4G15V機(jī)型汽油機(jī)氣門與活塞最小運(yùn)動(dòng)間隙的計(jì)算

施玉春，王劍鋒，王志國(guó)，李國(guó)華，沙洲

（哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

4G15V機(jī)型汽油機(jī)氣門與活塞最小運(yùn)動(dòng)間隙的計(jì)算

施玉春，王劍鋒，王志國(guó)，李國(guó)華，沙洲

（哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

以4G15V車用汽油機(jī)為例，介紹由凸輪升程、搖臂和氣門之間的運(yùn)動(dòng)規(guī)律求出氣門升程，再根據(jù)氣門升程與活塞位移之間的關(guān)系來(lái)求出最小運(yùn)動(dòng)間隙的方法。

活塞位移；配氣相位；最小運(yùn)動(dòng)間隙

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2016.10.027

CLC NO.: U471.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)10-85-04

引言

4G15 V車用汽油機(jī)是由4G15S車用汽油機(jī)升級(jí)而成的，它是哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司開(kāi)發(fā)的新產(chǎn)品，新機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)碰到如何合理地確定活塞上氣門凹坑深度的問(wèn)題。凹坑深度小，可能會(huì)造成氣門和活塞干涉，凹坑深度大，性能又變差，因此要尋求一個(gè)汽油機(jī)在運(yùn)行中氣門與活塞不發(fā)生干涉又對(duì)燃燒影響最小的凹坑深度。此次是通過(guò)氣門升程和活塞的位移之間的關(guān)系在給定氣門凹坑深度的條件下來(lái)計(jì)算最小運(yùn)動(dòng)間隙，下面介紹計(jì)算過(guò)程。

1、活塞位移計(jì)算

1.1 計(jì)算公式

式中，χ為活塞位移（參考點(diǎn)為上止點(diǎn)）；α為曲軸轉(zhuǎn)角；L為連桿長(zhǎng)度，L=131；R為曲軸半徑，R=41。

1.2 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

2、氣門升程計(jì)算

2.1 原始參數(shù)

圖1 為搖臂與調(diào)節(jié)螺釘工作狀態(tài)下的示意圖，搖臂與氣門實(shí)際接觸面為球面,故搖臂短邊與長(zhǎng)邊均為搖臂中心與接觸球心的距離。

e.凸輪軸中心至搖臂軸中心的距離E進(jìn)=47.82 ;E排=43.43；

f.進(jìn)氣搖臂短邊與長(zhǎng)邊的夾角=149°，排氣搖臂短邊與長(zhǎng)邊的夾角=152°；

g.進(jìn)氣凸輪基圓半徑R=16 ; 排氣凸輪基圓半徑R=16 ;

h.配氣相位：14°（BTDC）/142°（BTDC）進(jìn)氣門/129°（ATDC）/6°（BTDC）排氣門；

i.活塞頂面間隙3.62。

氣門升程見(jiàn)表1和表2。

表1 進(jìn)氣側(cè)計(jì)算結(jié)果

表2 排氣側(cè)計(jì)算結(jié)果

2.2 氣門間隙

搖臂與進(jìn)氣門的冷態(tài)間隙=0.13；

搖臂與排氣門的冷態(tài)間隙=0.17；

2.3 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

3、計(jì)算結(jié)果及其誤差分析

用氣門凹入度、活塞頂間隙和活塞上氣門凹坑深度之和作為活塞位移與氣門升程的縱坐標(biāo)之差，然后用配氣相位來(lái)確定氣門升程和活塞位移橫坐標(biāo)的相對(duì)位置，根據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果分別畫出氣門升程和活塞位移隨曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系圖，見(jiàn)圖3。 由圖3可見(jiàn)，進(jìn)氣門與活塞的最小運(yùn)動(dòng)間隙為1.75，在上止點(diǎn)后6度；排氣門與活塞的最小運(yùn)動(dòng)間隙為1.46，在上止點(diǎn)前6度。

根據(jù)設(shè)計(jì)公司推薦，進(jìn)氣門的最小運(yùn)動(dòng)間隙為1.2左右，排氣門的運(yùn)動(dòng)間隙為1.4左右，從上面的計(jì)算結(jié)果可以看出，進(jìn)氣門的最小運(yùn)動(dòng)間隙偏大。為此，可將進(jìn)氣門的最小運(yùn)動(dòng)間隙定為1.2，反推活塞上進(jìn)氣門上凹坑深度為1.70，最小運(yùn)動(dòng)間隙在上止點(diǎn)后5度。

以上僅是理論計(jì)算結(jié)果，跟實(shí)際情況有一定的誤差，分析原因有以下幾點(diǎn)：

a.凸輪對(duì)稱中心線相對(duì)于鍵槽位置角度的加工誤差，它直接影響配氣相位，配氣相位公差是±3度。

b.計(jì)算中未考慮零件的熱變形和安裝應(yīng)力所引起的機(jī)械變形。

c.汽缸墊的壓縮高度是圖樣要求的尺寸，非試驗(yàn)測(cè)量實(shí)際值。

4、小結(jié)

a.用上述活塞與氣門最小運(yùn)動(dòng)間隙的計(jì)算方法，計(jì)算結(jié)果為：進(jìn)氣門與活塞的最小運(yùn)動(dòng)間隙為1.45，在上止點(diǎn)后5度；排氣門與活塞的最小運(yùn)動(dòng)間隙為1.46，在上止點(diǎn)前6度。該方法適用于杯狀挺柱、搖臂傳動(dòng)的配氣機(jī)構(gòu)。

b.為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，預(yù)先給定活塞與氣門的最小運(yùn)動(dòng)間隙，然后反推活塞上氣門凹坑的深度。

5、考慮變形與公差

為使得計(jì)算數(shù)據(jù)更接近實(shí)際工況，接下來(lái)我們綜合考慮零件熱變形及尺寸公差來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)算氣門與活塞間隙。氣門與活塞相碰的現(xiàn)象，引起發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴及噪聲過(guò)大。要分析原因并解決問(wèn)題，進(jìn)行尺寸鏈計(jì)算是必不可少的。由于發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中機(jī)內(nèi)溫度很高，造成機(jī)內(nèi)各部件受熱膨脹，使得靜態(tài)時(shí)尺寸鏈計(jì)算的間隙與實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)相差較大。對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)時(shí)氣門與活塞的間隙進(jìn)行計(jì)算，在計(jì)算中確定合理的置信水平，找到兩種狀態(tài)下的最小間隙。

5.1 活塞受熱膨脹量的計(jì)算

物體熱脹冷縮會(huì)引起長(zhǎng)度（體積）的變化。內(nèi)燃機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，機(jī)內(nèi)各部件受高溫影響，發(fā)生膨脹，進(jìn)而造成氣門和活塞間隙變小，容易發(fā)生碰撞，致使發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲增大。在現(xiàn)今用戶普遍要求發(fā)動(dòng)機(jī)降低噪聲的大環(huán)境下，噪聲增大無(wú)疑會(huì)影響該發(fā)動(dòng)機(jī)的市場(chǎng)前景。因此，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，首先要確定各部件膨脹量。而在各膨脹量部件中，尤其以活塞膨脹最為明顯，因此本次計(jì)算主要考慮了活塞膨脹時(shí)對(duì)間隙的影響。

當(dāng)溫度由T1變到T2,長(zhǎng)度相應(yīng)地有L1變到L2時(shí)，材料在該溫區(qū)的平均線膨脹系數(shù)為：

式中：α1---平均線膨脹系數(shù)（K-1）,活塞材料鎂鋁合金計(jì)算，膨脹系數(shù)取為α1=2.55*107K-1；

L1---常溫下的活塞銷到活塞上平面的距離，L1=28.65；

△L---線長(zhǎng)度增量（mm）

△T---溫度增量（K），取平均溫差△T =300K。線長(zhǎng)度增量：△L =α1* L1*△T =0.219 mm

計(jì)算得知，活塞膨脹量為0.219 mm，為了驗(yàn)證活塞與氣門是否相碰，知道了氣門與活塞之間的間隙，需要進(jìn)行尺寸鏈計(jì)算。

5.2 尺寸鏈公差計(jì)算

5.2.1 封閉環(huán)基本尺寸的計(jì)算

無(wú)論是極值法還是統(tǒng)計(jì)法，封閉環(huán)的基本尺寸都可以用尺寸鏈的方程式確定。下圖6為尺寸鏈所示。

尺寸鏈?zhǔn)疽鈭D為活塞位于進(jìn)氣沖程上止點(diǎn)時(shí)，活塞、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、氣缸蓋的裝配示意圖。因此計(jì)算中將活塞上平面到氣缸蓋端面的距離A0作為封閉環(huán)尺寸。

曲柄連桿機(jī)構(gòu)的各運(yùn)動(dòng)零部件之間都存在著配合間隙。當(dāng)活塞位于排氣沖程上止點(diǎn)時(shí)，活塞連桿機(jī)構(gòu)存在著向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，處于拉伸狀態(tài)。在計(jì)算中，考慮發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中各零部件的熱膨脹量。

A0是在裝配最后形成的，因此是封閉環(huán)。由于是處于上止點(diǎn)，并存在下行的趨勢(shì)，所以機(jī)構(gòu)處于拉伸狀態(tài)，使得孔與軸的配合間隙只能出現(xiàn)在一個(gè)方向上，不可能出現(xiàn)兩種不同的位置，可根據(jù)實(shí)際工作位置，用一條裝配尺寸鏈來(lái)分析A0的大小。

5.2.2 統(tǒng)計(jì)法

統(tǒng)計(jì)法是應(yīng)用概率論原理進(jìn)行尺寸鏈計(jì)算的一種方法。在正常生產(chǎn)條件下，加工尺寸均處于極限尺寸的可能性是較小的，根據(jù)概率乘法定理，組成環(huán)極限尺寸重合的概率等于各組成環(huán)出現(xiàn)極限尺寸概率的乘積。環(huán)數(shù)較多時(shí)，極限尺寸相遇的可能性很小。因此，如果尺寸鏈的環(huán)數(shù)較多，封閉環(huán)精度要求較高，就需采用統(tǒng)計(jì)法計(jì)算。

在多環(huán)尺寸鏈中，封閉環(huán)的分布接近于正態(tài)分布，可按正態(tài)分布曲線方程式計(jì)算出在一定分布范圍內(nèi)的概率密度。該分布范圍如在規(guī)定的公差范圍內(nèi)，則所求概率密度即為合格率或置信水平。

5.2.3 極值法

極值法是計(jì)算封閉環(huán)極限尺寸的一種方法，其組成環(huán)尺寸均為極限尺寸。采用極值法計(jì)算簡(jiǎn)單、可靠、直觀。適用于封閉環(huán)公差較大、組成環(huán)較少時(shí)的尺寸鏈計(jì)算。利用極值法計(jì)算，可以直觀地看出氣門碰活塞現(xiàn)象是否是由于各零件的尺寸公差的設(shè)置不合理造成的。

6、計(jì)算數(shù)據(jù)分析

為了分析氣門和活塞之間是否存在相碰，要分別計(jì)算靜態(tài)和動(dòng)態(tài)時(shí)（標(biāo)定轉(zhuǎn)速下）凸輪轉(zhuǎn)角下進(jìn)、排氣門和活塞之間的距離。靜態(tài)計(jì)算中不考慮氣門飛脫及活塞受熱膨脹等現(xiàn)象；而動(dòng)態(tài)計(jì)算則考慮上訴因素的影響。由于氣門和活塞相碰發(fā)生的區(qū)段為排氣門下降段、進(jìn)氣門上升段，故分析此兩段。

7、總結(jié)

計(jì)算可以看出，采用極值法，靜態(tài)時(shí)進(jìn)、排氣門和活塞之間的間隙對(duì)于進(jìn)氣門在上升段時(shí)和活塞之間的間隙最?。粚?duì)于排氣門在下降段附近和活塞之間的間隙最小。由極值法和統(tǒng)計(jì)法計(jì)算結(jié)果可以看出，在靜態(tài)下不存在氣門和活塞干涉的問(wèn)題。

活塞膨脹量為0.219mm，氣門碰活塞最危險(xiǎn)處氣門飛脫量為0.10151mm。因此，不僅需要對(duì)配氣機(jī)構(gòu)采取措施一減小氣門飛脫量，還要從改進(jìn)活塞結(jié)構(gòu)，如將活塞頂排氣門避碰坑深度由原來(lái)的1.3mm改為1.8mm，才能徹底消除氣門和活塞干涉的問(wèn)題。

[1] 王德海,姜樹(shù)李.配氣機(jī)構(gòu)搖臂比的精確計(jì)算.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào).1985, (3)124～ 157.

[2] 尚漢冀.關(guān)于配氣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析計(jì)算若干問(wèn)題研究.內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度聯(lián)合學(xué)術(shù)討論會(huì).1983:203～217.

[3] 蘇軍,申屠森.頂置凸輪配氣機(jī)構(gòu)氣門升程的精確計(jì)算.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào).1999, (2): 202～203.

5、汽車造型設(shè)計(jì)與文化的進(jìn)化與創(chuàng)新

文化融于汽車造型設(shè)計(jì)，汽車造型設(shè)計(jì)體現(xiàn)文化，這已經(jīng)是一種事實(shí)。汽車造型設(shè)計(jì)的思想觀念深刻的反映了文化的特質(zhì)；文化的各種特征也在汽車造型設(shè)計(jì)的各處得到了完整的體現(xiàn)。文化是現(xiàn)代汽車造型設(shè)計(jì)的靈魂，凡是優(yōu)秀的設(shè)計(jì)，總蘊(yùn)含著深厚的文化內(nèi)涵。汽車造型設(shè)計(jì)與文化不斷結(jié)合并進(jìn)化而創(chuàng)新，并給我們創(chuàng)造了新的生活方式及文化觀念。

隨著經(jīng)濟(jì)科技的快速發(fā)展，文化以一種前所未有的速度傳播，而我們不斷進(jìn)步的社會(huì)，對(duì)各種各樣的文化展現(xiàn)出了強(qiáng)大的包容性，這是以往的任何時(shí)代都未曾出現(xiàn)的?，F(xiàn)在文化的傳播業(yè)給造型設(shè)計(jì)師極大的自由發(fā)揮空間，也涌現(xiàn)出了精彩紛呈的各種趣味的造型設(shè)計(jì)。沃爾沃全新設(shè)計(jì)語(yǔ)言標(biāo)志性的T形日間行車燈靈感就來(lái)源于瑞典神話中的雷神之錘。（圖8沃爾沃S90）。隨著國(guó)外文化的傳入，汽車造型設(shè)計(jì)的大融合時(shí)代已經(jīng)悄然而至。東西方汽車造型設(shè)計(jì)的融合源于東西文化開(kāi)始融合，這也進(jìn)一步證明了文化與汽車造型設(shè)計(jì)的關(guān)系。

參考文獻(xiàn)

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[3] 吳承佑.2013車展主流趨勢(shì)發(fā)現(xiàn).2013.

The Calculation of Minimal Moving Clearance Between 4G15V Gasoline Engine Valve and Piston

Shi Yuchun, Wang Jianfeng, Wang Zhiguo, Li Guohua, Sha Zhou
（Center of Technology, Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd,Heilongjiang Harbin 150060）

A method is introduced in this paper by taking 4G15V gasoline engine for example. That is valve lift can be accumulated according to the moving rule among the camshaft, rocker and valve and the minimal moving clearance can be worked out by the valve lift and piston displacement.

piston displacement; inlet and outlet phase; minimal moving clearance

U471.2

A

1671-7988(2016)10-85-04

施玉春，（1972-），女，高級(jí)工程師，本科，就職于哈爾濱東安汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限公司。研究方向發(fā)動(dòng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作。