Die Ventiltürfeder ist ein kleines Werkzeug, das für rechtzeitiges Einsetzen und festen Sitz des Ventils sorgt und verhindert, dass das Ventil bei Motorvibrationen springt und seine Dichtung beschädigt wird.
Die Ventilfeder befindet sich zwischen dem Zylinderkopf und dem Federsitz am Ende des Ventilschafts. Die Funktion der Ventilfeder besteht darin, sicherzustellen, dass das Ventil bei geschlossenem Ventil fest mit dem Ventilsitz oder Ventilsitzring zusammenpasst, und die Trägheitskraft zu überwinden, die beim Öffnen des Ventils vom Ventilmechanismus erzeugt wird, sodass die Übertragungsteile immer von der Nocke gesteuert werden und sich nicht voneinander lösen.
Ventilfedern werden häufig aus hochwertigem legiertem Stahldraht hergestellt und einer Wärmebehandlung unterzogen, um ihre Dauerfestigkeit zu verbessern. Um Federkorrosion zu vermeiden, sollte die Oberfläche der Feder verzinkt und phosphatiert werden. Die beiden Enden der Feder müssen flach und senkrecht zur Federachse geschliffen werden, um ein Kippen der Feder während des Betriebs zu verhindern.
Ventilfedern sind meist zylindrische Spiralfedern. Wenn die Arbeitsfrequenz der Ventilfeder gleich oder ein Vielfaches ihrer Eigenfrequenz ist, schwingt die Ventilfeder und die Bruchwahrscheinlichkeit steigt. Um Resonanz zu verhindern, können Federn mit variabler Steigung verwendet werden, und derzeit verwenden die meisten Motoren konzentrische Doppelfedern. Die Drehrichtung der inneren und äußeren Federn ist entgegengesetzt, und die Steifheit der äußeren Feder ist größer als die der inneren Feder. Doppelfedern verhindern nicht nur Resonanz, sondern verkürzen auch die Länge der Feder. Darüber hinaus kann, wenn eine Feder bricht, die andere Feder weiterarbeiten und verhindern, dass das Ventil in den Zylinder fällt.
Entwurfsmethode
Die Konstruktion der Ventilfeder ist ebenso wichtig wie die Nockenkonstruktion für die Leistung des Motorsystems. Die Funktion einer Ventilfeder besteht darin, zu verhindern, dass das Ventil unter Druckbelastung vom Ventilsitz springt, und die Ventilbewegung zu steuern, um eine Trennung des Ventilmechanismus zu vermeiden. Die Konstruktion der Ventilfedern beeinflusst die Nockenspannung, die Reibung des Ventilmechanismus und die Federvibration. Die Ventilfeder eines Motors ist üblicherweise eine offene Schraubendruckfeder mit geschlossenen Enden. Die meisten Motoren verwenden Federn mit fester Steifigkeit, einige jedoch auch Federn mit variabler Steifigkeit. Bei langsam laufenden Dieselmotoren reicht üblicherweise eine Einzelfederkonstruktion aus, um die Anforderungen zu erfüllen, manchmal ist jedoch auch eine Doppelfederkonstruktion mit einer Dämpfungsfeder oder Innenfeder erforderlich, um das Flattern der Ventilfeder zu verringern. Die Konstruktion von Ventilfedern ist eine sehr komplexe Aufgabe. Sie kann aus zwei oder drei Gründen als Beispiel zur Veranschaulichung der Grundsätze der Motorsystemkonstruktion dienen. Erstens veranschaulicht die analytische Federkonstruktionsmethode die Verbindung zwischen Komponentenparametern und Systemkonstruktionsparametern. Zweitens zeigt die analytische Federkonstruktionsmethode, dass es für dasselbe Konstruktionsproblem zwei verschiedene mathematische Konstruktionsmethoden geben kann: Eine besteht darin, es als deterministische Lösung zu behandeln, und die andere darin, es als Optimierungsproblem zu lösen. Bei der mathematischen Konstruktion von Optimierungsproblemen werden sowohl die Zielfunktion als auch die Einschränkungsfunktion als explizite Funktionen als Beispiele aufgeführt. Es ist zu beachten, dass in anderen Bereichen der Motorsystemkonstruktion, wie etwa bei der Zyklusleistung, der Nockenkonstruktion und der Ventiltriebdynamik, die zur Optimierung der Konstruktion verwendeten Funktionen normalerweise komplexere implizite Funktionen sind. Drittens bietet die analytische Federkonstruktionsmethode ein Beispiel für die Verwendung von Grafikdesign zum Erstellen eines parametrischen Sweep-Konstruktionsdiagramms. Diese typischen Parameterdiagramme können verwendet werden, um mehrdimensionale Konstruktionsprobleme zu lösen, die häufig bei der Konstruktion von Dieselmotorsystemen auftreten.
Zu den bekannten Eingabedaten bei der Ventilfederkonstruktion gehören: ① maximaler Ventilhub; ② vorgegebene Federeinbaulänge; ③ die erforderliche Federvorspannkraft; ④ die erforderliche Federsteifigkeit. Es ist zu beachten, dass die Vorspannkraft und die Steifigkeit der Feder Konstruktionsparameter auf Motorsystemebene sind, die die maximal zulässige Federkraft und Nockenspannung erfüllen, ein Springen des Auslassventils verhindern und sicherstellen müssen, dass der Ventiltrieb nicht abfliegt. Es besteht eine starke Wechselwirkung zwischen der Ventilfederkonstruktion und der Nockenkonstruktion. Wenn es schwierig ist, bei der Federkonstruktion eine Lösung zu finden, müssen diese Eingabedaten geändert werden.
Bei der Ventilfederkonstruktion werden die folgenden Parameter als Ausgabedaten berechnet: ① Grundlegende oder unabhängige Federkonstruktionsparameter (d. h. durchschnittlicher Federdurchmesser, Durchmesser des Federwindungsdrahts, Anzahl der Arbeitswindungen); ② Die exportierten Konstruktionsparameter (wie freie Länge der Feder, maximale Kompressionslänge, Kompressionslänge, freier Abstand zwischen den Windungen, fester Abstand zwischen den Windungen bei maximaler Kompression, Eigenfrequenz und Flatterordnung der Feder, maximale Federbelastung, maximale Federtorsionskraft). Die grundlegenden Federkonstruktionsparameter bestimmen die Steifigkeit der Feder.
Einige Ausgabeparameter sind durch Konstruktionsbeschränkungen beschränkt. Beispielsweise sind die Einbaulänge und der durchschnittliche Federdurchmesser durch den Bauraum beschränkt. Die maximale Federkompression und die Torsionsspannung der Feder bei kompakter Länge sind durch die Dauerfestigkeit, Festigkeit und maximal zulässige Spannungsgrenze der Feder beschränkt. Die Randbedingungen zum Schutz vor Federflattern werden durch die Kontrolle des physikalischen Spiels und der Eigenfrequenz der Feder erreicht. Die Ordnung des Federflatterns bezieht sich auf das Verhältnis der Eigenfrequenz der Feder zur Betriebsfrequenz des Motors. Um sicherzustellen, dass die Feder während des Betriebs keinen starken Vibrationen ausgesetzt ist. Die Eigenfrequenz der Ventilfeder sollte normalerweise mindestens das 13-fache der Betriebsfrequenz des Motors betragen, was bedeutet, dass die Ordnung der Federvibration voraussichtlich höher als 13 sein wird. Die Analyse der Eigenfrequenz der Feder zeigt, dass, wenn die Feder sehr empfindlich auf eine der dominanten Harmonischen des Nockenprofils reagiert, definitiv eine Tendenz zur Vibration vorhanden ist. In diesem Fall ist es notwendig, das Design des Nockens oder der Feder zu ändern. Manchmal kann die Frequenz der Feder durch variable Steifigkeit oder verschachtelte Federn geändert werden, um Vibrationsprobleme zu verringern.
Das Federdesign ist ein mehrdimensionales Parameterproblem, das mithilfe eines grafischen Ansatzes behandelt werden kann, um die Trends der Parameterempfindlichkeit zu überprüfen. Der Zweck der Optimierung des Ventilfederdesigns besteht darin, die Eigenfrequenz der Feder zu maximieren, um die Federvibration zu reduzieren und gleichzeitig die folgenden Einschränkungen einzuhalten: ① die erforderliche Federvorspannung und Ventilfedersteifigkeit im Motorsystem; ② Maximal zulässige Federspannung; ③ Angemessener physikalischer Abstand zur Kontrolle der Federvibration
Entwurfsschritte
Die Berechnung von Ventilfedern ist ein komplexes Systemdesignproblem. Eine gut konstruierte Feder kann Reibung und Verschleiß im Ventilmechanismus minimieren. Die Analyseformelmethode für das Ventilfederdesign basierend auf der Konstruktion eines Parameterempfindlichkeitsdesigndiagramms wird wie folgt zusammengefasst:
(1) Schritt 1: Durch Analyse des Bergabfahrverhaltens des Fahrzeugs und der Motorbremswirkung wird das Konstruktionsziel der Startgeschwindigkeit des Ventiltriebs ermittelt, um die erforderliche Ventilfedervorspannung und Federsteifigkeit zu bestimmen.
(2) Schritt 2: Erstellen eines dynamischen Modells des Ventiltriebs, um das Durchgehen genau vorherzusagen und die Auswirkung des Zylinderrekompressionsdrucks auf das Durchgehen zu bewerten;
(3) Schritt 3: Führen Sie Parameter-Sweep-Berechnungen mit verschiedenen Werten für Federvorspannung und Federsteifigkeit durch, um ein Parameterdiagramm der Ventiltriebdynamik zu erstellen und deren Auswirkungen auf die Schwingung des Ventiltriebs zu untersuchen. Es ist notwendig, die Kurven der Stößelkraft, der Ventiltriebbeschleunigung und der Federverzögerung relativ zum Kurbelwellenwinkel in der Abbildung zu zeichnen, um den Konstruktionsspielraum für ein Durchgehen anzuzeigen, damit die in Schritt 4 erforderlichen Zielwerte für Federvorspannung und Federsteifigkeit bequem und sinnvoll ausgewählt werden können;
(4) Schritt 4: Berechnen Sie auf Grundlage der statischen Kräftebilanz des Auslassventilkopfes die erforderliche Federvorspannung, um ein Springen des Auslassventils zu verhindern. Wählen Sie die Federvorspannung des Auslassventils für Motoren mit und ohne Auspuffbremse und verwenden Sie das Konstruktionsparameterdiagramm in Schritt 3, um die passende Federsteifigkeit auszuwählen.
(5) Schritt 5: Führen Sie eine Parameter-Sweep-Berechnung der Konstruktionsparameter durch und verwenden Sie grafische Konstruktionsmethoden, um ein Parameterempfindlichkeits-Konstruktionsdiagramm für die Federkonstruktion zu erstellen. Wählen Sie den durchschnittlichen Durchmesser der Feder, den Durchmesser des Spulendrahts und die Anzahl der Spulen, während Sie Konstruktionsbeschränkungen wie Federtorsionsspannung, Eigenfrequenz und Spulenabstand einhalten. Alternativ können analytische Optimierungsmethoden verwendet werden, um die Gleichung direkt zu lösen.
Die Methode des Brechens
Da die Ventilfeder während des Betriebs einem Drehmoment ausgesetzt ist, ist die Spannungsverteilung auf ihrem kreisförmigen Querschnitt ungleichmäßig. Die Spannung nimmt vom Ursprung in der Nähe der Mitte zu jedem Punkt am Rand hin allmählich zu, und die Oberfläche erfährt die höchste Spannung. In Bezug auf die Oberflächenpunkte erfährt die Innenfläche die höchste Spannung und ist einer ebenen Spannung ausgesetzt. Wenn daher ein Defekt auf der Oberfläche der Ventilfeder vorliegt, ist es möglich, dass an der Defektstelle die maximale Spannungskonzentration entsteht, was zu einem frühzeitigen Bruch der Feder führt.
Grund für den Bruch
Der Grund für den Bruch der Ventilfeder kann neben Herstellungsfehlern auch unsachgemäßer Gebrauch zu frühzeitigen Schäden führen. Die häufigsten Gründe sind folgende:
① Auf der Oberfläche der Feder befinden sich Lochfraß und Korrosionsnarben. Unsachgemäße Lagerung kann zu Korrosionsnarben auf der Oberfläche der Feder führen. Wenn die Feder einem hohen Drehmoment ausgesetzt wird, kann es leicht zu Spannungskonzentrationen an den Korrosionsnarben kommen, was letztendlich zu einem Ermüdungsbruch der Feder führt.
Die Qualitätsprüfungsmethode für neue Ventilfedern: Klemmen Sie die Feder in einen Schraubstock und komprimieren Sie sie auf die minimale Länge, sodass möglichst kein Spalt zwischen den Ringen entsteht, und bewahren Sie sie 48 Stunden lang auf. Wenn die Oberfläche der Feder Defekte aufweist, bricht sie nach dieser Kompressionsbehandlung. Dies liegt daran, dass die innere Spannung der Feder in der Nähe des Defekts stark konzentriert ist, was zum Brechen der Feder führt.
Die Elastizität der Ventilfeder kann durch Vergleich ermittelt werden. Die genaue Methode besteht darin, zunächst die zu prüfende alte Ventilfeder in Reihe mit einer neuen Ventilfeder zu verbinden und sie in der Mitte mit einer Stahlscheibe zu trennen. Dann üben Sie einen bestimmten Druck auf eine Ventilfeder aus und beobachten Sie den Kompressionsgrad der neuen und alten Federn. Wenn die Elastizität der alten Feder nicht ausreicht, muss sie zuerst nach unten gedrückt werden.
② Die Mittellinie der Feder ist schief. Wenn die beiden Endflächen der Ventilfeder nicht senkrecht zur Mittellinie der Feder stehen, arbeitet die Feder lange Zeit mit hoher Geschwindigkeit und ihr Metallmaterial neigt auch dazu, aufgrund von Ermüdung zu brechen. Die Methode zum Überprüfen der Vertikalität von Ventilfedern besteht darin, die Feder zunächst senkrecht auf eine flache Platte zu legen, ein quadratisches Lineal auf dem unteren Kreis der Feder abzulegen, dann die Feder einmal zu drehen und den maximalen Abstand zwischen dem oberen Kreis der Feder und dem quadratischen Lineal zu messen. Normalerweise beträgt der Neigungsabstand der Ventilfeder zur vertikalen Linie 1,5 mm. Wenn dieser Wert überschritten wird, ist es am besten, sie durch eine neue zu ersetzen.
③ Bewegung der Ventilführung oder lose Nockenwellenlager. Wenn sich die Ventilführung während des Gebrauchs bewegt, kann dies dazu führen, dass die Ventilfeder aufgrund der Biegespannung beim Zusammendrücken bricht. Lose Nockenwellenlager können Resonanzen in den Ventilfedern verursachen und auch zu deren Bruch führen.
④ Unsachgemäßer Betrieb oder Einbau. Wenn sich während des Betriebs eines Dieselmotors die Drehzahl plötzlich und häufig ändert, erhöht sich die Häufigkeit der Kompression und Ausdehnung der Ventilfeder plötzlich, was zu einem Ermüdungsbruch führt.
⑤ Die Ventilfeder wurde nicht wie erforderlich zusammengebaut. Bei der Montage von Ventilfedern gelten für einige Modelle besondere Anforderungen. Beispielsweise muss beim Isuzu 6BBl-Dieselmotor die blaue Seite der Feder zur flachen Oberfläche des Zylinderkopfs zeigen. Andernfalls besteht die Gefahr, dass die Feder bricht.
Notfallmanagement
Wenn sich während der Fahrt herausstellt, dass die Ventilfeder eines Dieselmotors gebrochen ist, kann die gebrochene Feder zuerst entfernt werden. Anschließend können die Arbeitsflächen an beiden Enden der Feder zur vorübergehenden Verwendung wieder eingebaut werden. Wenn die Feder in mehrere Abschnitte bricht, können die Einstellschrauben der Einlass- und Auslassventile des Zylinders entfernt werden, um die Ventile geschlossen zu halten. Anschließend kann die zum Zylinder führende Hochdruckölleitung der Kraftstoffeinspritzpumpe entfernt werden, um zu verhindern, dass Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt wird. So kann das Auto weiter zum Ziel fahren.
Inspektionsschritte
(1) Überprüfen Sie die freie Länge der Ventilfeder. Messen Sie die freie Länge der Ventilfeder mit einem Messschieber. Ihr Wert sollte dem Standardwert entsprechen. Wenn sie die Anforderungen nicht erfüllt, sollte sie ersetzt werden.
(2) Überprüfen Sie die Vertikalität der Ventilfeder. Verwenden Sie ein quadratisches Lineal und eine flache Platte, um die Vertikalität der Ventilfeder zu überprüfen. Ihr Wert sollte dem Standardwert entsprechen, andernfalls muss sie ersetzt werden.
(3) Überprüfen Sie die Vorspannung der Ventilfeder. Verwenden Sie ein Kraftmessgerät, um die Vorspannkraft der Ventilfeder zu ermitteln. Ihr Wert sollte dem Standard entsprechen. Wenn die Vorspannkraft niedriger als der Standardwert ist, sollte die Ventilfeder ausgetauscht werden.
(4) Um Schäden vorzubeugen, sollte die Feder häufig zusammengedrückt werden.
