弹簧有限元分析

1 前言

气门弹簧作用是使气门自动回位关闭，并保证气门与气门座的紧密结合。另外,还用于吸收气门在开闭过程中各传动零件所产生的惯性力，以防止各传动件彼此分离而破坏配气机构正常工作。气门弹簧承受着频繁的交变载荷。为保证可靠地工作，气门弹簧应有合适的弹力、足够的强度和抗疲劳强度。所以对气门弹簧的刚-强度进行分析具有重要意义。

为提高气门弹簧的强度和抗疲劳强度以及防止共振和颤振现象，气门弹簧越来越多地选用非线性变刚度螺旋弹簧，能有效的防止气门弹簧共振的发生。与普通圆柱螺旋弹簧不同的是，变刚度圆柱螺旋弹簧的刚度随载荷的增加而增加。目前，可以通过变节距、变中径和变簧丝直径三种方式来获得变刚度圆柱螺旋弹簧。本文对某型号的变节距螺旋弹簧进行了有限元分析。

2 模型建立

某型号的气门弹簧的CAD图，如图1所示。

在Pro-E中建立起弹簧的几何模型，同时，为了更真实的模拟实际情况，还建立了弹簧底座的实体模型。根据CAD-CAE之间接口无缝导入ANSYSWorkbench。用SOLID186单元剖分网格，进气门弹簧的模型见图2。

3 边界条件

由于排气行程较进气行程小，所以这里只对进气门弹簧的刚度和强度进行分析。在下弹簧座底面上约束所有线位移，在上弹簧座顶面上沿纵向施加强迫位移，对进气门弹簧的刚-强度进行分析。

4 有限元分析结果

4.1 刚度分析

通过图4可以看出，随着进气门弹簧压缩量的增加，弹簧的支反力是以非线性的形式逐渐增加的。这主要是考虑了弹簧的自接触的因素，弹簧的刚度不是以线性的形式变化，而是以非线性的形式增加。

4.2 强度分析

通过对应力云图5和6以及曲线图7分析，可以看出气门弹簧在轴向位移载荷的作用下，弹簧内圈的应力明显大于外圈，两端受到的应力较小，且随着时间的推移，也就是轴向载荷的增加，气门弹簧受到的应力是逐渐增加的。

经查询资料知SWOSC-V-JISG3561弹簧钢的在簧丝直径为3.4mm时的屈服极限在1860-2010（MPa）之间，由图5可以看出，弹簧在最大变形处的等效应力为720.55MPa，所以可以看出该弹簧是符合强度要求的。

4 结论

通过有限元仿真分析可以看出，该弹簧是符合实际应用的要求的，同时，利用ANSYSWorkbench软件进行仿真计算，解决了以往通过实验测试所带来的周期长、费用高等缺点。

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