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摩托車發(fā)動機配氣機構(gòu)是發(fā)動機的重要組成部分，是實現(xiàn)進氣和排氣過程的關(guān)鍵裝置，對發(fā)動機的性能、振動以及噪音影響很大。氣門（包括進氣門和排氣門）是發(fā)動機配氣機構(gòu)的重要部件，氣門的好壞決定著發(fā)動機工作的可靠程度。氣門在氣缸中不斷循環(huán)地開啟、關(guān)閉進氣口和排氣口，確保氣缸內(nèi)新鮮空氣吸入和廢氣排出。由于發(fā)動機的氣門一直處于在高溫、腐蝕、沖擊和交變載荷的工作環(huán)境中，因此，負責排氣任務(wù)的排氣門比進氣門要求更高。排氣門的設(shè)計、結(jié)構(gòu)、形狀、材料、加工工藝，以及其他相關(guān)零件如氣門座、氣門導(dǎo)管、氣門彈簧、凸輪及冷卻系統(tǒng)等都會影響它的性能和使用壽命。目前，業(yè)內(nèi)的研究方向一般是發(fā)動機排氣門的失效機理、動力學(xué)特性以及材料，這些研究都涉及較多復(fù)雜因素。在氣門材料沒有突破的情況下，目前的重點研究方向是通過改進結(jié)構(gòu)來提高排氣門的性能和使用壽命。
排氣門的作用是通過與氣門座配合對燃燒室進行密封，并按工作循環(huán)的需要定時開啟和關(guān)閉，適時排出廢氣。排氣門由盤部和桿部兩部分組成。盤部用來封閉燃燒室的排氣通道，桿部則主要為氣門的運動導(dǎo)向。與進氣門相比，排氣門的工作條件更加惡劣。首先，排氣門頂面與氣缸的高溫燃氣室直接接觸，且被排出的高溫廢氣沖刷，冷卻條件很不理想，因此，排氣門受熱嚴重，溫度很高。其次，排氣門還要承受氣缸內(nèi)燃氣高壓和氣門彈簧力的作用，且在氣門運動組件慣性力的作用下，排氣門也會對氣門座產(chǎn)生沖擊。此外，排氣門盤部直接與高溫燃氣中的腐蝕性氣體接觸，易受腐蝕。針對惡劣的工作條件，要求排氣門必須有足夠的強度、剛度、耐熱、耐磨和抗腐蝕能力，需要對其進行有限元分析。
排氣門設(shè)計既要滿足更好實現(xiàn)換氣的功能，又要兼顧可靠性和耐久性。由于排氣門與氣缸燃燒室接觸，受熱膨脹時會對排氣門產(chǎn)生較大的壓力，因此，若增加氣門盤底的厚度，則使氣門的總質(zhì)量增加，導(dǎo)致落座的沖擊力和熱容量增大，氣門磨損加劇，同時會產(chǎn)生較大的噪音。但是，減輕氣門重量又會導(dǎo)致其強度和剛度的不足而引起失效。綜合以上因素，排氣門的結(jié)構(gòu)設(shè)計為錐形結(jié)構(gòu)，摩托車發(fā)動機出現(xiàn)的故障中，排氣門的失效占一定的比例。排氣門的失效形式主要有以下幾種：1）由于材料選用不合理，使氣門的強度和硬度達不到要求，導(dǎo)致氣門掉頭、掉塊以及變形；2）由于設(shè)計不合理導(dǎo)致錐面磨損、桿部斷裂；3）由于選材不良和制造精度不高導(dǎo)致桿部崩落。由于排氣門在較惡劣的環(huán)境中工作，導(dǎo)致這些失效的原因是復(fù)雜的，是多種因素綜合影響的結(jié)果。因此，排氣門的改進設(shè)計也需要從沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變、高溫產(chǎn)生的溫度場及材料性能等方面綜合分析。
本文采用Pro/MECHANICA模塊對氣門進行改進設(shè)計。根據(jù)已知的條件建立氣門模型，然后設(shè)定單位和材料屬性，定義約束載荷以及設(shè)計參數(shù)，進行靈敏度分析，再根據(jù)結(jié)果改善模型。并通過Pro/MECHANICA模塊的全局靈敏度分析確定設(shè)計參數(shù)的范圍，從而進行改進設(shè)計。Pro/E中建立排氣門模型時，單位設(shè)置為毫米牛頓秒(mmNs)。氣門材料為21-4N鋼34-36，其密度為37900kg/m，泊松比為0.3，彈性模量E為210GPa，切變模量G為81GPa，熱膨脹系數(shù)為51.310，熱傳導(dǎo)系數(shù)為25.96W/(m/K)。
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