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TRW 气门手册气门手册 1991 年版年版 翻 译 卢 朋 正 TRW 发动机配件 TRW 手 册 1991 年第七版 附气门设计标准 前言前言 我们的手册上次出版于 1983 年 从那时起由于多气门技术的 迅猛推广 以及发动机减少有害物质材料的应用 气门及气 门驱动件发生了很大变化 伴随着应力提高的同时 气门将变得更小和更轻 这就要求采用相应的措施 以使对功能及可靠性的要求能得到 满足 通过这个手册的第七版 我们打算向我们的顾客展示及解释我 们 TRW Thompson 集团的气门制造工艺水平 里面的解释与推荐来自于我们的经验 是 基于实验了的有 保证的解决方案 尽管如此 此手册只能作为一个简要的线索 因为气门驱动的 要求非常复杂并且随发动机不同变化很大 必须准确地按照每一具体的应用来选择确定新技术新发展 它 需要依据产品 FMEA 疲劳强度试验 台架试验等方式进行 详细深入的试验 TRW Thompson 此外还提供对用户某一具体 问题的咨询服务 以期对问题的及时解决有所帮助 由此手册的内容不能导出产品责任 因此 在每一情况下起决 定作用的是产品图纸及供货质量要求 几年来 TRW Thompson 负责所有的 TRW 欧洲发动机部件厂 在德国有三家 英国二家 法国一家及在泰国一生产点 这本合集高度适于顾客 使统一的原理法则在产品说明及质量 上的应用成为可能 TRW Thompson D 3013 Barsighausen 1 目目 录录 1 气门 1 1 功能和名词解释 1 2 气门类型和加工方式 1 2 1 气门类型 1 2 2 单金属气门 1 2 3 双金属气门 包括材料搭配 表 1 1 2 4 中空气门 1 3 形状及类型 1 3 1 气门头部 不加工 盘部加工 圆弧部加工 全加工气门头部 1 3 2 气门座 圆锥面 译者 锥面堆焊 锥面淬火 1 3 3 气门杆部 圆锥形伐杆 锁夹槽 锁夹槽形状 杆端部 淬火 杆端焊片 1 4 中空气门 1 4 1 概论 1 4 2 中空气门一览 孔对杆式 杆对杆式 空头气门 设计准则 材料搭配 表 2 1 4 3 中空气门报废处理 1 4 4 中空气门安全处理 1 5 气门材料 1 5 1 要求 铁氧体 马氏体气阀钢 奥氏体气阀钢 高镍气阀钢 标准材料 表 3 1 5 2 气门特种材料 气阀钢的粉末冶金生产 1 5 3 气阀钢的热处理 固溶 时效硬化 1 5 4 气门锥面堆焊 堆焊的目的 堆焊方式 堆焊材料 表 4 1 5 5 表面改善 杆部镀硬铬 镀铬措施 抛光磨削 尺寸镀铬的标准值 强力镀铬 氮化处理 液体渗氮 等离子氮化 1 6 一般设计规则 1 6 1 气门头部 理论气门座面 2 盘部总高 盘边高度 锥面角 差角 锥面宽度 底窝 颈部角 圆弧与杆部的过渡 1 6 2 伐杆 安装长度 台阶边缘 摩擦焊焊口位置 镀铬 盘部 杆径比例 表 6 锥形杆 1 6 3 气门导管 气门导管间隙概略值 表 7 导管长度 导管与伐座间错位 1 6 4 气门杆端部 锁夹槽 杆端部倒角 1 6 5 气门标志 标志的目的 标志种类 字体高度 距离 表 8 标志代码 表 9 1 6 6 尺寸公差 标准尺寸公差 特殊尺寸公差 1 6 7 表面质量 1 7 特殊气门类型 1 7 1 要求 1 7 2 用于高转速下的轻量气门 空杆气门 空头气门 钛气门 1 7 3 大功率发动机用气门设计 气门固定 锁夹槽形式 气门杆部 杆部收缩 气门头部 气门头部槽底 从头部向杆部的过渡 1 7 4 排气控制气门 增压压力控制伐 排气反馈伐 1 8 气门温度测量 1 8 1 温度测量气门 概论 温度测量气门在发动机中的应用 试验 评价 1 8 2 借助于温度元件的气门温度测量 2 气门锁夹 2 1 任务与功能 2 2 夹紧型连接 2 2 1 型式 2 2 2 硬化要求 2 2 3 耐压穿力对比 2 2 4 夹紧型锁夹 2 3 非夹紧型连接 2 4 重要气门锁夹特性对照 表 10 2 5 重要功能尺寸 3 2 5 1 测量规定 2 5 2 夹紧型连接 KK LK RK SK 的功 能检测 非受力状态下的检测 应力状态下的检测 2 5 3 非夹紧型连接 MK 的功能检测 2 6 加工方式 2 7 气门杆部及气门弹簧盘推荐设计 2 7 1 气门杆部 2 7 2 气门弹簧盘 3 气门旋转装置 3 1 任务 3 2 结构型式 3 3 选用及安装推荐 3 4 作用方式 原理 3 4 1 ROTOCAP 3 4 2 ROTOMAT 3 5 质量检测 3 6 安装 运行 维护 3 7 计算气门旋转机构问卷 4 附录 附录 1 空心气门和实心气门的温度测量比 较 图 1 和图 2 附录 2 重量比较 空心 实心 附录 3 气门弹簧盘 公差 耐荷实验 5 气门设计标准 VKR VKR58 053 页 1 全加工气门尺寸公差 VKR58 053 页 2 头部部分加工尺寸公差 VKR58 054 特殊尺寸公差 VKR57 200 盘部底窝形式 VKR57 225 杆端部倒角 VKR57 990 镀铬层长度 VKR57 405 中空气门伐杆钻孔分类 VKR58 081 形状及位置公差 VKR58 062 轮廓平均算术偏差 Ra VKR58 063 平均粗糙深度 Rz VKR58 065 粗糙度值 R VKR92 400 质量条件 VKR92 401 表面裂纹检测 VKR57 805 标准强度及硬度 VKR93 100 强度检测 VKR50 150 硬度比较 HV HB HR VKR57 180 表 1 热处理部分硬度深度 VKR57 180 表 2 硬度图 VKR57 186 锁夹槽及杆端部淬火 MK 杆端 VKR57 187 锁夹槽及杆端部淬火 SK KK RK 杆端 VKR57 190 锥面感应淬火 1 气门 气门 8 压方式中 圆柱形的毛坯其直径为加工完毕后的气 图 1 1 1 功能及名称功能及名称 杆端倒角 杆端面 淬火 进气门及排气门是发动机的精密零件 用于封锁气流通 道 控制内燃机的气体交换 它应当使气缸的工作空间对 外密封 锁槽淬火 缩径 杆端 杆径 磨削长度 安装长度 热负荷不是很高的进气门被新鲜空气反复冲刷得到冷 却 而排气门在排气冲程中遭受高的热负荷以及化学腐 蚀 因此 两种气门将依据各自的功能用不同的材料来制 造 总长 焊口 双金属气门 缩径边缘 此种重要的发动机零件 承受着交变的负荷 在设计中 要求特别细心 气门上最重要部分的名称在图 1 上标出 1 2 气门种类及生产方法气门种类及生产方法 1 2 1 气门种类 气门基本上分为三种类型 单金属气门 双金属气门 中空气门 1 2 2 单金属气门 单金属气门既可通过热挤压方式也可通过锻压方式生产 在热挤 门盘部的 2 3 其长度对应于将要被加工的毛坯的体积 在锻压方式中 毛坯先被磨削 其直径略大于气门杆径 在其一端加热并顶锻而形成 梨形 然后在锻模中冲压 成气门头部的形状 气门各部位的名称 图 2 热挤压 锻压 颈部 理论锥面直径 锥面堆焊 颈部角 锥角 缩颈 盘边高 锥面高 盘总高 底窝 盘端面 内锥面直径 盘径 1 2 3 双金属气门 双金属气门使杆部和头部各自的最佳材料的理想组合成为可 能 热成型的大头部分同样可以按照前述方式制造 通过摩 擦焊和杆部连接 其优选材料搭配如下 表表 1 大 头 杆 部 材 料 标 记 A RA R I S 材料号码 按 DINI7007 表 2 缩写按 DINI7006 1 4871 X53CrMnNi219 1 4882 X50CrMnNiNbN219 1 4785 X60CrMnMoVNbN2 110 2 4952 NiCr20TiAl 1 4718 X45CrSi93 双金属气门 头部 焊缝 杆部 图 3 从实用的角度出发 焊口在大头上的位置应处于气门安装完 毕时在气门导管中的一半行程的深度 也就是刮油边上大约 6mm 并且要注意 气门大头的圆柱部分的长度由于加工技 术的原因至少应为杆部直径的一倍半 见 1 6 2 章 在焊接部位其静拉伸强度大约为较弱者的 90 由于另外的 统计性散差 波动 译者 的原因 焊接的拉伸强度可为 700N mm2 双金属气门当然也可在其锥面进行堆焊 根据经验 在杆部磨削的砂轮片的磨损在奥氏体部分要高 通过对砂轮相应的调整可使此缺陷得到进一步的补偿 尽管 如此必须允许杆部直径存在一定的散差 因为此时仅涉及到 很少几个um 所以对气门在导管中的功能动作没有损害 在镀铬气门中镀铬层覆盖此区域 9 1 2 4 中空气门 10 中空气门有两个基本的应用目的 降低温度 减轻重量 中空气门首先用于排气门 其时高温需要很快降低 钠在气门杆部 空腔中自由运动 用于热传输 图 4 气门头部热量的一部分通 过钠传送到气门导管 并从那里散给冷却循环系统 见 1 4 章详细 的描述 出于减轻重量的目的中空气门既在进气也在排气方面得到应用 1 3 形状与类型形状与类型 1 3 1 气门头部 人们区分并应用 不加工头部 图 5 机动车汽油机排气门标准型式 盘端面加工 图 6 这里涉及到堆焊气门的标准型式 这种气门应用在活塞与气门间空 间很小并且间隙被严格保持时 颈部加工 图 7 为保证获得尽可能大的安全性 防止气门在头部折断 我们的标准 作法 就是对大负荷发动机的气门颈部进行加工 其目的是 对有 时产生的锻造缺陷以及由于热处理而不可避免地产生的氮 珠 光体外边进行切去处理 对杆径小于 6mm 的气门出于强度的考虑其颈部全部加工 颈部加工 图 7 盘端面加工 图 6 盘端面和颈部不加工 图 5 中空气门 图 4 11 全加工头部用于高负荷气门 图 8 图 10 座面感应淬火 座面堆焊 图 9 全加工气门头部 图 8 1 3 2 气门锥面 锥面堆焊 锥面堆焊 排气门座面承受着强烈的热负荷及腐蚀 因此一般地用特殊 合金对其进行堆焊 图 9 见 1 5 4 章之锥面堆焊段 以 及表 4 堆焊材料 锥面淬火 锥面淬火 通过感应淬火 图 10 可使由马氏体钢制造的气门的锥面 磨损得到减少 为使锥面感应淬火的硬度降低在可接受的范围内 应注意气 门温度不能超过 550 至 600 见气门设计规则 VKR57 190 1 3 3 气门杆部 气门杆部锁夹槽型式 图 12 图 11 气门杆部的表面性质应该得到高度重视 依据在气缸盖上的摩 擦实际情况 有必要对杆部表面给予改善 可以对表面进行镀铬或渗氮 详情见 1 5 5 章 圆锥形伐杆 圆锥形伐杆 和标准作法不同 某些特殊用途情况下杆部也可加工成锥形 见 气门导管 1 6 3 章 中空气门 1 4 章 一般设计标准 1 6 章 锁夹槽 锁夹槽 人们使用气门弹簧使气门在开启重新关闭并密封地压紧在气 门座圈上 此压力弹簧需要两只支座 其中一只是气缸盖 另一只是气门弹簧盘 此盘通过气门锁夹和气门相联 每个 气门锁夹对应着一个杆部上的锁夹槽 人们区分并应用 KK LK RK 和 SK 锁夹槽见图 11 MK 锁夹槽见图 12 对单槽的气门杆端部通常情况下在锁夹范围内进行感应淬 火 对多槽气门 多槽的目的是支持气门的自由转动 这 种硬化是必不可少的 在多槽上起作用的是通过气门运动而 在槽底上产生的力 为了增强这危险区域的结构强度 在杆 径 7mm 时 TRW Thompson 公司在某些特定情况下采用滚 轧的方法对槽底部进行强化 此法能使疲劳强度升高约 30 其强度保持在不开槽伐杆的水平 图 13 透淬 杆端及锁夹槽淬火 表面淬火 透淬 图 13 相应的 TRW 标准为 VKR57 186 VKR57 187 以及 VKR57 180 杆端部 杆端部 气门杆端部承受着操纵元件的高应力负荷 它不允许很快磨损 并能提供足够的抗冲击能力 因此要求在材料允可的条件上对 其进行淬火 可以是表面感应淬火 也可以是透淬 透淬方式 在 TRW Thompson 公司在杆径 6mm 时应用 见图 13 12 杆端部及其上的小焊片 允许荧光探伤 图 14 另外一个可能性就是在杆端焊上一个由可淬火材料1 4718 制成的小焊片 图 14 由于在边缘处的焊接飞边不尽相同 故在荧光检测中允许作一标志 在非常高的负荷下 可以 应用高速钢 S6 5 2 1 3343 不过此钢难以加工 TRW Thompson 新近也生产在某种特定情况下的双金属气 门 其被对焊的杆部由前述的高速钢制成 不过这里提示 其加工过程是复杂的 13 14 1 4 中空气门中空气门 1 4 1 概论 中空气门是一个特殊的类型 从广泛的观点来看 它即可用于进气 也可用于排气方面 用于主要在颈部的降温 用于颈部和盘部的降温 见附录页 1 用于减轻重量 人们将内腔中充入约 60 体积的金属钠 用于中空气门的降温目的 钠在 97 5 下熔化 其比重为 0 97g cm3 液钠随着发动机转动作相 应的窜动 将热量从气门头部传输着气门杆部 通过气门导管传出 去的热量越多 在关键部位的温降越大 也就是说 长的并且冷却 良好的具有尽可能小的运动间隙的气门导管可以改善中空气门的降 温作用 实验业已显示 温降可以达到 80 至 150 中空气门的一个基本的质量标志就是其内腔的清洁度 在制造过程中产生的湿气 如水或油 在内腔中和活泼的钠发生化 学反应 产生非常高的气体压力 导致危险的静预应力 可能造成 提前的报废 此化学反应的另一个后果是在气门内壁产生氧化层 产生明显的热 传递阻力 减少了从气门内腔到气缸盖的传热 为了防止此后果的 产生 人们向钠中加入吸气金属 将有害的不洁物化合掉 与此同 时使内腔中的氮气部分的分压力降低 从而大大降低内腔中的气体 压力 使钠的自由流动成为可能 优化了热传输效果 此项措施已 申请专利 专利号 DE3204986C2 并在我们的充钠气门中得到普遍 应用 1 4 2 中空气门类型 孔对杆 型 孔对杆 型 这种类型当前最经济实用 一个从杆端钻孔的基体 孔 通过摩 擦焊和另段杆 杆 相连 此段杆可淬火并留有锁夹槽 图 16 空杆气门 图 16 气缸盖上的空心气门 焊口与密封圈的距离 气门行程 图 15 焊口 位置 空头气门 图 19 收口型 中空气门 图 18 图 17 收口 型 收口 型 译注 前译 杆对杆 型 此种类型 图 17 一般来说制造费用高于前述型式 基体也在 杆端钻孔 孔的封闭是通过对直径更大的杆端感应加热然后锻 压 小杆通过摩擦焊 杆对杆 对接 其优点是 由较大的钻孔而得到较大的空腔 更节省重量 更高的摩擦焊接可靠性 原由杆对杆 如果由于可靠性原因不让焊口出现在锁槽和盘部之间的话 同 样可以通过摩擦焊在杆端焊上一小焊片 见图 18 收口中空气门主要应用在大功率发动机及具有战略意义的发 动机中 见 1 7 章 特种气门 空头气门 空头气门 此气门 图 19 是降低重量以及盘部中心散热的最佳型式 受 昂贵的生产费用的限制从而也是价格昂贵的一种 和前述型式 相反 此气门从盘部钻孔 开口用一盖片通过特殊方式封住 这种气门主要用于运动车中 结构设计 结构设计 中空气门在杆径大于 6mm 时 才 是可生产的 钻孔直径约 是杆径的一半 为了不使气门密封圈温度过高 其孔必须截止 在密封环的运动区域前约 10mm 图 15 如果没有气门密封圈 其孔还可以再长一些 界线请见推荐设计标准 VKR57 405 在进行气门间隙设计时 中空气门必须考虑到和实心气门相 比 较长的奥氏体材料段的热膨胀系数 1 K 在阀杆与导管 间隙设计中 也必须考虑到温度升高了的因素 在很大情况下 通过把杆部做成轻微的锥形而补偿温降 减缓了危险的气门卡 死的出现 因此靠近大头部的杆径要略小约 10 15um 15 16 材料搭配 材料搭配 中空气门可以是单金属的 但更多的情况下是按下表搭配的 双金属气门 大 头 杆 部 材 料 代 号 A RA I S 材料号 按DIN17007 表 2 缩写按 DIN17006 1 4871 X53CrMnNiN219 1 4882 X50CrMnNiNbN219 2 4952 NiCr20TiAl 1 4718 X45CrSi93 1 4 3 中空气门的报废处理 单个的气门可按通常的方式报废 没有特别的规定可循 当 大量的中空气门报废处理时 需和有关的废品处理企业联系 对话 1 4 4 中空气门安全处理 注意 注意 在对中空气门变更或研究时应多加小心 在生产加工中空气 门时不能错误地剖开其空腔 因为钠与水以及钻削或磨削的 乳化液起剧烈反应 如果为了研究而切开中空气门 应按下述方法进行 在不用 冷却液的情况下 通过在两处钻孔或在中心切断而打开气门 内腔 此气门单个扔到盛有水的桶中 以消除钠的危险 由 于有可能产生剧烈的反应 产生损害健康的气体 人不要直 接站在附近 剩下的水不必进行特殊的处理即可排掉 17 1 5 气门材料气门材料 1 5 1 要求 除几何外形外 材料的合适选用决定性地影响气门的设计 气 门是发动机的一个部件 从机械与热力学的观点来看 它承受着 最高的应力负荷 在发动机的寿命周期中 在部分地高温作用下 气门经过大约 200 万次交变负荷而可能屈服 对气门的要求包括高温下的持久强度 耐磨强度 高温耐腐蚀性 耐氧化性以及抵抗腐蚀性元素的能力 这些元素作为燃烧物对排 气门来讲显得特别突出 为满足对气门的上述要求 TRW Thompson 有六种标准气门材 料 对以下的每种应用情况可找到最佳的材料选择 铁氧体 马氏体气阀钢 铁氧体 马氏体气阀钢 此组马氏体钢 也就是可淬火的气阀钢 TRW Thompson 可提供 材料 X45CrSi93 以及 X85CrMoV182 Cromo X45CrSi93 是单金属进气门的标准材料 另外也应用在双金 属气门的杆部材料上 由于其现在普遍使用的 1100 1350N mm2 的升高的强度值 此材料得到升值并被多方面使用 X85CrMoV182 是更高的合金冶炼材料 作为进气门材料被 应用在按机械和热应力观点不能使用 Cr Si 钢的场合 通过粉 末冶金阶段的生产使该材料的性能得到进一步改善 见 1 5 2 章 PM 材料节 奥氏体气阀钢 奥氏体气阀钢 如前所述 对排气门 有其特别的要求 如热强性和抗腐蚀能力 几十年来 Cr Mn 奥氏体钢已证明是一个经济实惠的解决办法 材料 X53CrMnNiN21 9 21 4N 发展巨大 它已被证明是排气 门 也是中空气门的经典用材 对材料X50CrMnNiNbN21 9 LV21 43 和 X60CrMnMoVNbN21 10 Resis TEL 而言 其 Cr Mn 基体中 含有含量精确的约定元素 如 Nb Ta W 以及 Mo V Nb Ta 它们极细地弥散在混合晶粒中 使热强性极大地提高 而不影响 其延展性 锻冲性 译者 在气门材料热强钢系列中 材料 Resis TEL 因 LV21 43 的应用而 使重要性有所降低 Resis TEL 现在基本上只用于不堆焊的柴油 机气门中 18 LV21 43 作为广泛使用的排气门材料应用在高温下 要求高的 热强度 抗腐蚀能力以及金相稳定性的场合 高镍气门材料 高镍气门材料 如 Cr Mn 钢还是达不到要求的话 就要选用高镍材料 它用 在最高的运行安全性 也就是抗折断性和抗腐蚀性的场合 典型的情况是 飞机发动机 赛车发动机 大负荷柴油机以 及燃用重油机 使用镍基材料 NiCr20TiAl Nimonic80A 将使上述材料要求 得到理想解决 不过尽管如此 这里必须提醒一下 基于高 含镍及难加工的原因 和 Cr Mn 钢相较 其价格相差是较 大的 19 表表 3 标准气门材料标准气门材料 材料标志 S O A RA R I 材料号码 缩写 简称 BS970 SAE AFNOR 1 4718 X45CrSi93 CrSi 钢 401S45 HNV3 Z45 CS 9 1 4748 X85CrMo V182 Cromo 193 Z80 CDMV 19 1 4871 X53CrMn Ni N219 21 4N 349S52 EV8 Z52 CMN 21 09 1 4882 X50CrMnNi NbNN219 LV21 43 Z50 CMNNb W 21 09 1 4785 X60CrMn MoVNbN 2110 Resis TEL Z61 CMNb 21 10 2 4952 NiCr20TiAl Nimonic80 A 2HR1 HEV6 NC20 TA 应用范围应用范围 普 通 负 荷 进 气门 双金属气 门杆部材料 较 高 负 荷 进 气门 良好的抗 氧化性和耐磨 性 高 的 高 温 强 度及抗腐蚀性 的进 排气门 轿 车 用 带 堆 焊的标准排气 门 高的高温强度 疲劳强度及抗腐 蚀性情况下的进 排气门 带有或不 带有堆焊层的货 车用标准排气门 高 的 耐 磨 性 高的高温强度 及疲劳强度情 况下的进 排气 门 货车用无堆 焊排气门 最 高 负 荷 下 的排气门 用于 赛车及重油驱 动下的大功率 发动机气门 组分组分 按重量百分比按重量百分比 C Si Mn Cr Ni Mo W V Co Al Ti Nb Ta N S P Fe 0 40 0 50 2 7 3 3 0 8 8 0 10 0 0 5 0 03 0 04 余 0 80 0 90 1 0 1 5 16 5 18 5 2 0 2 5 0 30 0 60 0 03 0 04 余 0 48 0 58 0 25 8 0 10 0 20 0 22 0 3 25 4 50 0 38 0 48 0 03 0 04 余 0 45 0 55 0 45 8 0 10 0 20 0 22 0 3 5 5 0 0 8 1 5 1 8 2 5 0 40 0 60 0 03 0 04 余 0 57 0 65 0 25 9 5 11 5 20 0 22 0 1 5 0 75 1 25 0 75 1 0 1 0 1 2 0 40 0 60 0 03 0 04 余 0 10 1 0 1 0 18 0 21 0 余 1 0 1 8 1 8 2 7 0 015 0 02 3 0 强度与硬度强度与硬度 抗 拉 强 度 N mm2 1 0 2 屈 服 极 限 N mm2 断 裂 延 伸 率 L0 5d0 0 2 屈 服 极 限 N mm2 在 500 600 700 800 900 1000 小时持续 强度 N mm2 在 500 650 725 800 淬硬性 杆端 HRC 锥面 HV30 锁槽 HV30 1100 1350 2 750 12 400 240 80 190 40 56 3 500 4 500 4 1000 1200 900 8 500 280 120 260 52 18 50 3 480 4 490 4 1000 5 600 8 350 300 250 200 200 110 50 305 950 5 580 12 340 310 260 220 120 220 120 55 305 1000 5 800 8 500 450 400 350 240 120 55 325 1000 5 900 15 800 780 750 550 360 500 290 150 385 物理性能物理性能 密度 g cm3 导热率 w cmk 平均热膨胀系数 1 k 20 800 7 6 0 210 13 10 6 7 8 0 210 12 10 6 7 8 0 147 18 5 10 6 7 9 0 147 19 10 6 7 8 0 147 18 10 6 8 17 0 122 15 1 10 6 1 见标准 TRW T VKR93 100 4 见 TRW T VKR57 19 0 2 对单金属气门及双金属气门的杆部 5 时效硬化后 3 参见 TRW T VKR57 186 187 其硬度取决于感应淬火的类型 20 1 5 2 特殊气门材料 气阀钢的粉末合金生产气阀钢的粉末合金生产 对气门的要求越来越高 气门变得更小 多气门 废气排放限 制被强制实行 化油器 将被抛弃 因此 燃烧温度升高 排 气门工作在高氧化性气氛中 TRW Thompson 在和熔化冶金法 铸锭然后轧制成钢棒 生产的气阀钢打交道的同时 也从事 于粉末冶金法生产的气阀钢 的加工生产 在此情况下 熔化 的钢在保护气氛下雾化 产生的粉末在冷均衡情况下 压制开 锭 而后通过热挤压方式成形为气门棒材 另一种方法是 粉末在热均衡状态下压制成锭 这些锭块就像 铸锭相似地 再轧制成材 两种方式 都 是使材料 100 密实 化 从这个角度出发产生了生产气门的其他途径 这就是棒料 向气门毛坯的成形转化由热挤压方式变为锻压方式 粉末冶金生产的气门材料的优点在于能达到材料质量要求 和 铸锭相比 其标志就是合金元素在晶格中的细化分布 对应于 此存在着一种均匀化时效硬化方式 能提高材料的强度以及高 温抗腐蚀性 TRW Thompson 公司已在气阀钢 1 4748 cromoT 和 LV21 43 1 4882 上证明了这种结果 通过粉末冶金法使通常的气门钢改善的同时 还可以利用此技 术设计一种全新的合金 这种合金用熔化法不能或受限制地制 造 这里提及的是我们的材料 25 10 10 铬 锰 镍 它是按 这样的出发点制定的 即创造一种材料 它对腐蚀和磨损非常 不敏感 在某种应用场合 在气门锥面的堆焊层上根本没有腐 蚀和磨损 TRW Thompson 公司已成功地在柴油和汽油机上进 行了实验 同粉末冶金生产的气阀钢的应用相矛盾 眼下这种材料的生产 一般还比较贵 21 1 5 3 气阀钢的热处理 通过有目的的热处理可使气门钢的性能得到提高 这就是说 人们创造了一种可能性 这种可能性隐藏在材料自身之中 在 很多场合可借此节省使用昂贵的合金 基本上来看 热处理应依据气门在发动机中的各自的负荷状态 而定 出于成本的原因应不断进行探索 以不依赖于此 指上句材料 的热处理取决于发动机负荷 译者 在某些场合视其可能性 大小 可以发动机实验单独决定 因为从理论上或从模拟推论 上来说很难得出可靠结论 马氏体气阀钢 也就是材料 X45CrSi93 和 X85CrMoV182 一般 地进行调质处理 对奥氏体钢而言 通过所谓的时效硬化而使强度和硬度得到提 高 因而必须对奥氏体钢在碳溶解度以上进行退火 使合金元 素被基本晶格所吸收 固溶退火 然后在水中骤冷 在这种状 态下的钢具有低的强度和硬度而高的可锻性 延性 在接下来的高温下的人工时效中 碳及碳化物均匀扩散 一方 面在晶界处沉淀或在晶粒内部细化分散 另一方面 也从那里 从变相的珠光体排列处 向晶粒内部长大 氮珠光体 因为此 扩散在金相上是和硬度的提高联系在一起的 因此人们将此种 淬火后的加热称为时效硬化 当排气门承受到相应的热负荷时 此种硬化效果也出现在发动 机运行中 在某些特定场合下 为避免老化 脆化 推荐 放弃前面的时 效硬化而只应用固溶退火气门 22 表表 4 气门堆焊材料气门堆焊材料 材料名称 P37 Stellit F P37S Stellit FS P82 X782 P39S P25 表面焊方法 火焰焊 等离子焊 等离子焊 等离子焊 等离子焊 特性特性 最高的 热硬 度 及耐磨强度 最高的热硬度及耐 磨强度 最高的热硬度 高的高温耐氧化 及耐腐蚀性 四乙 化铅 用于无铅驱动的 排气门及进气门 用于无铅汽油机 的进 排气门 用于 柴油机进 排气门 成分成分 C Si Mn Cr Ni Co W Fe Mo Nb Ta 1 75 1 10 25 50 22 50 余 12 25 1 35 1 75 1 10 0 30 28 00 22 50 余 12 25 1 35 2 00 0 50 0 50 26 00 余 0 30 8 50 4 00 0 86 0 40 10 00 27 00 12 00 余 5 50 2 50 0 56 0 40 10 00 25 00 10 00 余 3 00 2 00 基体 钴基 钴基 镍基 铁基 铁基 硬度 HRC 40 40 32 39 32 密度 g cm3 约 8 5 8 5 9 1 7 9 7 9 平均热膨胀系 数 1 k 在 20 800 13 9 10 613 9 10 614 8 10 617 2 10 617 3 10 6 1 5 4 气门锥面堆焊 堆焊的目的 堆焊的目的 今天几乎所有的高值的排气门最终被堆焊 在某些特殊情况下 进气门也如此 堆焊降低磨损 从而也在发动机的总的运行期 间起到更好的密封效果 其出发点就是防止未燃烧的碳氢化合 物的排放受到普遍重视 气门堆焊方式 气门堆焊方式 在 TRW Thompson 人们采用两种堆焊方式 熔焊法 焊条材料手工通过氧乙炔焰被焊敷 等离子焊法 粉末堆焊材料在电离了的气体中熔化而被焊 敷到工件表面 后一种方法的优点在于粉末中的合金元素可以容易地改变并且 能实现完全自动化 23 1 5 5 表面改善 气门杆部镀硬铬 气门杆部镀硬铬 按 TRW Thompson 推荐的设计标准 见 1 6 2 章 标准双金属 气门的焊口在气门导管中约一半行程的位置 由于奥氏体材料 气门头部 和杆部材料相比具有略差的滑移性 并且两连接 材料的热膨胀系数也不一样 导致在导管的排气道范围内气门 杆部趋于磨损和腐蚀 镀铬措施 镀铬措施 当在气门杆部的运动部位镀铬时 就可避免此问题 因为一定 硬度的镀铬层覆盖着 头部和杆部 两材料 表 5 形成一均 匀的杆部表面 其硬度是气门材料的几倍 因此能根本地改善 耐磨和耐腐蚀性 抛光磨削 抛光磨削 所有在 TRW 生产的气门镀铬后都要抛光 以除去镀铬颗粒及平 整表面 抛光后的粗糙度最高为 Ra0 2 不抛光者最大为 Ra0 4 这对气门导管抗磨损非常有利 并且也允许导管间隙最小 见 1 6 3 章 气门导管 镀铬标准值 镀铬标准值 表表 5 材料搭配 镀铬层厚度 粗糙度 头部 杆部 21 4N CrSi933 7um 镀铬气门 非镀铬气 门 LV21 43 Resis TEL Nimonic CrSi93 5 15um 单金属气门 3 7um Ra 0 2 Rz 1 6 R 1 0 Ra 0 4 Rz 1 8 R 1 6 强力镀铬 强力镀铬 如果因为高磨损需要更强的铬层的话 那么象标准镀铬那样在 铬层厚和粗糙度方面并不能得到保证 这种高厚镀层 其厚度 在实际上在加工后不超过 25um 因此最终必须进行磨光 24 气门氮化 气门氮化 镀铬是 TRW Thompson 改善气门杆部的传统手段 与此同时 也采用液体渗氮和等离子渗氮方法 两种氮化方方式式都是将 气门长时间地在大约 500 温度下置于渗氮介质中 从而在表 面形成硬的化合物或扩散层 由于氮的扩散速度很慢 为达到 所需要的氮化深度 气门必需相应地长时间处理 在液体渗氮液体渗氮中 处理是在盐浴炉中进行的 氰化盐 在越来越 严厉的排放规定 指污水 译者 情况下 TRW Thompson 已经发展出对环境有利的等离子渗氮作为液体渗氮的替代者 在等离子渗氮等离子渗氮中气门处于含氮的气氛中 低压储箱作为阳极 而气门作阴极 通以高电压后 含氮气氛被电离而导电 通过 辉光放电而带正电的氮携有较高的动力能量冲向气门并在气门 表面扩散 如果所通电压不是恒定的 而是脉冲的 我们就称 以脉冲 等离子渗氮 氮化气门的性能 约 10 至 30um 的氮化层非常硬 约 1000HV0 025 因此特 别耐磨 对此气门形成特别良好的保护 氮化气门象镀铬气门一样将被抛光磨削 锥面宽度 锥角 锥面宽度 理论座面直径 推荐的锥面宽度 图 22 差角 图 21 理论锥面直径 理论直径 气门的设计尺寸 杆径 总 长 安装长度 颈部半径 盘边高 盘总高 图 20 1 6 一般设计规则一般设计规则 1 6 1 气门头部 理论气门锥面 理论气门锥面 气门设计的基础就是气门的理论锥面直径 原则上采用气门座圈 的最大座面直径 盘部总高 盘部总高 盘部总高取决于各自的燃烧压力及温度在实际上它应由FE 分析 法所确定 实际证明 气门头部直径的 7 10 是多余的 这要依 气门类型和应用情况而定 因此 当气门头部的弹性保持在能适 应缸头变形水平 是比较有利的 在 波浪式磨损 或可见的 折 边弯曲 情况下 必须将盘部高度加厚 或采用更耐热材料 盘边高度 盘边高度 盘部高度决定气门头部的刚性 并且依据气门锥角 在 45 时 约 50 的盘部总高 在 30 时 约 55 60 的盘部总高 锥角 锥角 差角差角 一般地讲气门锥角为 45 为了减少锥面磨损 锥角也可为 30 和 20 在燃气发动机中不允许小锥角 由于加工技术的原因 在锥面和圆弧面之间要求至少 5 的角度差别 在气门锥面和气门座圈之间存在着 差角 由此使燃烧室部分的 一面通过线接触而密封 并且断绝燃气通道 图 21 气门锥面宽度 气门锥面宽度 注意 气门锥面宽度应大于气门伐座承面宽度 图 22 底窝 底窝 盘端面上的底窝缘由于 减轻气门重量 改变燃烧室 进排气门或相似气门的区别标志 如气门设计要求平的盘端面的话 由于加工技术的原因 车加工 中心孔可用小窝 5 球 R4 代替 25 颈部角 颈部角 气门行程 带缩颈的杆部 图 24 自杆部至颈部过渡处的公差 和前述的盘边高度一样 颈部角度也对气门头部的刚度有着决定 性的影响 FE 分析表明 颈部角度应在 20 至 25 之间 颈部到杆部的过渡 颈部到杆部的过渡 在设计从颈部到杆部的过渡区时 一些特别的情况 如弯曲应力 和腐蚀量 必须被计算考虑 因此 最佳的型式只有通过相应的 发动机实验才能发现和确定 图 23 向设计者展示了设计规则 1 6 2 气门杆部 安装长度 安装长度 安装长度是自理论座面至锁夹槽中点的尺寸 台阶边缘 台阶边缘 为使气门导管排气门侧端部的油积炭形成受到限制 将气门杆径 在一定的区域缩径 从而形成台阶边缘 在安装完毕的气门中 台阶大约处于气门导管中一半行程的位置 如果涉及的是双金属气门 那么焊口至少要处于台阶以上 6mm 对于气门杆径小于 6mm 的气门 必须放弃收径 因为在加工时存 在着弯曲变形的危险 焊口位置 焊口位置 推荐 焊口在气门导管内至少一半行程位置 理由 在气门关闭过程中如果由于气缸盖变形或同轴度错误出现 弯曲的话 焊口应在气门导管中能得到支承 由于加工技术的原因 大头部分的长度必须至少为 40mm 而为 了摩擦焊接其圆柱部分的长度必须大于 10mm 镀铬 镀铬 在 1 5 5 章业已叙述 必要时应对气门杆部的磨损部位进行镀铬 在确定镀层长度时应遵循以下原则 也见 VKR57 900 在已装配的气门上镀铬部分不允许出现在排气通道中 理由 镀铬层具有细小交叉的各个裂纹网络 通过腐蚀性的气体 排气 这些裂纹可以扩大并渗透到基体中 缺口作用 26 27 镀铬不应超过台阶边缘 以得到尖锐边角 必须保证在任何情况下阀杆密封圈都在镀铬层上运动 镀铬边缘和杆端淬火界线不能重合 必须防止镀铬边缘和记号 滚花 的交叉 气门盘部 气门盘部 杆部直径比例杆部直径比例 作为参考值 选择杆部直径时比例如下 表 6 盘部直径 杆部直径 进气门6 1 排气门5 5 1 锥形杆部 锥形杆部 一般地讲气门杆部被做成圆柱形 在双金属气门特别是在中空 气门中人们必须考虑由于从气门头部到杆部的不同的温降而引 起的不同膨胀 在必要时 可按杆部的长度和直径的大小将气 门杆部做成约 10 15um 的锥度以补偿 28 1 6 3 气门导管气门导管 气门导管的作用 是使气门在气门座中对中 使气门头部热量 的一部分通过气门杆部向气缸盖散发 此项任务只有在气门导管内孔和气门杆之间具有正确的间隙时 才能完成 它不能太小 以便气门不致卡死 也不能太大 不 然传出的热量太小 人们一直追求尽可能小的气门导管间隙 因为这在良好的热传 导的同时 其杆部磨损以及气门锥面和座圈间的相对运动也保 持较小 此项油膜仅依此方式才能形成 它具有最佳的润滑和密封性能 对于中空气门来说 它以特别的方式起到上述作用 另外应注 意 气门导管端部不能直接暴露在排气道中 因为那样的话 具有气门导管直径扩大并且燃烧产物进入的危险 气门导管间隙的概略值 气门导管间隙的概略值 表表 7 mm 进气阀 um 排气阀 um 杆径 6 7 10 40 25 55 杆径 8 9 20 50 35 65 杆径 10 12 40 70 55 85 再次提示 这仅是参考值 气门导管间隙是一个非常复杂的问题 这里材料 长度 弯曲 磨损方式等参考起着基本作用 气门导管长度 气门导管长度 作为经验公式 气门导管的长度至少应为气门长度的 40 气门导管和气门座圈间的错误 气门导管和气门座圈间的错误 气门若要无故障地工作 气门导管和气门座圈间的错误必须保 持在一定的范围内 对新发动机而言应力要在 0 02 0 03mm 错移过大意味着 错移过大意味着 座面不密封 高的温度 沉淀 差的热传导 高油耗 气门杆部单边磨损 疲劳危险 1 6 4 气门杆端部 锁夹槽 锁夹槽 从杆端面到槽中间的尺寸不得小于 25mm 锁夹槽问题也见 1 3 3 章 气门杆端倒角 气门杆端倒角 应用 45 及 30 斜边 见 VKR58 053 圆角 见 VKR57 225 圆角简化了气门的自动装配 图 25 标志的最小距离 非滚压方式 记号 滚压 1 6 5 气门标志 气门标志的目的 气门标志的目的 主要有以下几点 安装前区别零件 在担保事件中的零件识别 通过字母 K 对已充装的中空气门的提示 对需记录存档件的标志 带生产日期 见表 9 标志符号 气门标志的类型 气门标志的类型 在气门端部的标志 即可 通过滚子滚压 又可 通过非压印方式 例如电化学腐蚀或同样的能用于长 久保持的方式 进行 非压印方式在下列情况下总是被应用 在位置狭小时 即留有的边宽太小时 见图 25 头部方向 最小字体高度见表 8 29 表表 8 如果不需要以上所述的标志方式 还可选择在盘端部上非长久 性的标志 其前提是要具有相应的面积 最小为 5mm 采用非 压入式方式 墨水 如果需要在锁槽以下作标志 那么对使用 气门密封圈的情况一定要注意 密封圈不能在标志区域运动 密封圈损伤以及工作区域变深都将导致油耗的升高 滚压 打印 字体最小高度 1 2 1 0 离槽边最短距离 1 0 0 25 最小行距 1 0 0 25 标标 志志 代代 码码 月 份 年 份 压刻式作记号的方式应避免在盘端面使用 因为这将导致缺口 效应 30 一月 二月 三月 四月 五月 六月 七月 八月 九月 十月 十一月 十二月 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 N D 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 年份的 最后数 字 代码 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 等等 起决定性的是每个生产日 它将在标志上出 现 1 6 6 尺寸公差 标准尺寸公差标准尺寸公差 见 TRW VKR58 053 表 1 及表 2 特别尺寸公差 特别尺寸公差 特别尺寸公差只在有限范围内是可能的 但是却和高造价相联 系 见 TRW VKR58 054 1 6 7 表面质量 见 TRW VKR58 062 和 58 063 1 7 特别气门类型特别气门类型 1 7 1 要求 对气门最大的动力及加工技术要求是赛车发动机 和标准气门相比 标准气门的设计着眼于长的寿命及低的故障 率 赛车发动机气门承受着短时间的极大负荷 为使转速达到 13000 转 分或更高 需要非常轻的气门驱动 只 有如此才能使惯性力和冲击力保持在技术承受界线内 空杆气门 空杆气门 1 7 2 用于最高转速 下的轻量气门 用于赛车发动机的空杆气门基本上以 收口式 制造 见 1 4 2 章图 17 和 18 空头气门 空头气门 利用所谓的空头气门可以最大限度地降低金属气门的重量 见 1 4 2 章图 19 钛气门 钛气门 因为利用空心原理减轻钢气门的可能性已经用尽 仅剩下的一 条途径就是使用轻金属 如钛 和钢相比 此材料大约减轻重 量 40 尽管如此必须注意 钛并不具备非常高的热强性 由 于此原因 在将钛用作排气门材料时要求考虑一个特别强化的 散热措施 人们通过空头气门与高传热的气门座圈来达此目的 赛车发动机气门在 TRW Thompson 具有特别强化的质保体系 它开始于计划执行于制造过程直至最终检验 31 气门固定 锁夹槽形式 气门固定 锁夹槽形式 1 7 3 大功率发动 机气门设计 各种锁夹槽形式及各种锁夹块都可以在赛车 发动机上得到 应用 因为每种锁夹都有各自的优点 因此必须根据其具体情况 决定其具体型式 尽管如此必须强调具有 10 圆锥角的锁夹 它具有特别强化的 夹紧作用 同时也应注意锁块的长度 因为在弹簧盘上几克重 量就可以达到减轻重要及降低安装高度的效果 气门杆部 气门杆部 最小的可制造的气门杆部直径为 5mm 杆部收缩 杆部收缩 仅在一定条件下对杆部进行收缩制造 评价可生产性应考虑各 项不同的因素 如气门头部直径 总长 重心 缩径处的长度 和直径 气门头部 气门头部 在 1 6 1 章气门头部几何形状尺寸对赛车发动机气门已没有意 义 必须单独地通过计算和发动机实验来确定 盘部直径 盘部高度 锥面宽度的最佳比例关系 气门头部沟槽 气门头部沟槽 受统计学可靠性限制 不要在气门头部做明显的沟槽 在可能 的场合 应过渡为相应的倒角斜棱 气门头部向杆部的过渡 气门头部向杆部的过渡 在气门杆部和颈部半径之间的过渡应通过尽可能大的切削半径 来实现 以便使此处的应力尽可能地小 颈部应附加磨光 以 防止缺口应力产生 32 增压控制阀的不同类型 图 26 1 7 4 排气控制伐 增压控制伐 用于 增压控制伐 用于 ATL 此排气门限制涡轮增压器的增压压力 短时间内承受着 1000 的高温 汽油机 而在柴油机中负荷约 850 要 小得多 从而必须 正确 选择材料 一般来讲 对柴油机 21 4N X53CrMnNiN21 9 足够 对于汽油机 需用耐高温材料 Nimonic80 NiCr20TiAl 气门的固定是用螺丝或铆接 典型结构见图 26 排气反馈控制伐 排气反馈控制伐 AGR 减小内燃机排气中的有害物质含量的一个适应措施是排气 反馈 通过废气对吸入空气的混合使氧气的浓度下降 从而使温度 下降 ARG 气门承受的温度约至 800 因此气门只承受 热应力不承受机械应力 故 21 4N 材料足可应用 33 硬度测量点 图 27 1 8 气门温度测量气门温度测量 1 8 1 温度测量气门 概述 概述 为确定选用气门材料 有必要知道其温度负荷 温度可 通过不同的途径获得 一个广泛的低低造价的方法是 温度 测量气门 此气门用可淬火钢制成 通过硬度降低和标准 曲线比较来确定在发动机运行时出现的温度 温度测量气门 主要用于排气方面 材料仅使用 X45CrSi93 1 4718 借此 材料可测温度 500 至约 900 范围 实心气门和空心气门 单金属 都可用于温度测量 温度测量气门在发动机中的使用 温度测量气门在发动机中的使用 因为人们不是仅想知道温度的平均分布 而是温度在