第一章 气门设计及其热处理工艺

16
为了保证密封性，同时考虑弹簧对气门运动作用 压力，保证气门即时封闭。因此气门失效与弹簧 力失效也有关，这一点是编者提出考虑的问题。 因此当P值一定时，则气门头部密封锥面斜角γ越 大，座合表面间的座合力就越大，采用大γ也有利 于清除沉积在封密面上的积炭和杂质，这是由于 气门回落时的轴向位移hm可以看作是两个分位移 之和，两表面间相互接近的位移hd=hmcosγ和两 表面间的相对平移ht=hmsinγ，见图4（b）.随γ角 的增大而增大，它起着抹去上述积炭和杂质的作 用。 但对于缸内气压较高的增压式发动机来说，气门 所受到的轴向载荷也是很大时，选用较小的γ比较 合适，以便减少座合锥面的磨损及由此所产生的 气门下陷，增压式发动机一般=30°或更小的密封 锥面斜角γ。
2
第一章 气门设计及其热处理工艺
一 气门的工作条件及设计要求. 1 气门在发动机配气系统中是一个关键部 件,是用来打开或关闭进排气道,是保证发动 机可靠性和耐久性的主要部件.气门工作条 件极其严酷，承受全体压力的冲击,气门头 部直接与高温高压气门体接触，不仅受热， 而且受腐蚀，散热条件很差，如图1所示：
20
t
β
d 图 6- - -气 门 头 部 厚 度t 及 背 锥 角 β 示意 图
三 关于司太立合金（钴基合金）的种类介绍
司太立合金在本世纪初1900年为美国人 ElwoodHaynes所发明，这种以钴铬钨为主要元 素的合金冷却后是银白色，熠熠发光恰是星星。 在拉丁语中星星为Stella,故命名为Stella,以后 Haynes把Stellite作为商标。我国则把它译为司太 立，定义为钴铬钨合金。 1922年司太立合金用于硬面涂层，以解决内燃机， 随后是喷气发动机对材料的特殊需要。司太立合 金的开发对航空，汽车，高温化工业的发展做出 了重要的贡献。目前全世界每年耗用司太立合金 大约1500吨，而其中1/3是用于内燃机汽阀和其它 阀门的堆焊上。
6
二 气门的构造设计
气门结构两部组成:气门头部和杆部.
1 气门头部形状设计 通常气门头部有三种结构形成:平面头部、凹面头 部和凸面头部.如图(2)示:
图2 - -- 气门 头部形状
7
三种结构形式特点如下: a、平面气门头部的特点是:几何形状简单,工艺性 好受热面小,适应于大量系列化生产.因此被广泛采 用.为了减轻重量其杆部到头部的半径较小,运动流 动阻力增大. b、凹面头部(窝子)的特点:杆部到头部的圆弧半径 较大,流动阻力小,刚度适中,但工艺较难,受热面大, 适用于高速强化发动机.JH70、JH145等都采用这 种结构 c、凸面头部的特点是:比较适应于气体从汽缸流动 的流线.刚度好.常用于高速强化发动机的排气门或 某些装冷却剂气门(简称空心气门)例:德国的奔驰、 宝马车空心气门内装固体钠金属做冷却剂.
a
b
图 3- -气 门 密 封 锥 面 与 气 门 座 的 配 合
c
d
气门的 气体 通路 截面
10
见图3(b)(c),否则按图3(a)设计,就不能保证长期 密封.故此这种结构使气门密封锥面在磨损后出 现台阶,但是相反,如果工作中气门座磨损大于 气门,就应该设计成d>d1 如图3(a).注意!为了考 虑锥仰角,设计应该考虑到换件方便.必须考虑 避免缸头座圈磨损,设计气门锥面硬度略低于缸 头座圈硬度,保证排气门锥面上堆焊能承受高温 磨损、耐腐蚀、耐热疲劳、耐气流冲刷侵蚀的 钴基合金，也保证气门使用寿命,到一定情况下, 气门被磨损后,缸头座圈不会磨损,只换气门不 换汽缸头.
重庆大东隆腾汽车摩托车 气门制有限公司
气门设计、 门线加工工艺、 气门门线失效问题分析探讨
编著：蔡时贤 校对：刘小燕 制作：赵普徐 2007-5-25
参考文献： 1：《Failnre of Materrials in Mechanical Design AnalYsis Predicfion Prevention》 （机器设计中材料失效、分析、防止、预测） 2：《耐磨材料手册》 3：《摩托车发动机检修问答》 4：高等学校交流讲义：《金属机械性能》 5：《金属热处理手册》 6：热处理手册《第二册》 7：《破断故障金相分析》 8：兵器工业部西南兵工局干部教育培训教 材：《摩托车与技术》
9
注意:在不确定气门头部直径D时,还应该考虑到,为了保证密封 锥面磨损后仍能可靠的密封, 由于气门锥面硬度低于气门座硬 度,气门磨损较快的情况下气门直径D等于或小于气门座密封 面的最大直径D。且坐圈宽度1.5~2mm，见图3示:
e γ δ hm h d d1 H
'
磨损 后
d
d1 = d - 2 e
21
1）支撑性能 司太立合金在高温和常温下有很好的抗磨 擦和抗咬合能力。它们能保持；较高的光 亮度，磨擦系数较低，在0.11---0.15之间， 这要取决于司太立合金和与之相对应的相 对磨擦面的表面粗糙度，在与软的黑色金 属材料磨擦时，司太立合金可能会产生伤 痕，但与某些有色金属能很好的配合。 司太立合金很好的抗磨擦性和抗咬合性在 用作阀门和气门的密封面时异常优越。
15
为了使气门与惯性力曲线匹配良好，降低 弹簧应力，采用两个左旋（内）和右旋 （外）弹簧组。 JH70气门弹簧计算力为： 内弹簧全开 P1=117.2±12N（弹簧压缩 10mm） P2=205±14N（弹簧压缩16mm） 外弹簧全开 P2=95±6.7N(弹簧压缩16mm) P1=55±5.5N(弹簧压缩10mm)
17
4 气门的座合及宽度 当气门的硬度与气门座的硬度接近匹配时，故两者配合情 况如图5所示：
气 门 座
b' b
0 . 5° - - 1°
气 门
图5--气门密封锥面的实际接触情况
18
即使是气门密封锥面并不是以全宽与气门座配合 的，实际接触宽度b′要比b小得多，而b′越宽，越 利于散热。但b′过大时，工作面比压下降，沉积 于气门与气门座密封锥面的杂物和硬颗粒就不能 很好辗碎，妨碍密封性。因此，密封带宽度取适 中值，一般当d=20—32mm，b′=0.7—0.9mm； 当d=33—35mm时，b′ =1.6—2.4mm；当 d=35mm时，b′=2.4—2.8mm。为了保证密封可 靠，只允许锥面斜角大0.5—1.0°，即使是负角， 通过公司调整角度公差45°+12′/+4′按磨凡尔线减 角允差，保证不存在研磨气门缸头座圈措施来实 现密封性。同时保证圆度达到3μm之内，而不允 许有相反的关系。如图5所示，为了密封性，气门 头部密封锥面对杆部圆柱面的跳动为0.03— 0.04mm气门密封锥面一般取为b=(0.05---0.12)d 为适合。
14
（2）P是由于装配气门上的 B 回位弹簧，气门弹 簧还增大气门对气门座的压力,提高对气门的密封 作用。一般气门驱动机构各构件间，一般是能传递 压力，不能传递拉力，所以气门机构必须用回位弹 簧维持机构各零件的正常接触。 配气机构传动件的往复运动使气门弹簧受交变负荷 力，它们在负加速度段，工作期的惯性力会使机构 脱开，凸轮运动的谐振动又会激起气门弹簧颤振， 会使气门弹簧应力幅度增加，而有效弹力减小，致 使气门反跳。因此要求弹簧力始终大于机构惯性力 （是加速度及附加谐振产生）要求弹簧颤振减小， 保证机构正常运行。
13
4 气门的封密性和传热性要求：
（1）为了保证密封和传热，在气门和气门座的座合表面（即 密封面）间应有足够的座合压力。由于沿轴向作用在气门上 的关紧力p与此产生的环绕锥面分布的法向力N之间关系如图 4所示。N=P/cosγ
γ
α
γ
hm ht ha
P
N
(a)
(b )
图4
气门 头部密封 锥面斜 角
3
图1
E 尾部 硬化 部分
660 681 727 V-8货车 771 4000r/ 782 796 min 810 840 796 780 771 763 743 738 757 704 704 738 743757 761771 782 796 810 613 638 710 732 V--8轿 721 车 710 3500r 712 /min 710 682 638 613 593 593 583 613 613
8
2 头部直径 气门头直径一般是希望尽可能取得大些,以 便保证良好的进、排气效果.在确定气门头 部直径时,考虑到汽缸和燃烧时系统布置和 形状尺寸限制.此处当气门头部过大,则会靠 近汽缸头燃烧处的鼻梁(燃烧室内温度最高 而热强力最大的区域)，一般发动机头部直 径D=(0.32~0.15)D其中D为汽缸直径设计中 考虑佳值. 一般排气门头部直径比进气门直径要小 10%-20%，排气门头部直径略小还能改善 其受热状况.
5
2 气门设计的基本要求: 原则上有下列考虑: A: 为了保证有足够的进气量,在缸头布置允 许的条件下,头部直径应尽可能大些,并尽可 能减少气体流动阻力. B: 结构简单,在保证足够强度和刚度的条件 下,尽量减轻重量. C: 尽可能降低热负荷,主要是与汽缸头的设 计配合,改善散热条件. D: 应选择强度高.耐热、耐腐蚀的材料.对排 气门的材料要求耐高温.
Байду номын сангаасD C 焊接 部份
B
A
顶 部
602 638 排气 冲击 图 --- 1 典型汽 车 排气 阀危 险区 及 温度 分度 状 态
4
1） 阀的最高温度在阀的头部和颈部（A ，C区）， 汽油发动机气阀最高温柴油机气阀最高温度在A区。这 些部位要求高的热强度和良好的耐腐蚀性。 2） 与阀座接触的阀面（B）区是阀的又一个危险区， 该区要求抗热腐蚀，热疲劳，热磨损等综合性能。 阀杆与阀端（D，E）均属热磨损区，该区要求优越的 减摩和耐磨性能。 排气阀的损坏形式主要是阀面烧损，阀盘的疲劳碎裂 和阀杆断裂。 不仅受热,而且受腐蚀.散热条件很差.如图:(1) 因此这一运动排气尤其为严格.其局部最高温度可达 800~900℃,气门落座时产生且承 很大的冲击载荷,对 气门来说还要承受废气的高速冲刷,在这样严酷工作条 件下,气门经常出现变形、腐蚀、烧伤.气门座的磨损、 气门断裂等故障.
11
3 气门头部密封锥面斜角:
当气门的升程H不太大时气门头部密封锥角γ对气 体的流动有影响.此时作为气体通路截面是一个侧 表面,如图3（d）所示.它的小底直径是d,大底直径 是d1=d+δe,而母线长。h’=hmcosγ，通路截面积 fm=πh’(d1+d)/2.因为e=h’sinγ。所以， fm=(dcosγ+hmsinγcom2γ)≈πhmcosγ。（1）。 当γ=0时，fm=πhmd,只有这时通路截面一个圆柱 形的侧表面，如果气门升程hm的数值一定，从上 式（1）可知，随着γ角的加大，通路截面积减小， 摩托车的气门头部密封锥后角一般都是45°或者 30°。
12
当气门开大，开程hm达到某一值时气门侧面的 通路截面就等于喉口的截面积，再增大开程对气 流的流通将不再有显著影响。这个升程值hm分 别为γ=45°时，hm=0.31d；γ=30°时， hm=0.26d。因此本公司CG125为例:外圆 d1=29.d=26.2.所以,hm=0.31×26.2=8.122.摩托 车上气门最大的升程为1/4左右,且进排气门的升 程取同样的数,故hm=1/4×26.22=6.55.（经验公 式）。 所以本人认为CG125进排气门 hm=6.55--17.00之间取。同时活塞上有一个半圆 弧斜凹面，高接近。如果hm计算近似值不是最 佳值，就有可能产生顶缸，气门与设计活塞接触， 加上缸盖上纸垫厚度都要严格控制，如果纸垫薄 厚都要考虑气门最大升程，纸垫薄超差，更易产 生顶缸概率。这个问题，原嘉陵厂发动机设计专 家某某某曾经论证过顶缸概率，这是发动机设计 理论讨论的问题。
19
5 气门头锥部厚度及背锥角设计要求 如图6所示是气门头部厚度大及背锥角B示意图。气门头部 厚度大对气门刚度影响较大，设计时希望在不太大的重量 下能得到较大的刚度。一般取t=(0.1~0.2)d0.气门的背锥面 β除影响气门的刚度外，还影 响进气阻力。试验表明，当 β=20°左右时，气流阻力最 小。本公司承接印度艾斯考 茨公司B03，B05，B26试制 生产时，公司与森杰先生讨 论，试制中讨论角度 的重要 性 。有最大进气流，减少进 气的阻力。如BO5的进气门 背锥角β=20°，排气门背锥 角β=30°时进排气流达到最 大值，改善气门工作条件。