为什么在装配气门弹簧时要预先压缩

在引擎系统的关键组成部分中，气门弹簧与凸轮设计的重要性相当。气门弹簧的核心功能在于防止气门在气压载荷下浮离其座，同时确保气门运动的精确控制，从而避免配气机构的分离。其设计影响到凸轮应力、配气机构摩擦以及弹簧颤振等多个方面。

发动机的气门弹簧通常采用两端封闭的开圈螺旋压缩弹簧形式。大多数引擎使用定刚度弹簧，尽管某些特定应用场合可能会采用变刚度弹簧。对于转速较低的柴油机而言，单弹簧设计通常能够满足需求，但在某些情况下，为了降低气门弹簧颤振的严重性，可能需要采用带有阻尼弹簧或内簧的双弹簧设计。显然，气门弹簧设计是一项复杂的任务，堪称发动机系统设计的缩影。

在设计过程中，我们面临着多个输入数据的问题，包括大气门升程、设定的弹簧安装长度、所需的弹簧预紧力以及弹簧刚度的需求。这些参数的设定需要综合考虑整个发动机系统的要求，如确保在允许的大弹簧力和凸轮应力范围内防止排气门的浮动及配气机构的稳定性。一旦这些数据被设定后，设计之间会出现相互关联的影响，特别是当涉及到弹簧设计时，可能需要调整这些输入参数以找到最佳的解决方案。

对于输出参数的计算，主要包括基本的弹簧设计参数和导出的设计参数两大类别。基本的弹簧参数决定了弹簧的刚度，而导出的参数如弹簧的自由长度、压缩长度等则是在设计中需要考虑的实际应用因素。某些输出参数受到设计约束的限制，如安装长度和弹簧平均直径受限于包装空间等物理条件。弹簧的压缩量和在特定压缩长度下的扭转应力受到弹簧疲劳寿命、材料强度以及应力极限的影响。为了确保弹簧在运行过程中不发生强烈的颤振，我们需要控制实体间隙和弹簧的固有频率。气门弹簧的固有频率应该是发动机工作频率的至少13倍。如果弹簧对凸轮型线的主导谐波响应过于敏感，可能需要进行凸轮或弹簧设计的调整。在这种情况下，可以采用变刚度或嵌套弹簧的方式来改变弹簧的频率，帮助减振问题。

在进行气门弹簧设计时，面对的是参数的设计挑战。我们可以采用图形化的方法来进行参数敏感度的分析。优化的目标在于最大限度地提高弹簧的固有频率以减少振动，同时满足系统层面的限制条件，包括弹簧预紧力和刚度的要求、允许的弹簧应力以及控制颤振所需的适当实体间隙等。通过这样的优化过程，我们能够确保气门弹簧的设计在满足性能要求的同时实现优化和平衡。