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氣門彈簧設(shè)計與凸輪設(shè)計相同，對發(fā)動機系統(tǒng)性能具有同等重要性。氣門彈簧的功能包括防止氣門在氣壓載荷下跳浮離開氣門座，以及控制氣門運動以避免配氣機構(gòu)分離。氣門彈簧設(shè)計影響凸輪應(yīng)力、配氣機構(gòu)摩擦和彈簧顫振。發(fā)動機的氣門彈簧通常是兩端封閉的開圈螺旋壓縮彈簧。大多數(shù)發(fā)動機使用定剛度彈簧，雖然有些使用變剛度彈簧。對于轉(zhuǎn)速較低的柴油機來講，使用單彈簧設(shè)計通常足以滿足要求，但有時也需要使用帶個阻尼彈簧或內(nèi)簧的雙彈簧設(shè)計，以減小氣門彈簧顫振的嚴重程度。氣門彈簧設(shè)計是個復(fù)雜的任務(wù)。它可以作為范例來說明發(fā)動機系統(tǒng)設(shè)計的原則，分析式彈簧設(shè)計方法展示了在部件沒計參數(shù)與系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)之間的鏈接。分析式彈簧設(shè)計方法展示了對于同個設(shè)計問題，可以有兩種不同的數(shù)學(xué)構(gòu)造方法:這種是作為確定性的解來處理，另種是作為優(yōu)化問題來求解。在優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)構(gòu)造上，目標函數(shù)和約束函數(shù)均以顯式函數(shù)作為示例列出。需要注意的是，在發(fā)動機系統(tǒng)設(shè)計的其他領(lǐng)域(例如循環(huán)性能、凸輪設(shè)計、配氣機構(gòu)動力學(xué))。用于優(yōu)化構(gòu)造的函數(shù)通常是更為復(fù)雜的隱式函數(shù)。分析式彈簧設(shè)計方法給出了使用圖形設(shè)計法來構(gòu)造參變量掃值設(shè)計圖的范例。這些典型的參數(shù)圖可以用來處理在柴油機系統(tǒng)設(shè)計中經(jīng)常遇到的設(shè)計問題。

在氣門彈簧設(shè)計中，已知的輸人數(shù)據(jù)包括以下內(nèi)容:①大氣門升程;②給定的彈簧安裝長度;③所需的彈簧預(yù)緊力;④所需的彈簧剛度。需要注意的是，彈簧的預(yù)緊力和剛度是發(fā)動機系統(tǒng)層面的設(shè)計參數(shù)，需要滿足所允許的大彈簧力和凸輪應(yīng)力、排氣門不跳浮、配氣機構(gòu)不飛脫等要求。氣門彈簧設(shè)計凸輪設(shè)計之間存在著強烈的相互作用。如果在彈簧設(shè)計上很難找到解決方案，須修改這些輸入數(shù)據(jù)。

在氣門彈簧設(shè)計中，以下參數(shù)是計算輸出數(shù)據(jù):①基本或的彈簧設(shè)計參數(shù)(即彈簧平均直徑、彈簧線圈鋼絲直徑、工作線圈數(shù)目);②導(dǎo)出的設(shè)計參數(shù)(例如彈簧的長度、壓縮長度、壓實長度、線圈之間的間隙、在壓縮時線圈之間的實體間隙、彈簧的固有頻率和顫振階數(shù)、彈簧載簡、彈簧扭轉(zhuǎn)成力)?；镜膹椈稍O(shè)計參數(shù)確定了彈簧的剛度。

有些輸出參數(shù)受設(shè)計約束條件。例如，安裝長度和彈簧平均直徑受包裝空間。在彈簧壓縮量和在壓實長度下的彈簧扭轉(zhuǎn)應(yīng)力受彈簧疲勞壽命、強度和允許應(yīng)力極。關(guān)于彈簧顫振保護的約束條件是通過控制實體間隙和彈簧固有頻率實現(xiàn)的。彈簧顫振的階數(shù)是指彈簧的固有頻率與發(fā)動機的工作頻率之比。為了保證彈簧不在運行中發(fā)生強烈顫振。氣門彈簧的固有頻率通常至少應(yīng)當(dāng)是發(fā)動機工作頻率的13倍，即希望彈簧顫振的階要高于13。彈簧固有頻率分析表明，如果彈簧對于凸輪型線的主導(dǎo)諧波響應(yīng)非常靈敏的話，顫振的趨勢肯定是存在的。在這種情況下，需要對凸輪或者彈簧的設(shè)計進行修改。有時可以使用變剛度或嵌套彈簧來改變彈簧的頻率，以幫助減輕顫振問題。

彈簧設(shè)計是個參數(shù)的沒汁問題，可以通過圖形化的方式來處理，以檢查參數(shù)敏感度趨勢。氣門彈簧設(shè)計優(yōu)化的目的是限度地增大彈簧的固有頻率，以減少彈簧振動，同時滿足以下條件:①發(fā)動機系統(tǒng)方面所要求的彈簧預(yù)緊力和氣門彈簧剛度;②允許的彈簧應(yīng)力;③適當(dāng)?shù)膶嶓w間隙以控制彈簧顫振。