（机械工程专业论文）发动机复层气门座接触特性研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 气门一气门座作为发动机的重要摩擦副，其匹配性能直接影响了它的寿命及 动力学性能。基于此，如何就其工况特征，选择材料就显得非常重要。本文基 于目前气f - j - 气门座常用的材料和复层结构，通过分析其接触特性，研究了其材 料的匹配性能，探讨了设计原则及具体的结构形式。 本文在分析气门摩擦副工况条件对气门和气门座材料要求的基础上，分析了 这对摩擦副的材料匹配性特征。为了建立匹配性接触模型，论文编制出动力学 分析人机界面，该系统对气门落座结构进行了参数化设置，运用m a t l a b 软件 平台将气门结构参数输入，即可绘制出需要的气门运动曲线。通过该系统就能 调用m a t l a b 计算程序，对气门机构动力学进行分析，提高了气门气门座接触 分析的效率和可靠性。 与此同时，本文采用a n s y s l s d y n a 软件平台，基于动态接触理论建立了气 门气门座摩擦副碰撞接触仿真分析模型，并以几种气门座熔覆层材料为典型实 例，分析了其在落座过程中的等效应力分布，研究表明：材料性能参数和复层 厚度对冲击接触的等效应力影响较大，材料弹性模量e 和密度p 的匹配性对等 效应力的影响很大，并呈现非线性关系；复层厚度h 对等效应力o n 的影响也很 大，且也存在着非线性现象。最后对于所讨论的几种复层材料而言，t i 0 2 在层 厚0 6 m m 时是其优化值。 本文基于a n s y s 软件平台仿真模拟分析了气门工况对其匹配性的影响，探 讨了使用匹配副相互冲击作用时的接触表面力分布，力图寻优合理的设计方法， 为其工程应用提供依据。 关键词：气门，有限元，动力学，复层，匹配性 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sa r te n g i n ef r i c t i o np a i r , t h ev a l v e v a l v es e a ti s 妇p o r t a n t i t sm a t c h i n g p e r f o r m a n c ed i r e c t l ya f f e c t st h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ea n di t sl i f e b a s e do nt h i s ，h o w t oc h o o s em a t e r i a lu n d e rt h ec o n d i t i o nc h a r a c t e r i s t i c si sv e r yi m p o r t a n t t h i sa r t i c l e d i s c u s s e st h ed e s i g np r i n c i p l ea n dt h es 臼 u c t u r co ft h es p e c i f i cf o r mb a s e do nt h e p r e s e n tv a l v e v a l v es e a tc o m m o n l yu s e dm a t e r i a la n dc o m p l e xl a y e rs t r u c t u r eb y a n a l y z i n gt h ec h a r a c t e x i s f i c so f c o n t a c ta n dt h em a t c h i n go ft h em a t e r i a lp r o p e r t i e s t h i sa r t i c l ea n a l y z e st h ef i i c t i o np a i rm a t c h i n gm a t e r i a lp r o p e r t i e sb a s e do nt h e w o r k i n gc o n d i t i o n so fv a l v e sa n dv a l v e s e a tm a t e r i a lr e q u i r e m e n t s i no r d e rt o e s t a b l i s hm a t c h i n gc o n t a c tm o d e l ，t h i sp a p e rc o n s t r u c t e dd y n a m i c sa n a l y s i si n t e r f a c e s e t t i n gt h ev a l v ep a r a m e t e r , i n p u t t i n gv a l v es t r u c t u r ep a r a m e t e r sb yu s i n gm a t l a b s o r w a r ep l a t f o r m , c a nd r a wt h en e e do fv a l v em o v e m e n tc u r v e t h r o u g ht h i ss y s t e m w ec a nc a l lm a t l a bp r o g r a m , a n a l y z et h ev a l v ed y n a i n i c ，i m p r o v et h ea n a l y s i so f t h ec o n t a c to fv a l v e - v a l v es c a tt h ee f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t y a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e r u s i n ga n s y s l s - d y n as o f t w a r ep l a t f o r me s t a b l i s ht h e p a i ro ff r i c t i o nc o l l i s i o nc o n t a c ts i m u l a t i o nm o d e lb a s e do nd y n a m i cc o n t a c tt h e o r y ， a n d 谢n ls e v e r a lv a l v es e a tp l a t ed e p a r t m e n tc l a d d i n gl a y e ra sa t y p i c a lc a s e ，a n a l y z e d t h ee f f e c t i v es t r e s sd i s t r i b u t i o ni nt h ep r o c e s so ft h ed r o pt e s t r e s e a r c hs h o w st h a t ： t h em a t e r i a lp r o p e r t i e sa n dc o m p l e xt h i c k n e s sa f f e c te q u i v a l e n ts t r e s sm u c h , f o r e x a m p l e ，t h em a t c h i n go fm a t e r i a le l a s t i cm o d u l u sea n dd e n s i t ypi n f l u e n c et h e f o r c e so nm u c h , a n dp r e s e n t st h en o n l i n e a rr e l a t i o n s h i p ；l a y e rt h i c k n e s sh e q u i v a l e n c ee f f e c tf o r c eo nh a sav e r yb i gi m p a c t , a n da l s o h a st h en o n l i n e a r p h e n o m e n o n f o rt h ef i n a ld i s c u s s e ds e v e r a lc o m p l e xl a y e rm a t e r i a lc h a r a c t e r ，n 0 2 i nat h i c kl a y e ro f 0 6 m mi st h eb e s t t h i sp a p e rb a s e do na n s y ss o r w a r ep l a t f o r ms i m u l a t e st h ei n f l u e n c eo fv a l v e w o r k i n gc o n d i t i o n t ot h em a t c h i n g ，a n dd i s c u s s e st h ec o n t a c ts u r f a c ef o r c e d i s t r i b u t i o nw h e nt h eu s em a t c h i n g ，a n dt r i e st of i n dr e a s o n a b l ed e s i g nm e t h o d s ，f o r t h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n k e yw o r d ：v a l v e ，f i n i t ee l e m e n t , d y n a m i c s ，m u l t i p l el a y e r , m a t c h i n g i i 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 发动机气f l - 气门座背景研究 气门在配气机构中占据着非常重要的位置，它作为燃烧室的一部分n 1 ，控制 着燃烧室里的进气和排气。当发动机运行时，气门一气门座在每分钟内要经受数 百次的交变循环冲击载荷，在高温作用下，气门锥面上还沉积有燃烧不完全的 产物，因而气f - j - 气门座承受着机械冲击负荷、高温和燃烧气侵蚀船3 这几个方面 的综合作用，这些综合作用将直接影响到发动机的工作性能、输出功率和服役 寿命。 气门损坏的原因各种各样，结构、材料以及与其它部位的接触，这些都会 对气门产生各种形式的破坏。随着发动机向高转速和重型的方向发展，工程界 对其结构设计、材料还有加工工艺等的重视将会大大提升气门和气门座的机械 性能和使用寿命。 1 2 气f l - 气门座材料概况 目前，在国内和国外的发动机气门的分析主要表现在：一个是发动机排气故 障机制的研究口1 ，另一个是气门的动态分析和气门材料研究。研究有实车实地采 样分析和实验室模拟方法。为了改善气门耐磨、气门沉降以及发动机性能和使 用寿命，世界各国都在积极进行着这方面的研究工作。国内外对气门的研究有 相当长一段时间了，而且已经积累了一些经验。目前，对气门改进工作性能的 常用的途径是就是以上两个方面。 气门是否可以用其它的样子和形式来替代呢? 2 0 年前这个问题就曾经进行 过讨论了。虽然有些人想到过球形气门或方形气门等多种方式，但事实是，在 过去的一百多年的时间里气门几乎没有任何变化。所有的改变，只限于将气门 内部改为一个中空的形式( 但这种形式并没有广泛的使用) 、使用创新的材料、 热处理方法的改善等等。因此气门的发展如果要有巨大的突破，只有在燃烧理 论、内燃机的整体设计等这些重大项目上有改变才有可能实现。国内外的学者 也在这方面有着高度的关切。 武汉理工大学硕士学位论文 因此现在气门比较大的变化就是通过改善性能、减低成本和提高寿命等比 较关键的方面来对气门选择合适的材料。近年来全球发动机行业竞争日趋激烈， 这样就需要对发动机气门的以上几个要求有显著的提高。 由于对发动机气门材料都要求有很高的性能，而现在或多或少存在着缺点， 所以目前国内和国外在高品质的气门密封锥面上都有做处理，希望以此来加强 气门的多方面的性能，而采用比较多的方法是进行表面熔覆强化处理，希望以 满足气门恶劣的工作环境，例如在合金铸铁气门座圈表面激光熔覆镍基复层； 还有采用等离子喷焊在气门座表面复合钻基合金层。在采用激光熔覆来提高气 门座圈工作表面性能上，熔覆材料需要具备很好的抵抗高温的能力，并且需要 在高温下保持组织和性能上的稳定，以及耐磨损和耐腐蚀能力。而且熔覆材料 涂敷于座圈表面上，会与基体材料同时受热和冷却，因而热导率和线膨胀系数 也要与座圈材料相匹配。另外，熔覆材料的后续机加工性能也要能降低加工难 度和避免过长的加工时间。 在对复层结构的应力分布h 1 研究中，k i n g 陌1 和0 s u l h v a n 隋1 对复层摩擦力进行 了大量的研究，采用最小二乘法分析二维和三维的盈利分布，显示的结果为： 最大当量应力的位置涉及了三个方面，包括基体和图层的硬度比、涂层厚度的 值以及摩擦系数。k o m v o p o u l o s 在这基础上进行了更进一步的研究，采用了有限 元的分析方法，得到了金属基陶瓷涂层的应力分布，结果显示，影响接触表面 的因素有接触压力分布、涂层的厚度、涂层和基体的机械特性。 针对复层与非复层进行试验得到，复层具有更好的耐磨性，这一发现使得 耐磨复层技术有了飞速的发展。因此，复层材料必将广泛应用于气门、气门座 以及减磨复层以便获得更好的性能。人们通过对复层材料的研究，使得对摩擦 机理有了更多和更新的理解和认识，而如何对气门气门座覆层结构的材料提高 抗磨损性能，已经成为现在的相当热门的研究课题之一。 近年来，复层正向多元化方向发展，以便提高复层的功能及性能，分析方法 和流程主要在于将会如何选择采用软件分析平台，设定边界条件，如何引入动 态载荷，尽可能的在分析方法和过程中实现对工况的最大参数化，因此解决这 些问题的任何一个都有着重大的理论和工程意义。复合涂层的应用领域非常广 泛，在使用可靠性、价格、寿命方面有着很大的优势，在汽车工业发展中，装 配于高速发动机的零部件也逐渐开始往陶瓷复合零件的方面发展，例如应用于 挺柱、摇臂及气门等方面。而复层的可靠性及寿命很大程度上决定了这些零件 的工业化产量化的前景，国内一些相关部门己逐渐明白对该方面进行大力研究 2 武汉理工大学硕士学位论文 的必要性和重要性。但是，很多研究工作才刚刚成形，到目前为止，在国内公 开发行的学术刊物上很难找到与之相关的报道和文献，清华大学机械工程系激 光加工研究中心的合金铸铁气门座圈激光熔覆镍基复合涂层口1 的研究及怀集汽 车的等离子喷焊钴基合金层的高温磨损特性研究陋】，为国内在该领域的研究打下 了一定的基础。目前一种常用方法就是在气门座圈的表面进行激光熔覆，结果 可以增强其高温和腐蚀的承受能力，以获得耐久性能和价格上的优势。 国家科委“九五 期间将气门的研究立为8 6 3 项目之一，掀起了新一轮对发 动机气f l - 气门座新材料研制及失效机理研究的热潮。其中中汽的“发动机气门 一气门座寿命数据库及质量管理软件 项目由武汉理工大学摩擦所承担归1 。由气 门材料、落座和工况参数引起的气门失效分析的研究在国内外已深入开展。本 课题也是在建立一个合理的发动机气门动态分析、和材料研究方面的一个探索。 在对气门材料有些初步的分析后，建立气f l - 气门座动态模型的基础上，运用 m a t l a b 平台模拟气门工况，对气门动力学进行分析、优化，利用a n s y s 软件的 分析能力，研究摩擦副不同材料的接触表面应力分布，以弄清它的特性的匹配 性，最终得出一个合理的材料方案，给各企业后续产品的设计借鉴与参考。 1 3 课题的提出 课题来源：济南沃德汽车零部件有限公司委托项目 1 4 本论文的主要研究内容 ( 1 ) 气门材料匹配性研究现况。 ( 2 ) 建立气门一气门座参数化模型。 ( 3 ) 建立配气机构的动力学模型，得到气门升程、速度及加速度的周期性曲线。 ( 4 ) 探讨气门座的复层材料特性。 ( 5 ) 分析接触碰撞后气门的应力规律及摩擦副不同材料的接触特性。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 本章小结 本章简要介绍了课题研究背景，分析了气门材料的研究现状及发展，研究发 现关于气门复层设计及复层的应用研究较少，基于此本文通过研究配气机构的动 力学模型，将优化数据导入气门复层仿真中研究匹配性能，并简要说明了本文所 应用到的软件和分析工具。 4 武汉理t 大学硕士学位论文 第二章发动机气f q - 气门座材料及匹配性分析 2 1 前言 发动机燃烧室主要由气门和气门座这两重要部分组成。气门与气门座结构 如图2 1 所示。图中气门座是安装在发动机汽缸盖上的，它直接与气门相接触， 因此在高温下由于气门的反复冲击就会使气门气门座的匹配性影响到这对摩擦 副的使用寿命。 鼍气仃 图2 - 1气门与气门座圈结构示意图 2 2 气门摩擦副工况分析 2 2 1 气f 3 - 气门座的工况条件分析 依照数据可知，在正常的工作状态下，进气门的工作温度大致为2 0 0 一4 5 0 ，而排气门的工作温度大致为6 0 0 一8 0 0 。气门和气门座在高温高压的 环境中将承受更高的温度，进气门温度可达5 0 0 ，排气门温度可达8 0 0 以上， 并且大功率发动机的排气门的工作温度将会更高n 们。 排气门温度在一般情况下要比进气门温度高1 的原因主要是以下几点： 1 由于排气门和进气门工作任务的差别，排气时的高温燃烧气体直接与其相 武汉理工大学硕士学位论文 接触，使温度升高，而进气门可以受新鲜空气的冷却作用而降低其温度； 2 由于进气门与排气门所处位置不同，冷却效果也有很大的区别。因为进气 门处于冷却风正面的位置，所以温度低冷却效果好；而排气门处于冷却风背面 的位置，因此温度高冷却效果相对较差。 温度的升高会导致材料的硬度下降，从而引起材料的软化，磨损急剧上升。 并且由于气门的不断开合，燃烧室各部分的温度也会产生动态变化，其变化导 致了温度分布的不均，增大了材料热应力疲劳的可能。 气门和气门座圈组成了发动机燃烧室和外界环境气体交换通道。老式的汽 油车常使用含铅汽油，c o 、s o ：、n o , 这些气体除了造成燃烧尾气，高温的气体也 冲刷和腐蚀了气门座。腐蚀是材料表面和周围介质发生化学变化( 化学腐蚀) 或电化学反应( 电化学腐蚀) 所引起的表面损伤现象。在室温或温度不高时， 金属在空气中发生的氧化进行的很慢，然而在较高的温度下，氧化过程就会明 显加速。相比一般发动机而言，大功率柴油发动机中气门和气门座的工况更加 恶劣，由于功率大，气体燃烧温度更高，因氧化而形成的氧化膜，其力学性能 明显的低于金属。表2 1 列举了柴油发动机和汽油发动机中腐蚀介质的分类n 材。 表2 1发动机腐蚀介质情况 发动机种类腐蚀介质情况 氧硫氧化钒氧化铅 柴油发动机主要腐蚀介质主要腐蚀介质主要腐蚀介质无 汽油发动机主要腐蚀介质次要腐蚀介质无含铅汽油中 的腐蚀介质 除高温环境能加速发动机和气门座磨损外，高频率反复冲击也是导致发动 机气门和气门座加速磨损的原因之一，而这一点在大中型柴油机上体现的更为 明显。因为气门与气门座间冲击次数每分钟可高达1 0 0 次，由于气门和气门座 的装配位置与载荷运动方向并非完全垂直，气门和气门座的装配误差或者燃烧 时产生的气流压力，引致了各部分受力不均，这些都会让气门落座面与载荷方 向斜度加大。而且斜度增大的直接后果就是导致气门和气门座接触面间的相对 滑动和平移，造成两接触表面间的微凸体相互作用，从而产生了强烈的剪切作 用力，最后接触表面磨损急剧上升。 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 工况条件下的失效分析 通过对气门和气门座工况的分析，更深刻认识到材料选择是否合适、气门 结构是否合理以及制造工艺是否得当直接影响气门寿命的长短。 据不完全统计，引起气门所有失效原因中，4 4 9 来自于不当的气门材料的 选择n 3 1 。其中失效的形式很多，例如：气门盘由于高温或机械载荷过大时会掉 块、头部产生断裂，翘曲变形或者锥面磨损；设计时材料应用不当、加工不当、 装配不当、气门材料强度不够都将会引起气门破坏性的断裂；其它的失效形式 还有杆部断裂，盘部断裂和龟裂等等，因此在气门材料的选取时，须考虑以下 主要因素：工作温度、腐蚀介质、冲击载荷以及气门杆部与端面的磨损情况等。 通常来说，屈服强度直接影响其气门的使用寿命，只要超过界限，势必会产生 变形，导致气门失效。在选择气门材料时，应以材料临界温度下的屈服强度为 准。 因此，只有通过合理选择气门材料并注意合理加工装配，才能提高气门的 使用寿命。国内外研究学者们都有从这些方面对失效进行相关方面的研究。关 于温度工况对排气门磨损失效的原因，刘兢生等人的动态强化模拟实验进行了 研究n 耵；关于落座冲击力对排气门失效的原因，张效工等人的气门落座特性实 验进行研究n 耵；关于冲击力对排气门磨损失效的原因，k i s h i r o 和a k i b a 的气 门模型并结合模拟实验进行研究n 町；t a k e o q o t a n i 针对j i s 、s u h 3 以及铁基烧结 合金为材料的排气门进行冲击磨损实验n 钉；z h a or 针对材料的性能和组织对排 气门失效影响进行研究，通过对s i l x b 、e z t o n i t e 6 为材料的排气门座进行磨损 拟试验分析h 酊。 气门一气门座圈的严重磨损的主要原因是由于高温气体腐蚀和磨损 1 9 o 只有 通过对气门座的磨损机理以及造成气门座磨损的主要原因进行深入的研究，才 能根据原因采取进一步的工艺措施，减少气门座的失效形式，延长气门座的使 用寿命。近几年来，已经有大量的研究投入到其中，一般说来，气门座的磨损 机制主要有三种：粘着磨损、磨粒磨损和体积塑性变形损坏。 7 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 2 三种不同磨损机制所造成的磨损表面形貌 ( 1 ) 粘着磨损是因为在高温下，材料易产生软化，软化后的材料在气门冲击 过程中易与对撞件产生粘着，主要是两种材料表面某些接触点的局部压应力超 过该处材料的屈服强度才发生的一种表面损伤磨损。多发生在摩擦副相对滑动 速度小、接触面氧化膜脆弱、润滑条件差，以及接触应力大的滑动摩擦条件下 的，其磨损速度可达1 0 - 1 5 脚h ，具有严重的破坏性，有时会使摩擦副咬死， 不能相对运动。 通过选择使用适合的材料可以防止这种粘结磨损，就是在一定的温度下，座 圈的接触表面会形成一层坚固的、粘着力强的薄氧化膜，致使气门和座圈两者 的接触表面被隔离。由于这种氧化膜具有一定的润滑性，从而起到了减磨的作 用。 新形成 从座圈 图2 - 3 粘结磨损防止方法示意图 ( 2 ) 磨粒磨损是由于表面氧化产物在高温下发生硬化而形成磨粒( 外界进入 的或表面剥落的碎屑) ，使摩擦表面发生局部塑性变形、磨粒嵌入和被磨粒切割 莹 武汉理工大学硕士学位论文 等过程，以致摩擦表面材料逐渐损耗的一种磨损，磨粒磨损是机件中普遍存在 的一种磨损形式，对于复层材料而言，磨粒子还有可能来自气门座组分设计中。 这种磨损和两个接触表面的性质与硬的碳化物等因素有关。当一摩擦表面含有 较硬的粒子或质点时，而另一摩擦表面基体较软，那么磨粒磨损的情况就很可 能发生。国外已有研究学者对这样的情况进行了研究，y s w a n g 等人研究了温 度对s i il 、s i lx b 两种钢摩擦系数和磨损的影响。 ( 3 ) 塑性变形是由于表面存在较大的剪切应力，同时金属质点径向流动，最 后使得材料磨损破坏。当接触表面外表层材料同时受到剪切应力和冲击力时， 且其应力值超过材料塑性极限时，就会出现径向剪切流动和法向压缩变形。材 料的屈服强度低是气门产生塑性变形的根本原因。这种磨损还与气门座接触面 摩擦系数、相对滑动以及表面载相关。 2 3 工况对气门材料的要求 近年来，因工程发动机向着更高要求的方向发展，材料的力学性能已成为 限制发动机发展的主要障碍之一，对其提出了更高的标准，即： 提高常温机械性能、耐磨性和韧性： 提高耐高温性能，降低由高温引起的形变或破坏； 提高抗氧化性和对燃气的耐蚀性； 提高导热系数，降低线膨胀系数； 提高锻造性能和焊接性； 提高组织相对稳定性，降低由反复加热冷却或交变应力作用引起的变形 和裂纹。 当今，国内外发动机气门主流材料大致分为两类：一类为传统的金属及各 种合金材料：另一类是陶瓷为代表的新型气门材料。表2 2 列举了常见发动机气 门材料及化学成分啪3 ： 9 武汉理工人学硕士学位论文 表2 - 2 气门常用材料化学成分 化学成分 ：质量分致) 类别牌号 用途 c甄 m n psn io r m ownc a 其他 4 0 c t l 0 s i 2 m o0 3 5 1 9 0 s 9 0 7 0 进、捧 一 一 ( 4 c r l 0 s i 2 m o )o 52 6 0o 7 0o o b 5o oo l o 5 0o 9 0o 3 0气门 4 a c _ s i 20 3 5 2 8 ( 进捧 一 一 o 3 0 马 ( 4 c r 9 s i 2 )o 5 03 o 7 0o 5o 啪1 0 气门 4 ，c 1 9 s 日0 柏2 7 0 s s 8 进，捧 一 氏( 5 i c s i 3 )0 5 03 3 0o 0 o 0 oo 6 0i o o 3 0气门 5 l c 喀s 吐 0 7 1 o 2 0 s7 5 0 迸、捧一 o 3 0 体 ( 5 0 8 s i 2 )o j 52 o 6 00 0 3 0o o0 9 ，o气门 目o s 洲s ( s c r 2 0 s i 2 n i ) 0 7 5 1 7 s o 2 0 1 1 5 1 9 进、捧 o 3 0 饲o 2 2 5 o 6 0 o 0 3 0o o1 6 5 2 0 5 0气门 o m ) 暑5 c r l 8 m 0 2 vo s1 6 5 0 2 0 0 -进捧 一 v ：o 3 0 _ o6 0 ( g c r i s m 0 2 v ) o 9 0 1 1 s o0 0 4 0o o1 8 5 0 ”o 0 3 0 气门 2 i ，o r 2 l n i l 2 no 1 s o 7 s 1 1 0 5 0 2 0 5 0 o 1 5 ( 一 捧气门 ( 2 1 - 1 2 n 9 0 2 5 1 2 5 1 o 0 3 5o 0 3 0 1 2 5 02 2 5 0o 3 0o 3 0 臭 3 孤) 2 3 n i 8 m 丑3 no 2 0 0 5 0 1 ，o 7 2 2 蔓 o 2 5 董 一 捧气门 ( 2 3 - s n 3 o 3 81 3 5 0o o 柏o 0 9 2 4 o 5 00 ，oo 3 5 o 3 0 4 5 c r l 4 n i l 4 w 2 m o0 柏s 1 3 一1 3 o 2 5 2 氏 一 一 捧气门 ( 4 c r l 4 n i i 4 w 2 m o )o 5 0o o 7 0o 0 3 50 0 3 01 5 1 5 0 4 02 7 5o 3 0 蜘| 0 1 2 i l v l n 9 n i 4 n b 2 w no 4 5 s 8 3 5 0 2 0 0 柏0 柚 s c 仆啪9 0 捧气门 体 ( 2 1 - 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3 国外中、高负荷气门座材料化学成分表。 铸造气门座的合金成分包含c r 、c 、s i 、m n 、m o 、w 、s i 和f e 等元素由 于发动机型号和用途的不同，所含合金成分也有所不同。而对于负荷高的发动 机来说，由于自身的性能、任务的存在，导致气门在工况下的温度更高，受腐 蚀的程度就更大，只有对此类材料中添加不同含量的合金元素，并通过对比试 验，才能得到抗腐蚀性最优的材料。国外中、高负荷气门座材料所含的合金元 素成分如表2 3 所示。通过专家门的多年研究，这类材料主要含有的合金元素为 铬、镍、钒等。 ( 2 ) 粉末冶金气门座材料及其工艺技术 随着工业进程的不断推进，高、中负荷的发动机和低铅汽油的广泛使用， 传统气门座圈的材料已不能满足国际市场的需求，粉末冶金技术取而代之。这 种情况的出现主要是取决与粉末冶金技术的自身的优点，例如可以大规模生产、 生产流程不繁琐、机械加工量较小、可以使材料的利用率达到更大等。 粉末冶金座圈材料制造工艺的一般要求为： 工艺过程要简化，并且易于操作，适合大批量的生产。 可以机械化和自动化生产的大规模的使用，原材料的方便取用，成本较 小。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 由于使用粉末冶金技术的产品性能的主要影响因素是其密度，因此在这一 环节的制造技术上有较多的研究，为了提高产品的密度，可以采用以下工艺流 程如图2 4 ： 图2 - 4 制取高密度粉末冶金座圈的工艺流程图 由于气门座处于高温冲击磨损的工况下，须根据这种特殊的工作条件采取 相应的措施来减小摩损，主要的方法就是增大它的润滑性，也可以通过渗铜的 方法来提高使用粉末冶金技术的气门座的机械性能。这种方法的主要目的是提 高材料的导热性，使气门座在工作时的温度降低，再就提高材料的韧性、耐热 性和耐磨性，方便加工生产。 ( 3 ) 陶瓷材料气门座 由上节的研究分析可以知道，陶瓷材料相对于金属材料而言有较多的优势 存在。而且由于它的抗震性能优越，用这种材料制造出的气门座使用噪音很小。 正因为如此，现在国外都在积极的研究开发陶瓷材料的产品，但因为成本较高， 不适合大规模的生产，因而目前没有得到广泛使用。 国产的气门座材料主要是铸铁、铸钢等低档材料。通过多年的研究，现在 国内的大汽车厂家如一汽、上汽等公司引用了发达国家的生产技术，而气门座 几乎都是粉末冶金构件。在国内的钢铁研究所或其它的汽车研究所现在也都在 1 5 武汉理工火学硕士学位论文 大力发展这种技术，相信在不久的将来，粉末冶金将会运用在更多的零部件上。 现在对气门座材料和工艺发展未来的趋势的研究，有以下几个特点： 进一步研究气门座的失效磨损机理，可以主要专注在、工艺、技术方面， 研究摩擦磨损与工况之间的联系，寻找减少磨损、提高寿命的方法。 依照近年来发动机气门和气门座的发展趋势，大力专注于材料方面的研 究，设计研究出新型材料的气门座产品，并能广泛应用于各个领域。 以减少气门座下沉量为目的，可以制造做耐热、耐磨的的复层气门座材料， 也结构设计上也可以进行创新性的设计。 2 5 气f q - 气门座材料匹配性分析 在研究中发现，不仅要考虑气门与气门座的材料，而且两者的匹配性也必 须要好，应注意以下几个因素： ( 1 ) 两者热膨胀系数的匹配。 熔覆材料的热膨胀系数应与基体的热膨胀系数尽量接近，这样是为了避免 熔覆层中因产生过大的残余应力而形成裂纹。因此如过两者的热膨胀系数差异 越小，熔覆层的开裂就越小。 ( 2 ) 两者熔点的匹配。 熔覆材料的熔点和基体的熔点应尽量接近，因为假若熔覆材料的熔点过低， 熔覆层就容易产生气孔和夹杂；熔覆材料的熔点过高，这样就导致了涂层材料 的熔化量少，而基体表面熔化量大，从而导致涂层表面质量下降。因此激光熔 覆时一般选择熔点与基体熔点相近的熔覆材料。 ( 3 ) 两者硬度的匹配。 阀座材料的硬度设计尤为重要，保证其在高温下的硬度应与气门相匹配。 气门所承受的温度比阀座高，达7 0 0 上，因此要求其抗高温性能和稳定性要好， 并与阀座材料能形成良好的匹配性。考虑在维修过程中便于拆换，故其硬度应 比阀座材料稍低。 ( 4 ) 两者弹性模量的匹配。 在佟瑞庭写的搿二维多粗糙峰涂层表面的弹塑性接触力学分析一中，通过 改变涂层材料弹性模量、屈服极限、涂层厚度及接触体应力场分布的分析比较 得出的结论说明弹性模量与应力场分布有着必不可分的联系；k i n g 、o s u h v a n 和k o m v o p o u l o s 也在其著作中说到涂层的厚度、涂层和基体的机械特性影响接 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 触表面的接触压力分布。 因此在下章中将会对气门气门的冲击做出分析，并将结果带入第四章中作 为前提条件来具体说明应力与多个因素之间的关系。 2 6 本章小结 本章分别对气门及气门材料进行了理论分析，从工况、失效机理，设计准则、 国内外现状及未来发展趋势进行的介绍，并对两者的匹配性做了分析，为之后 的气门座复层结构分析打下基础。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 第三章复层气门座结构特征分析 3 1 复层气门座结构形态 通过上一章对气门和气门座的分析，根据c a d 图纸设计复层气门座模型， 结构模型如图3 - 1 所示， 厚度h 复层材料 图3 1气门座复层结构 复层气门座的受力如图3 2 所示，分析得到当气门在作用力p 的作用下压向 气门座时，力在气门锥面上就可分解成垂直于接触面的法向力p 。及平行于接触面 的切向力p ：。在法向力p 。的作用下，气门锥面上就会产生压应力，在切向力p 2 的 作用下，气门会沿着气门座锥面作微震动，从而使气门密封环带靠近外部的材料 上产生切向压应力，密封环带靠近内部的材料上产生切向拉应力，而这切向力的 大小与正压力的大小及气门与气门座间的摩擦系数的大小都有关联。由此可见 气