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氣門彈簧設(shè)計與凸輪設(shè)計相同，對發(fā)動機(jī)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(jī)構(gòu)分離。氣門彈簧設(shè)計影響凸輪應(yīng)力、配氣機(jī)構(gòu)摩擦和彈簧顫振。發(fā)動機(jī)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(jī)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(jī)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(yán)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(jī)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(biāo)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(qiáng)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(qiáng)度和允許應(yīng)力極。關(guān)于彈簧顫振保護(hù)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(jī)的工作頻率之比。為了保證彈簧不在運行中發(fā)生強(qiáng)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(jī)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(jìn)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(jī)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。