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1、,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2007-5-25,2,参考文献：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,3,第一章 气门设计及其热处理工艺,一 气门的工作条
2、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：,4,图1,5,1）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
3、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800900,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.,6,2 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.,
4、7,二 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:,8,三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
5、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.,9,2 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=(0.320.15)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.,10,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
6、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1.52mm，见图3示:,11,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dd1 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.,12,3 气门头部密封锥面斜角:当气门的升程H不太大时
7、气门头部密封锥角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+e,而母线长。h=hmcos，通路截面积fm=h(d1+d)/2.因为e=hsin。所以，fm=(dcos+hmsincom2)hmcos。（1）。当=0时，fm=hmd,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。,13,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=4
8、5时，hm=0.31d；=30时，hm=0.26d。因此本公司CG125为例:外圆d1=29.d=26.2.所以,hm=0.3126.2=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=1/426.22=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
9、计理论讨论的问题。,14,4 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/cos,15,（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
10、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。,16,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=117.212N（弹簧压缩10mm）P2=20514N（弹簧压缩16mm）外弹簧全开 P2=956.7N(弹簧压缩16mm)P1=555.5N(弹簧压缩10mm),17,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
11、锥面斜角越大，座合表面间的座合力就越大，采用大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=hmcos和两表面间的相对平移ht=hmsin，见图4（b）.随角的增大而增大，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。,18,4 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：,19,即使是气门密封锥面并不是以全宽与气门
12、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=2032mm，b=0.70.9mm；当d=3335mm时，b=1.62.4mm；当d=35mm时，b=2.42.8mm。为了保证密封可靠，只允许锥面斜角大0.51.0，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3m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0.030.04mm
13、气门密封锥面一般取为b=(0.05-0.12)d为适合。,20,5 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=(0.10.2)d0.气门的背锥面,除影响气门的刚度外，还影响进气阻力。试验表明，当=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=20，排气门背锥角=30时进排气流达到最大值，改善气门工作条件。,21,三 关于司太立合金（钴基合
14、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。,22,1）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
15、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。,23,2）司太立合金的耐热冲击性许多热加工工，如热冲断模，热剪刀等，由于温度冷热交变会引起爆裂，在这种场合下，热冲击性能就很重要，实验方法，直径12.7mm50.8mm的样品端面，用经精确调整的氧乙炔火焰加热至试验温度，样品达到了试验温度后，从火焰下取下放在水池中冷却，这样加热和冷却循环多次，直至在试验面上产生爆裂。根据样品
16、加热和冷却循环次数，作为样品耐冲击能力，在650，800，950 时几种司太立合金抗热冲击能力如图2：,24,图 2：,25,3）司太立合金的耐磨性司太立合金堆焊层金属间粘着磨损性能见表4，表中数据的测定方法是SAE4620铸钢（低镍结构钢）HRC30，做成圆轮，试样贴在外圆上磨，转速80r/min每个试样总的行程为220m，对磨时试样加以不同的载荷。表中所列数字为试样平均体积损失（mm3）表4 司太立合金耐金属间粘着磨损性能(平均体积损失mm3)合金牌号 堆焊方法 压力载荷(10N)40.9 68.2 95.5 136.3 Stellite 6 氧乙炔 1.03 2.57 9.54 18.8
17、 Stellite 6 钨极氩弧 1.19-11.38-,26,司太立合金堆焊层耐磨粒磨损性见表5，数据测定方法是：堆焊层试块贴在229mm橡胶轮外圆上，橡胶轮转速200r/min，试块加载荷13.6kg-，0.2-0.3mm砂粒，以380g/min喂入试块磨擦面上，表中所列数据为试样平均体积损失。表5 司太立合金耐磨粒磨损性能(平均体积损失mm3)合金牌号 堆焊方法 氧-乙炔 钨极氩弧 等离子粉末 Stellite 6 29 63.8 66,27,2 司太立合金的化学性能1）司太立合金在各种酸中的耐腐蚀性能A、在硝酸和醋酸溶液中，所有的司太立合金在室温下都有较强的耐硝酸和醋酸能力，司太立合金
18、在常温下变得惰性化，类似不锈钢。,28,B、司太立合金的抗气蚀性能气蚀磨损是一种含有固态颗粒的液体和气体在材料表面快速流动时，形成的气泡在高压区时将发生产生超生波，这种施加于材料表面的反复作用会引起材料表面的疲劳损伤，产生麻点状损伤。进而会成片脱落。环境的热量和腐蚀，液流中固体颗粒的磨擦都会加速气蚀的进程。这类气蚀的例子有内燃机气阀，降压阀。汽轮机和燃气涡轮叶片，排风机叶片，推进器叶片，泵推动器等。司太立合金能相当好地经受上述恶劣气蚀的环境。司太立合金的耐气蚀性能可用许多方法测定。表8中所列的结果是这样测出的：从直径为0.8mm喷嘴喷出的喷进为22.2m/s的水流，射向6.35mm宽的样品表面
19、，频率为3400次，样品固定在旋转的轮子上，轮子的转速为1700r/min表8 司太立合金耐气蚀性能 牌号 试验材料状态 硬度(HV)平均失重(%min)Stellite 6 铸 420 410-4,29,C、热气体对合金的侵蚀蒸汽 司太立合金在高于538的过热蒸汽中有极好的抗氧化性能，因而使它们得以广泛应用于阀门中的垫片和磨擦密封面。燃油 司太立合金在含有五氧化钒的燃油气体中，在700800下进行的试验表明，它的侵受率大约为0.025mm/100h，相比之下，18/8不锈钢的侵受率为0.1020.13mm。25/20不锈钢侵受率为0.102mm。空气 司太立合金在高温下有较好的抗氧化性能。在
20、800温度下只附一层较薄的氧化皮。随着温度的高，氧化皮也加厚，但是在1000温度下还不会生成剥落的氧化皮。二氧化碳 司太立合金在400温度上持续暴露在二氧化碳下，它的表面略有缺陷，而在600温度下，合金的重量每天每平方米只增加0.2mg。,30,D、熔融金属的腐蚀锌和锡 司太立合金部件和用司太立合金涂层的部件广泛用于加工锌基和锡基合金的机铸模。司太立合金如果在425的锌中工作，必须小心，可能会受到某种程度的侵蚀。铝 司太立合金会受到铝熔液不同程度 的侵蚀，但实验室试验表明，与高硅铸铁和铬钒模具钢相比，司太立合金受到的侵蚀少得多。水银 司太立合金在250温度下的水银熔液中不会受到侵蚀。钠和钾 司
21、太立合金在低于800温度下，仍能较好的耐这两种金属和合金熔液的腐蚀。锂 司太立合金在300以下的锂熔液中仍有良好的耐用腐蚀性能，但在高于这一温度的锂熔液中，可能会产生腐蚀。,31,7）司太立合金的热硬度司太立合金和其它工程材料和热硬度见表12，样品在真空室中用136维氏硬度计锥体测定，负载时间8s0，从表12中的数据可看出司太立1，2，12，20，31（X40）等合金尽管它们室温和低温的硬度并不高，但在高温下仍保持了较高的硬度。表12 司太立合金及其它合金材料的高温硬度 牌号 试验状态 温度()20 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Stellite 6 铸件 410 390 356 345 334 301 235 155 138 95氮化钢En41A 氮化 1046 1060 830 540 420 195 125 59 50 37,
