El resorte de la puerta es una pequeña herramienta que asegura el asentamiento oportuno y el ajuste perfecto de la válvula, evitando que esta salte y dañe su sellado durante la vibración del motor.
El resorte de la válvula se encuentra entre la culata y el asiento del resorte en el extremo del vástago de la válvula. La función del resorte de la válvula es garantizar que la válvula pueda ajustarse firmemente con el asiento de la válvula o el anillo del asiento de la válvula cuando la válvula está cerrada y superar la fuerza de inercia generada por el mecanismo de la válvula cuando la válvula está abierta, de modo que las partes de transmisión siempre estén controladas por la leva y no se desprendan entre sí.
Los resortes de válvulas suelen estar hechos de alambre de acero de aleación de alta calidad y se someten a un tratamiento térmico para mejorar su resistencia a la fatiga. Para evitar la corrosión del resorte, la superficie del resorte debe estar galvanizada y fosfatada. Los dos extremos del resorte deben estar rectificados de manera plana y perpendicular al eje del resorte para evitar que el resorte se incline durante el funcionamiento.
Los resortes de válvula son en su mayoría resortes espirales cilíndricos. Cuando la frecuencia de trabajo del resorte de válvula es igual o un múltiplo de su frecuencia natural, el resorte de válvula resonará y aumentará la probabilidad de rotura. Para evitar la resonancia, se pueden utilizar resortes de paso variable y, actualmente, la mayoría de los motores utilizan resortes dobles concéntricos. La dirección de rotación de los resortes interior y exterior es opuesta, y la rigidez del resorte exterior es mayor que la del resorte interior. Los resortes dobles no solo evitan la resonancia, sino que también acortan la longitud del resorte. Además, cuando un resorte se rompe, el otro resorte puede seguir funcionando, evitando que la válvula caiga dentro del cilindro.
Método de diseño
El diseño de los resortes de válvulas, al igual que el diseño de las levas, tiene la misma importancia para el rendimiento del sistema del motor. La función de un resorte de válvula incluye evitar que la válvula salte del asiento de la válvula bajo carga de presión, así como controlar el movimiento de la válvula para evitar la separación del mecanismo de la válvula. El diseño de los resortes de válvulas afecta la tensión de la leva, la fricción del mecanismo de la válvula y la vibración del resorte. El resorte de válvula de un motor suele ser un resorte de compresión de bobina abierta con extremos cerrados. La mayoría de los motores utilizan resortes de rigidez fija, aunque algunos utilizan resortes de rigidez variable. Para los motores diésel de baja velocidad, el uso de un diseño de resorte único suele ser suficiente para cumplir con los requisitos, pero a veces también es necesario utilizar un diseño de resorte doble con un resorte amortiguador o un resorte interno para reducir la gravedad del aleteo del resorte de válvula. El diseño de resortes de válvulas es una tarea muy compleja. Puede servir como ejemplo para ilustrar los principios del diseño del sistema del motor por dos o tres razones. En primer lugar, el método de diseño analítico de resortes demuestra el vínculo entre los parámetros de los componentes y los parámetros de diseño del sistema. En segundo lugar, el método analítico de diseño de resortes demuestra que para el mismo problema de diseño, puede haber dos métodos matemáticos de construcción diferentes: uno es tratarlo como una solución determinista y el otro es resolverlo como un problema de optimización. En la construcción matemática de problemas de optimización, tanto la función objetivo como la función de restricción se enumeran como funciones explícitas a modo de ejemplo. Cabe señalar que en otras áreas del diseño de sistemas de motores, como el rendimiento del ciclo, el diseño de levas y la dinámica del tren de válvulas, las funciones utilizadas para optimizar la construcción suelen ser funciones implícitas más complejas. En tercer lugar, el método analítico de diseño de resortes proporciona un ejemplo de uso del diseño gráfico para construir un diagrama de diseño de barrido paramétrico. Estos diagramas de parámetros típicos se pueden utilizar para abordar problemas de diseño multidimensionales que se encuentran comúnmente en el diseño de sistemas de motores diésel.
En el diseño de resortes de válvulas, los datos de entrada conocidos incluyen lo siguiente: ① elevación máxima de la válvula; ② longitud de instalación del resorte dada; ③ la fuerza de precarga del resorte requerida; ④ la rigidez del resorte requerida. Cabe señalar que la fuerza de precarga y la rigidez del resorte son parámetros de diseño a nivel del sistema del motor, que deben cumplir con la fuerza máxima permitida del resorte y la tensión de la leva, evitar que la válvula de escape salte y garantizar que el tren de válvulas no salga volando. Existe una fuerte interacción entre el diseño del resorte de la válvula y el diseño de la leva. Si es difícil encontrar una solución en el diseño del resorte, es necesario modificar estos datos de entrada.
En el diseño de resortes de válvulas, los siguientes parámetros se calculan como datos de salida: ① Parámetros básicos o independientes del diseño de resortes (es decir, diámetro promedio del resorte, diámetro del alambre de la bobina del resorte, número de bobinas de trabajo); ② Parámetros de diseño exportados (como la longitud libre del resorte, longitud máxima de compresión, longitud de compresión, espacio libre entre bobinas, espacio sólido entre bobinas en máxima compresión, frecuencia natural y orden de vibración del resorte, carga máxima del resorte, fuerza máxima de torsión del resorte). Los parámetros básicos del diseño de resortes determinan la rigidez del resorte.
Algunos parámetros de salida están limitados por restricciones de diseño. Por ejemplo, la longitud de instalación y el diámetro promedio del resorte están limitados por el espacio de empaque. La compresión máxima del resorte y la tensión de torsión del resorte en la longitud compactada están limitadas por la vida útil por fatiga, la resistencia y el límite de tensión máxima admisible del resorte. Las condiciones de restricción para la protección contra el aleteo del resorte se logran controlando la holgura física y la frecuencia natural del resorte. El orden de aleteo del resorte se refiere a la relación entre la frecuencia natural del resorte y la frecuencia de funcionamiento del motor. Para garantizar que el resorte no experimente una fuerte vibración durante el funcionamiento. La frecuencia natural del resorte de la válvula generalmente debe ser al menos 13 veces la frecuencia de funcionamiento del motor, lo que significa que se espera que el orden de vibración del resorte sea mayor que 13. El análisis de la frecuencia natural del resorte muestra que si el resorte responde de manera muy sensible a uno de los armónicos dominantes del perfil de la leva, la tendencia de vibración definitivamente está presente. En este caso, es necesario modificar el diseño de la leva o el resorte. A veces, se pueden usar resortes de rigidez variable o anidados para cambiar la frecuencia del resorte y ayudar a aliviar los problemas de vibración.
El diseño de resortes es un problema de parámetros multidimensionales que se puede manejar mediante un enfoque gráfico para verificar las tendencias de sensibilidad de los parámetros. El propósito de optimizar el diseño de resortes de válvulas es maximizar la frecuencia natural del resorte para reducir la vibración del resorte, al mismo tiempo que se cumplen las siguientes restricciones: ① la precarga del resorte requerida y la rigidez del resorte de la válvula en el sistema del motor; ② Tensión máxima permitida del resorte; ③ Espacio físico adecuado para controlar la vibración del resorte
Pasos de diseño
El cálculo de resortes de válvulas es un problema complejo en el diseño de sistemas. Un resorte bien diseñado puede minimizar la fricción y el desgaste en el mecanismo de la válvula. El método de fórmula de análisis para el diseño de resortes de válvulas basado en la construcción de un diagrama de diseño de sensibilidad de parámetros se resume de la siguiente manera:
(1) Paso 1: Mediante el análisis del rendimiento de conducción cuesta abajo del vehículo y el frenado del motor, determinar el objetivo de diseño de la velocidad de despegue del tren de válvulas para determinar la precarga del resorte de válvula y la rigidez del resorte requeridas;
(2) Paso 2: Establecer un modelo dinámico del tren de válvulas para predecir con precisión el embalamiento y evaluar el impacto de la presión de recompresión del cilindro en el embalamiento;
(3) Paso 3: Realizar cálculos de barrido de parámetros sobre diferentes valores de precarga de resorte y rigidez de resorte para construir un diagrama de parámetros de la dinámica del tren de válvulas, con el fin de examinar su impacto en la vibración del tren de válvulas. Es necesario dibujar las curvas de fuerza de la varilla de empuje, aceleración del tren de válvulas y desaceleración del resorte en relación con el ángulo del cigüeñal en la figura para mostrar el margen de diseño para el descontrol, a fin de seleccionar de manera conveniente y sabia los valores objetivo de precarga de resorte y rigidez de resorte requeridos en el paso 4;
(4) Paso 4: Con base en el equilibrio de fuerza estática de la cabeza de la válvula de escape, calcule la precarga de resorte requerida para evitar que la válvula de escape salte. Seleccione la precarga de resorte de la válvula de escape para motores con y sin frenos de escape, y use el diagrama de parámetros de diseño en el paso 3 para elegir la rigidez de resorte correspondiente;
(5) Paso 5: Realice el cálculo del barrido de parámetros sobre los parámetros de diseño y utilice métodos de diseño gráfico para construir un diagrama de diseño de sensibilidad de parámetros para el diseño del resorte. Elija el diámetro promedio del resorte, el diámetro del alambre de la bobina y la cantidad de bobinas, al mismo tiempo que satisface las restricciones de diseño, como la tensión de torsión del resorte, la frecuencia natural y la holgura de la bobina. Alternativamente, se pueden utilizar métodos de optimización analítica para resolver directamente la ecuación.
El método de ruptura
Debido a que el resorte de la válvula soporta torsión durante el funcionamiento, la distribución de la tensión en su sección transversal circular es desigual. La tensión aumenta gradualmente desde el origen cerca del centro hasta cada punto del borde, y la superficie experimenta la tensión más alta. En términos de puntos de la superficie, la superficie interna soporta la tensión más alta y está sujeta a tensión plana. Por lo tanto, una vez que hay un defecto en la superficie del resorte de la válvula, es posible generar la concentración máxima de tensión en la ubicación del defecto, lo que lleva a una fractura temprana del resorte.
Motivo de la rotura
Además de los defectos de fabricación, la rotura del resorte de la válvula también puede deberse a un uso inadecuado, lo que puede provocar daños prematuros. Las razones más comunes son las siguientes:
① En la superficie del resorte se forman picaduras y picaduras de corrosión. Un almacenamiento inadecuado puede provocar picaduras de corrosión en la superficie del resorte. Cuando el resorte se somete a un par elevado, es fácil que se produzca una concentración de tensión en las picaduras de corrosión, lo que finalmente provoca una fractura por fatiga del resorte.
El método de inspección de calidad para resortes de válvula nuevos: sujetar el resorte en una prensa y comprimirlo hasta la longitud mínima, de modo que no haya espacio entre los anillos tanto como sea posible, y mantenerlo durante 48 horas. Si hay defectos en la superficie del resorte, se romperá después de este tratamiento de compresión. Esto se debe a que la tensión interna del resorte está altamente concentrada cerca del defecto, lo que hace que el resorte se rompa.
La resistencia de la elasticidad del resorte de la válvula se puede identificar mediante un método de comparación. El método específico consiste en conectar primero el resorte de la válvula viejo que se está inspeccionando en serie con un resorte de válvula nuevo y separarlos con una arandela de acero en el medio. Luego, aplique cierta cantidad de presión sobre un resorte de válvula y observe el grado de compresión de los resortes nuevo y viejo. Si la elasticidad del resorte viejo es insuficiente, primero debe presionarse hacia abajo.
② La línea central del resorte está torcida. Si las dos caras de los extremos del resorte de la válvula no son perpendiculares a la línea central del resorte, el resorte funcionará a alta velocidad durante mucho tiempo y su material metálico también es propenso a fracturarse debido a la fatiga. El método para verificar la verticalidad de los resortes de válvula es colocar primero el resorte verticalmente sobre una placa plana, usar una regla cuadrada para apoyarlo sobre el círculo inferior del resorte, luego girar el resorte una vez y medir la distancia máxima entre el círculo superior del resorte y la regla cuadrada. Normalmente, la distancia de inclinación del resorte de la válvula con respecto a la línea vertical es de 1,5 mm. Si excede este valor, es mejor reemplazarlo por uno nuevo.
③ Movimiento de la guía de la válvula o cojinetes del árbol de levas flojos. Si la guía de la válvula se mueve durante el uso, puede provocar que el resorte de la válvula se rompa debido a la tensión de flexión al comprimirse. Los cojinetes del árbol de levas flojos pueden provocar resonancia en los resortes de la válvula y también provocar su rotura.
④ Operación o instalación incorrectas. Durante el funcionamiento de un motor diésel, si la velocidad cambia de repente con frecuencia, la frecuencia de compresión y extensión del resorte de la válvula aumentará repentinamente, lo que provocará una fractura por fatiga.
⑤ El resorte de la válvula no se montó como se requiere. Al ensamblar resortes de válvula, algunos modelos tienen requisitos especiales. Por ejemplo, el motor diésel Isuzu 6BBl requiere que el lado azul del resorte esté orientado hacia la superficie plana de la culata. De lo contrario, el resorte es propenso a romperse.
Gestión de emergencias
Si se descubre que el resorte de la válvula de un motor diésel está roto durante la conducción, primero se puede quitar el resorte roto y luego se pueden volver a instalar las superficies de trabajo en ambos extremos del resorte para un uso temporal. Si el resorte se rompe en varias secciones, se pueden quitar los pernos de ajuste de las válvulas de admisión y escape del cilindro para mantener las válvulas cerradas. Luego, se puede quitar el tubo de aceite de alta presión de la bomba de inyección de combustible que conduce al cilindro para evitar que inyecte combustible en el cilindro, lo que permite que el automóvil continúe conduciendo hasta el destino.
Pasos de inspección
(1) Verifique la longitud libre del resorte de la válvula. Mida la longitud libre del resorte de la válvula con un calibrador y su valor debe cumplir con el valor estándar. Si no cumple con los requisitos, debe reemplazarse.
(2) Verifique la verticalidad del resorte de la válvula. Use una regla cuadrada y una placa plana para verificar la verticalidad del resorte de la válvula. Su valor debe cumplir con el valor estándar, de lo contrario, debe reemplazarse.
(3) Verifique la precarga del resorte de la válvula. Utilice un medidor de fuerza para detectar la fuerza de precarga del resorte de la válvula, y su valor debe cumplir con el estándar. Si la fuerza de precarga es inferior al valor estándar, se debe reemplazar el resorte de la válvula.
(4) Para evitar daños, el resorte debe comprimirse con frecuencia.
