剛度增加,凸輪表面的接蘭應(yīng)力加大,使磨損加快,曲軸驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)所消耗的功也增加。有的柴油發(fā)電機(jī)組采用變鏍距彈簧來(lái)防止共振。工作時(shí),彈簧螺距較小的一端逐漸疊合,有效圈數(shù)不斷減少,因而固有頻率也不斷增加。這種氣門(mén)彈簧在安裝時(shí),應(yīng)將螺距較小的一端靠近氣門(mén)座。
(2)采用兩根彈簧
不少柴油發(fā)電機(jī)組采用兩根氣門(mén)彈簧來(lái)防止共振。內(nèi)、外兩根氣門(mén)彈簧同心地安裝在一個(gè)氣門(mén)。采用雙彈簧的優(yōu)點(diǎn)除了可以防止共振外,同時(shí)當(dāng)一根彈簧折斷時(shí),另一根還可繼續(xù)維持工作,不致產(chǎn)生氣門(mén)落人汽缸的事故。此外,在保證相同彈力的條件下,雙彈簧的高度可比一根彈簧的小,因而可降低整機(jī)高度。采用雙彈簧時(shí),內(nèi)、外彈簧的螺旋方向應(yīng)相反,以避免當(dāng)一根彈簧折斷時(shí),折斷部分卡入另一根彈簧中。
二、彈簧節(jié)距與自由長(zhǎng)度的數(shù)模
在氣門(mén)彈簧的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,由于伴隨著節(jié)距誤差,彈簧的節(jié)距會(huì)逐漸增加。因此,彈簧的自由長(zhǎng)度也會(huì)增加而偏離理論值。為了建立合適的節(jié)距——自由長(zhǎng)度數(shù)學(xué)模型,測(cè)量了大量的彈簧實(shí)際節(jié)距,得到以下彈簧自由長(zhǎng)度計(jì)算公式:
li是氣門(mén)彈簧在180度位置的實(shí)際測(cè)量高度,n和d分別表示氣門(mén)彈簧的圈數(shù)和氣門(mén)彈簧的鋼絲直徑。測(cè)量時(shí),分別測(cè)量彈簧上下端面到中面的距離來(lái)減少測(cè)量誤差,然后對(duì)這些節(jié)距進(jìn)行數(shù)據(jù)處理發(fā)現(xiàn):
(1)規(guī)定氣門(mén)彈簧上、下偏差后,每個(gè)彈簧的節(jié)距值的變化趨勢(shì)一致。
(2)對(duì)于同一個(gè)彈簧,相鄰的三圈彈簧之間,測(cè)量出兩個(gè)不同的節(jié)距值。
三、氣門(mén)彈簧分析理論及CAD模型
1、分析理論
(1)靜力學(xué)分析理論
氣門(mén)彈簧的靜力分析過(guò)程中,忽略了慣性力,及平衡方程中并沒(méi)有考慮了加速度的影響,因而整個(gè)系統(tǒng)控制方程為
[K] {u} = {F}
因此,結(jié)構(gòu)靜力學(xué)問(wèn)題,即歸結(jié)為求解靜力方程。
(2)模態(tài)分析理論
模態(tài)分析是分析結(jié)構(gòu)自然頻率和模態(tài)形狀的方法,其在分析中會(huì)假設(shè):
① 結(jié)構(gòu)剛度矩陣和質(zhì)量矩陣不發(fā)生改變;
② 除非指定使用阻尼特征求解方法,否則不考慮阻尼效應(yīng);
③ 結(jié)構(gòu)中沒(méi)有隨時(shí)間變化的載荷。
在無(wú)阻尼系統(tǒng)中,結(jié)構(gòu)振動(dòng)方程如下所示
[M] {Ü} + [K] {u} = {0}
式中:[M]——質(zhì)量矩陣;
[K]——剛度矩陣,可以包括預(yù)應(yīng)力效應(yīng)帶來(lái)的附加剛度;
{Ü}——節(jié)點(diǎn)加速度向量;
{u}——節(jié)點(diǎn)位移向量。
2、氣門(mén)彈簧CAD模型
實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,彈簧的節(jié)距與理想的設(shè)計(jì)尺寸存在一定的誤差,因此,理想的彈簧設(shè)計(jì)模型與實(shí)際制造的彈簧模型存在一定的差別。其中,自由長(zhǎng)度以及節(jié)距的差異性造成了實(shí)際生產(chǎn)的氣門(mén)彈簧與理論設(shè)計(jì)的彈簧的力學(xué)性能的差異。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型,可以發(fā)現(xiàn)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,氣門(mén)彈簧的自由長(zhǎng)度超差量分別為正向超差、負(fù)向超差。某企業(yè)氣門(mén)彈簧生產(chǎn)過(guò)程中,允許的正負(fù)值超差量極值均為2 mm。實(shí)際生產(chǎn)中彈簧自由長(zhǎng)度超差量越大,生產(chǎn)中的廢品率越高。為了找到正、負(fù)偏差量的極限值,同時(shí)驗(yàn)證2mm的超差量時(shí),生產(chǎn)出的彈簧是否符合要求,分別在兩個(gè)極限范圍內(nèi)設(shè)置不同超差量,實(shí)際自由長(zhǎng)度超差量數(shù)值如表1所示:
根據(jù)實(shí)際彈簧的節(jié)距變化數(shù)據(jù)找到的數(shù)學(xué)模型,計(jì)算出每一圈彈簧節(jié)距相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)件彈簧的變化值,建立不同自由長(zhǎng)度超差量氣門(mén)彈簧的CAD模型。
表1 彈簧模型超差量/mm
項(xiàng)目
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模型一
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模型二
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模型三
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模型四
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模型五
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模型六
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模型七
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正超差量
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0.5
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1.0
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1.5
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2.5
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3.0
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3.5
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4.0
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負(fù)超差量
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-0.5
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-1.0
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-1.5
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-2.5
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-3.0
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-3.5
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-4.0
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四、結(jié)果及分析
1、標(biāo)準(zhǔn)氣門(mén)彈簧性能
彈簧實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,實(shí)際節(jié)距與理論值總存在一定的偏差,因此,彈簧的剛度和質(zhì)量也會(huì)隨之變化,進(jìn)而影響彈簧的振動(dòng)特性。共振將導(dǎo)致配氣機(jī)構(gòu)不能正常工作,氣門(mén)將發(fā)生沖擊和反跳,共振嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致彈簧斷裂。為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性和安全性,很有必要對(duì)氣門(mén)彈簧振動(dòng)特性進(jìn)行研究,避免發(fā)生共振[8]。彈簧自由長(zhǎng)度越接近理論設(shè)計(jì)值時(shí),彈簧力學(xué)性能越能滿足其工作需要。為了滿足彈簧性能要求,必須盡量減小超差值。然而,超差值越小,生產(chǎn)越困難,廢品率越高,生產(chǎn)成本越高,必須設(shè)置合理的超差值。因此,進(jìn)行有限元仿真分析,比較超差模型和標(biāo)準(zhǔn)模型的剪應(yīng)力、米塞斯應(yīng)力以及彈簧1階模態(tài)的變化趨勢(shì)。
氣門(mén)彈簧在實(shí)際工況中會(huì)受到預(yù)緊力的作用,因此,本文在用ABAQUS軟件對(duì)氣門(mén)彈簧進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)采用預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析。提取最大剪應(yīng)力、米塞斯應(yīng)力以及預(yù)應(yīng)力彈簧1階模態(tài)云圖。仿真結(jié)果表明最大剪應(yīng)力位置在彈簧中圈內(nèi)表面上,如圖3所示,彈簧1階模態(tài)如圖4所示。
由仿真結(jié)果的中的最大Tresca應(yīng)力可求出最大剪應(yīng)力
τmax=½Tresca
基于對(duì)有限元軟件求解結(jié)果的分析,得出標(biāo)準(zhǔn)氣門(mén)彈簧完全滿足力學(xué)性能要求。完全符合實(shí)際的工作狀況。
圖3 標(biāo)準(zhǔn)氣門(mén)彈簧最大Tresca應(yīng)力 |
圖4 標(biāo)準(zhǔn)氣門(mén)彈簧1階模態(tài) |
2、正偏差氣門(mén)彈簧性能
對(duì)于正向偏差量的彈簧,通過(guò)設(shè)置自由長(zhǎng)度不同超差量,進(jìn)行有限元分析,求解出每個(gè)模型的最大剪應(yīng)力、最大米塞斯應(yīng)力以及1階模態(tài)。并與標(biāo)準(zhǔn)件的最大剪應(yīng)力、米塞斯應(yīng)力以及1階模態(tài)比較,觀察自由長(zhǎng)度的變化與各項(xiàng)性能的相對(duì)變化趨勢(shì)。如下圖5、圖6所示。
通過(guò)Oringin Pro繪制彈簧最大米塞斯應(yīng)力、剪應(yīng)力以及1階模態(tài)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件彈簧變化趨勢(shì)圖,可以更加直觀地分析彈簧的最大米塞斯應(yīng)力、剪應(yīng)力以及1階模態(tài)相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)彈簧的變化量。
(1)從圖5中我們可以看到,氣門(mén)彈簧偏差值2 mm在許用偏差范圍內(nèi),氣門(mén)彈簧的生產(chǎn)過(guò)程滿足彈簧性能要求。
(2)當(dāng)彈簧自由長(zhǎng)度正向逐漸增大時(shí),彈簧的最大米塞斯應(yīng)力、剪應(yīng)力相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件彈簧應(yīng)力值逐漸增大,盡管增大的過(guò)程中,有一些小的波動(dòng),但主體增長(zhǎng)趨勢(shì)不變。
(3)可以觀察到彈簧自由長(zhǎng)度變化量達(dá)到2.5 mm時(shí),米塞斯應(yīng)力的變化幅值超過(guò)了10%。因此,2.5 mm是偏差臨界值。
(4)當(dāng)彈簧自由長(zhǎng)度正向逐漸增大時(shí),彈簧的1階模態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)模型1階模態(tài)相比基本不變,超差量對(duì)其1階模態(tài)影響不大。
圖5 氣門(mén)彈簧最大剪應(yīng)力相對(duì)變化趨勢(shì) |
圖6 氣門(mén)彈簧I階模態(tài)變化趨勢(shì) |
3、負(fù)偏差氣門(mén)彈簧性能
對(duì)于負(fù)值偏差量的彈簧,通過(guò)設(shè)置不同超差量,進(jìn)行有限元分析,求解出每個(gè)模型的最大剪應(yīng)力、最大米塞斯應(yīng)力以及1階模態(tài)。并與標(biāo)準(zhǔn)件的最大剪應(yīng)力、米塞斯應(yīng)力以及1階模態(tài)比較,觀察自由長(zhǎng)度的變化與各項(xiàng)性能的相對(duì)變化趨勢(shì)。如下圖7、圖8:
同理,通過(guò)Oringin Pro繪制彈簧最大米塞斯應(yīng)力、剪應(yīng)力以及1階模態(tài)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件彈簧變化趨勢(shì)圖,可以更加直觀地分析彈簧的最大米塞斯應(yīng)力、剪應(yīng)力以及1階模態(tài)相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)彈簧的變化量。
(1)與正偏差結(jié)果相似,整體偏差值增大,自由長(zhǎng)度也增加,彈簧的最大米塞斯應(yīng)力、剪應(yīng)力相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件彈簧應(yīng)力值逐漸增大。
(2)當(dāng)彈簧的自由長(zhǎng)度變化,剪應(yīng)力相對(duì)變化值和米塞斯應(yīng)力的變化幅值并未超過(guò)臨界值10%,這表明預(yù)設(shè)的整體偏差值比較合理。
(3)當(dāng)彈簧自由長(zhǎng)度正向逐漸增大時(shí),彈簧的1階模態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)模型1階模態(tài)相比基本不變,超差量對(duì)其1階模態(tài)影響不大。
圖7 負(fù)偏差氣門(mén)彈簧最大剪應(yīng)力相對(duì)變化趨勢(shì) |
圖8 負(fù)偏差氣門(mén)彈簧I階模態(tài)變化趨勢(shì) |
總結(jié):
基于實(shí)驗(yàn)和仿真研究,本文提出了調(diào)整氣門(mén)彈簧節(jié)距的方法,找到合適的偏差值以提高生產(chǎn)質(zhì)量。其中,有限單元分析法用來(lái)確定彈簧整體的偏差預(yù)設(shè)值。正、負(fù)偏差條件下分別計(jì)算節(jié)距和彈簧整體自由長(zhǎng)度的關(guān)系。在預(yù)設(shè)整體偏差條件下,這些規(guī)則可以運(yùn)用于每個(gè)節(jié)距的調(diào)整,從而提高生產(chǎn)質(zhì)量。建立標(biāo)準(zhǔn)CAE模型和正、負(fù)偏差的范圍。結(jié)果表明:
(1)最大米塞斯應(yīng)力和剪應(yīng)力隨著自由長(zhǎng)度偏差量的增大而增大,氣門(mén)彈簧1階模態(tài)相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)模型的1階模態(tài)變化可以忽略。
(2)與標(biāo)準(zhǔn)彈簧模型相比,彈簧整體長(zhǎng)度正偏差量不能超過(guò)2.5 mm,設(shè)置的所有負(fù)偏差量都滿足要求。因此,在彈簧制造生產(chǎn)過(guò)程中預(yù)設(shè)2.0 mm的偏差量是符合質(zhì)量要求的。以后可以進(jìn)一步實(shí)驗(yàn),對(duì)不同規(guī)格的彈簧進(jìn)行研究,得到彈簧自由長(zhǎng)度和許用超差量的關(guān)系,可以更快捷地得到不同彈簧在制造過(guò)程中可控制的超差量,以達(dá)到提高生產(chǎn)質(zhì)量的目的。
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