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氣門(mén)彈簧設計與凸輪設計相同，對發(fā)動(dòng)機系統性能具有同等重要性。氣門(mén)彈簧的功能包括防止氣門(mén)在氣壓載荷下跳浮離開(kāi)氣門(mén)座，以及控制氣門(mén)運動(dòng)以避免配氣機構分離。氣門(mén)彈簧設計影響凸輪應力、配氣機構摩擦和彈簧顫振。發(fā)動(dòng)機的氣門(mén)彈簧通常是兩端封閉的開(kāi)圈螺旋壓縮彈簧。大多數發(fā)動(dòng)機使用定剛度彈簧，雖然有些使用變剛度彈簧。對于轉速較低的柴油機來(lái)講，使用單彈簧設計通常足以滿(mǎn)足要求，但有時(shí)也需要使用帶個(gè)阻尼彈簧或內簧的雙彈簧設計，以減小氣門(mén)彈簧顫振的嚴重程度。氣門(mén)彈簧設計是個(gè)復雜的任務(wù)。它可以作為范例來(lái)說(shuō)明發(fā)動(dòng)機系統設計的原則，分析式彈簧設計方法展示了在部件沒(méi)計參數與系統設計參數之間的鏈接。分析式彈簧設計方法展示了對于同個(gè)設計問(wèn)題，可以有兩種不同的數學(xué)構造方法:這種是作為確定性的解來(lái)處理，另種是作為優(yōu)化問(wèn)題來(lái)求解。在優(yōu)化問(wèn)題的數學(xué)構造上，目標函數和約束函數均以顯式函數作為示例列出。需要注意的是，在發(fā)動(dòng)機系統設計的其他領(lǐng)域(例如循環(huán)性能、凸輪設計、配氣機構動(dòng)力學(xué))。用于優(yōu)化構造的函數通常是更為復雜的隱式函數。分析式彈簧設計方法給出了使用圖形設計法來(lái)構造參變量掃值設計圖的范例。這些典型的參數圖可以用來(lái)處理在柴油機系統設計中經(jīng)常遇到的設計問(wèn)題。

在氣門(mén)彈簧設計中，已知的輸人數據包括以下內容:①大氣門(mén)升程;②給定的彈簧安裝長(cháng)度;③所需的彈簧預緊力;④所需的彈簧剛度。需要注意的是，彈簧的預緊力和剛度是發(fā)動(dòng)機系統層面的設計參數，需要滿(mǎn)足所允許的大彈簧力和凸輪應力、排氣門(mén)不跳浮、配氣機構不飛脫等要求。氣門(mén)彈簧設計凸輪設計之間存在著(zhù)強烈的相互作用。如果在彈簧設計上很難找到解決方案，須修改這些輸入數據。

在氣門(mén)彈簧設計中，以下參數是計算輸出數據:①基本或的彈簧設計參數(即彈簧平均直徑、彈簧線(xiàn)圈鋼絲直徑、工作線(xiàn)圈數目);②導出的設計參數(例如彈簧的長(cháng)度、壓縮長(cháng)度、壓實(shí)長(cháng)度、線(xiàn)圈之間的間隙、在壓縮時(shí)線(xiàn)圈之間的實(shí)體間隙、彈簧的固有頻率和顫振階數、彈簧載簡(jiǎn)、彈簧扭轉成力)?；镜膹椈稍O計參數確定了彈簧的剛度。

有些輸出參數受設計約束條件。例如，安裝長(cháng)度和彈簧平均直徑受包裝空間。在彈簧壓縮量和在壓實(shí)長(cháng)度下的彈簧扭轉應力受彈簧疲勞壽命、強度和允許應力極。關(guān)于彈簧顫振保護的約束條件是通過(guò)控制實(shí)體間隙和彈簧固有頻率實(shí)現的。彈簧顫振的階數是指彈簧的固有頻率與發(fā)動(dòng)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(mén)彈簧的固有頻率通常至少應當是發(fā)動(dòng)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(xiàn)的主導諧波響應非常靈敏的話(huà)，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計進(jìn)行修改。有時(shí)可以使用變剛度或嵌套彈簧來(lái)改變彈簧的頻率，以幫助減輕顫振問(wèn)題。

彈簧設計是個(gè)參數的沒(méi)汁問(wèn)題，可以通過(guò)圖形化的方式來(lái)處理，以檢查參數敏感度趨勢。氣門(mén)彈簧設計優(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(dòng)，同時(shí)滿(mǎn)足以下條件:①發(fā)動(dòng)機系統方面所要求的彈簧預緊力和氣門(mén)彈簧剛度;②允許的彈簧應力;③適當的實(shí)體間隙以控制彈簧顫振。