摘 要：柴油機配氣機構中的氣門橫臂做上下運動，控制氣門的開啟與閉合，是氣門啟閉的重要傳力部件之一。氣門組件上安裝氣門旋轉機構可以改善氣門的工作狀態(tài)。本文針對氣門橫臂和氣門旋轉機構的安裝干涉問題進行分析，提出氣門橫臂結構改進措施，并用有限元軟件對設計方案進行力學分析，通過結果對比分析，綜合考慮強度、剛度、制造的工藝性及氣門組件的動力性，選擇合理的改進方案并裝機驗證，新的氣門橫臂與旋轉機構配合無干涉，且氣門橫臂運行良好，工作可靠。

關鍵詞：氣門橫臂 安裝干涉 結構改進

Abstract：The valve cross arm in the diesel engine gas distribution mechanism moves up and down to control the opening and closing of the valve， which is one of the important force transmission components for valve opening and closing. Installing a valve swivel mechanism on the valve assembly can improve the working condition of the valve. This paper analyzes the installation interference problem of valve cross arm and valve rotating mechanism， puts forward valve cross arm structure improvement measures， and uses finite element software to analyze the mechanical analysis of the design scheme. And through the comparative analysis of the results， the article comprehensively considers the strength， stiffness， manufacturing processability and dynamic nature of the valve assembly， and selects a reasonable improvement scheme and installs it for verification. the new valve cross arm and the rotating mechanism cooperate without interference， and the valve cross arm runs well and works reliably.

Key words：valve crossarm， mounting interference， structural improvement

1 引言

柴油機在長期運行后，特別是長時間在高負荷或低轉速狀態(tài)工作時，由于燃燒不良等情況發(fā)生，氣門錐面會存在積炭，發(fā)生磨損不均等現(xiàn)象，并導致氣門密封不嚴。而安裝氣門旋轉機構，使氣門在工作過程中產生緩慢的旋轉運動，既可使氣門溫度均勻，也可將錐面及氣門桿上的積炭擦掉[1]。不但可以改善氣門桿的潤滑條件，而且對于改善氣門座及導管的導熱性是有利的，避免氣門和座圈的過早磨損和失效。進而有提高燃油效率及降低排放[2]的效果。國外先進的機車柴油機上已安裝氣門旋轉機構，隨著節(jié)能減排的要求越來越高，國內某大功率機車柴油機上正考慮應用此技術。

本文中的氣門旋轉機構為保證在現(xiàn)有的安裝空間下和氣門彈簧上座實現(xiàn)互換而設計的，廠家根據(jù)氣門彈簧上座結構已制造出氣門旋轉機構。筆者此時進行氣門旋轉機構的安裝，在車間組裝時發(fā)現(xiàn)氣門旋轉機構與氣門橫臂側臂下部干涉，無法安裝應用。在裝配圖上發(fā)現(xiàn)旋轉機構的罩蓋和已有氣門橫臂的兩側臂干涉，考慮到氣門旋轉機構罩蓋機構更改余地小，為解決干涉問題，本文對氣門橫臂結構進行改進，同時為保證改動后氣門橫臂的強度、剛度與原氣門橫臂相比變化不大，本文用有限元軟件對氣門橫臂進行強度模擬計算。

2 氣門橫臂和氣門旋轉機構干涉情況分析及結構改進

現(xiàn)場組裝時發(fā)現(xiàn)氣門橫臂和旋轉機構干涉，導致氣門旋轉機構在柴油機上無法安裝。為深入了解干涉情況，對氣門橫臂和旋轉機構的裝配圖進行校核，下圖1是校核后的裝配圖。

從圖1可見，兩裝配件的最小距離出現(xiàn)在氣門橫臂的側臂下部和旋轉機構的上罩蓋附近，間隙值為1.8mm，而氣門橫臂側臂下部由于拔模斜度而增加的厚度為1.5mm左右，實際裝配間隙只有0.3mm左右，這樣的裝配間隙值無法保證兩裝配件不干涉。

因氣門旋轉機構結構小且緊湊，且與氣門橫臂干涉的上罩蓋的結構更改余地不大，本文對氣門橫臂結構進行改進，因氣門橫臂與多種零部件配合，需要最少的改動原結構，本文決定僅通過改變氣門橫臂側臂形狀來滿足配合間隙的要求，同時兼顧優(yōu)化氣門橫臂的結構。經過多種設計方案的對比分析，最后選擇如圖2所示的三種方案。

方案一：用R30的上拱圓弧來增加裝配間隙；方案二：先用R9圓弧，再用直線連接；方案三：先用直線，然后用R15的圓弧，再用直線連接。在裝配圖上分別對三種結構的裝配間隙進行校核，考慮拔模斜度后的裝配間隙均在2～3mm左右，根據(jù)裝配經驗，間隙尺寸合理，可以保證裝配不干涉。

注：為了下面計算分析方便，三種方案筋板區(qū)均未考慮減重凹槽。

3 氣門橫臂結構仿真分析

為了確定結構改動對氣門橫臂強度、剛度的影響，本文進行了相應的強度仿真計算，包括：原結構和三種設計結構方案的強度計算。選擇氣門橫臂受力最大的狀態(tài)進行強度分析。此時氣門橫臂頂部受搖臂向下的壓力，橫臂兩端受氣門彈簧向上的回復力，二者達到平衡，受力簡圖[3]如圖3所示。在ANSYS中對氣門橫臂進行加載計算。原方案和三種設計方案的強度計算結果如圖4所示。

為方便對各種設計方案計算結果進行對比分析，對主要部位的計算結果總結如表1所示。

表1中的左、右臂最大應力位置相同，頂部最大應力位于頂部圓柱與側臂的過渡圓角處，最大變形位于右臂的外邊緣處。原設計總體應力較小，局部應力大，應力集中在右臂斜筋與右邊圓柱相接處。

方案一總體應力分布比較均勻，最大應力在頂部圓柱與側臂的過渡圓角處。但此處為壓應力，對鍛件來說，受力情況相對比較安全。最大變形值相對不大。方案二應力集中在R9圓弧與直線相接處，因此R9圓弧和直線的過渡區(qū)域工藝要求相對較高。方案三應力集中在R15圓弧中間部位，有利于分散應力，但應力值偏大，若在裝配間隙合理情況下對中間圓弧增大半徑，可以使應力值下降，但加之此方案側臂過渡段較多，圓滑過渡要求較高，對工藝要求高。

綜上，從應力和工藝方面考慮選擇方案一，同時方案一的變形相對比較小，剛性相對較好，且與原設計的剛性相差不大。

4 氣門橫臂側臂部位凹槽結構的考慮

原設計在側臂中間過渡區(qū)有凹槽，因而對方案一中側臂部位加凹槽進行仿真計算分析。方案一（帶凹槽結構）的局部視圖如圖5所示，氣門橫臂的左臂和右臂形狀一致。方案一（帶凹槽結構）的應力分布如圖6所示，主要部位的計算結果總結如表2所示。

表2中的左、右臂最大應力位置相同，頂部最大應力位于頂部圓柱與側臂的過渡圓角處，最大變形位于右臂的外邊緣處。對方案一（帶凹槽結構）和方案一的計算結果進行對比分析，可見帶凹槽結構的應力和變形均比無凹槽結構的大，說明氣門橫臂的強度和剛度皆因凹槽結構存在而減弱。從工藝方面考慮，由于凹槽結構的圓角尺寸小，對模鍛工藝要求反而高。

同時氣門橫臂受力情況復雜，在柴油機工作中一直承受交變載荷，為使設計改動對部件安全性能影響較小，本文選擇不帶凹槽方案，它的強度、剛度相對較高，同時質量與原設計相差不大，對氣門驅動機構的整體動力性影響較小。

5 裝機應用情況

該改進方案生產組裝應用后，機車柴油機工作中運作狀態(tài)良好，新的氣門橫臂在長期使用中，均能可靠工作。驗證了此結構設計的合理性。新的氣門橫臂裝機應用如圖7所示。且此類結構的氣門橫臂后續(xù)已應用在其他機型的柴油機上，均工作情況良好，運行可靠。

6 結語

通過對氣門橫臂和氣門旋轉機構的裝配干涉進行分析，保證裝配間隙合理的情況下，確定初步結構改進方案。應用強度計算對設計方案進行強度、剛度分析，通過結果對比分析，同時考慮減少制造工藝的投入及對氣門驅動機構動力性的影響最小，最終確定改進方案，很好地保證了零部件的優(yōu)化設計，裝機應用驗證了氣門橫臂結構的功能性和可靠性。零件制造的工藝特點需要在設計時考慮，如本文中原氣門橫臂的拔模斜度引起氣門橫臂厚度的增加，造成原氣門橫臂與氣門旋轉機構的干涉問題。該改進方案的確定過程綜合考慮了零件的功能性、生產中的工藝性及運動中的動力性，最終實現(xiàn)了改進結構的可靠工作。

參考文獻：

[1]李剛.氣門旋轉機構在柴油機上的應用[J].鐵道機車車輛，2011，10：243-245.

[2]輝門動力總成將推出首款低速輕型車發(fā)動機用氣門旋轉機構[J].國外內燃機，2017，5：4.

[3]閆廣義，焦革文.12V240ZJ1型柴油機氣門橫臂導桿結構的改進[J].內燃機車，2004，10：25-26.

作者簡介

張小嬋：（1983.10—），女，漢族，河南南陽人，碩士研究生，工程師。研究方向：機械設計。