（2）气门弹簧的工作条件
气门弹簧承受高频交变载荷，工况恶劣，故需精心设计，才能使其长期可靠地工作。气门弹簧一旦断裂会造成严重的发动机事故。气门弹簧的设计常常受到尺寸上的限制，因此气门弹簧应有合理的结构与尺寸，弹簧材料应有较高的疲劳强度，制造上应保证一定的精度并尽力避免各种缺陷。 （3）气门弹簧的结构
气门弹簧通常采用圆柱螺旋压缩弹簧。目前在大多数柴油机上都是一个气门装两个气门弹簧，它既可充分利用空间，减小弹簧高度尺寸，又易保证弹簧所需要的弹簧力，并且在一个弹簧万一断裂时，也有可能在一定时间内防止气门落入气缸。采用双弹簧时，内、外弹簧的螺旋方向应相反。此外，由于两个弹簧的自振率不相同，可以相反阻尼作用，从而减少共振危险。气门弹簧钢丝直径d大多在（2.55.55）mm范围
内，弹簧旋绕比D2/d 一般为69（D2为弹簧的中径）。 （4）气门弹簧的选材
气门弹簧在应的工作温度下承受交变载荷，为使弹簧能长期的可靠工作，要求弹簧材料不仅具有良好的机械性能，而且应有足够的抗应力温度松弛的能力，在工作中不致产生过大的弹力消失现象。一般认为弹簧力小于名义值的85%以下时，弹簧就已经失效，不能继续使用，这是决定弹簧使用期限的一个重要因素，在弹簧设计时应根据弹簧的工作温度和应力大小合理的选择弹簧材料。
气门弹簧材料一般为碳素弹簧钢丝（I、II、III组）、65mn和50CrVA弹簧钢丝等。 碳素弹簧钢丝有冷拉和油催化—回火两种状态。对于195B柴油机的气门弹簧用的就是冷拉钢丝。因为冷拉钢丝有较高的抗拉强度（钢丝的直径越小，强度就越高），成本低廉，但是抗应力—温度松弛能力较差，使用与中等负荷的发动机使用，对于油淬火—钢丝的强度与钢丝直径关系不大，与冷拉钢丝相比较，直径在3mm左右的钢丝，它们的弹性极限大致相同，小于此直径的，冷拉钢丝强度高，反之，油催化—回火钢丝强度高。油淬火—回火钢丝的优点在于热稳定性较好，可适应用较高工作温度。对于各种弹簧材料适用的最高工作温度见表2.2.1。
表 2.1 各弹簧材料最高工作温度表
材料 碳素弹簧钢丝和65Mn弹簧钢丝 油淬火—回火碳素弹簧钢丝 50CrVA弹簧钢丝 10
最高工作温度（℃） 120 150 210
（5）气门弹簧特性曲线与气门惯性力曲线的配合
在设计时首先作出气门升程曲线和发动机最高转速时的加速度曲线，将加速度的坐标乘以配气机构在气门端的总当量质量即得到气门惯性力曲线（实际惯性力应与加速度方向相反）、由气门运动规律测试表明，实际的气门惯性力变化如下图虚线所示的情况，在从正惯性力过渡到负惯性力的波动最大，最易发生系统的脱落，弹簧力应超过气门系数振动时的惯性力，并且有一定的余量。在初步选定了p2和p1后，在气门升程曲线右方作出弹簧曲线方程，并在方程曲线上的C1、C2、C3 、C0等点处引水平线和垂直线，将水平线上截得的弹簧长度量到对应的垂直线上，在惯性力图上（图2.3） 得到弹簧力曲线，弹簧力至少要比惯性力大30%，在惯性力从正变负区域弹簧力的储备量还应更大一些，此时可对P2、P1作出适当的调整，以来满足要求。
图2.3弹簧惯性力
2.2.3气门弹簧的有关计算
已知：凸轮轴的转速np?0.5nn?1100r/min，和凸轮轴的角速wx?115rad/s，进气门的最大升程hxnmax?6.96mm，进气门喉口直径drop?32.5mm，圆弧凸轮线的尺寸：
r0?18mm,r1?138mm,r2?6mm,hTmax?7mm, a?r0?hrmax?r2?18.96mm，摇臂的尺寸： lr?32mm, 挺柱的升程、速度和加速度曲线图。弹簧的材料采用弹簧钢，lxn?46mm，
??1=35Mpa，?n?1500Kpa。
弹簧的最大弹力
2Pnpmax?kmxnalrnwx/lr
11
?236N （2.7）
式中 ，mxn为单面气门机构总重量，a为挺柱升程,lm/lr为摇臂比,wx为凸轮轴角速度。
弹簧最小的弹力：
2Pnpmin?kmxn(r0?r2)lrn?r/lr
=149N （2.8） 弹簧预压缩变形量：
fmin?(r0?r2)lm/lr
=17.25mm （2.9） 式中，r0为凸轮基圆半径，r2为凸轮顶部半径。
内、外弹簧之间的负荷分配： 内弹簧：
Pnp.nmax?0.3Pnp.max?70.8NPnp.nmin?0.3Pnpmin?44.7N
（2.10）
式中，Pnp.nmax为内弹簧最大压力，Pnp.nmin为内弹簧最小压力。 外弹簧：
Pnp.wmax?Pnpmax?Pnp.nmax?166.2N Pnp.wmin?Pnpmin?Pnp.nmin?104.3N （2.11）
式中，Pnp.wmax为外弹簧最大压力，Pnp.wmin为外弹簧最小压力。
弹簧的尺寸：
a、弹簧钢丝直径 ：外弹簧钢丝直径?w?4mm，内弹簧钢丝直径?np.n?3mm。 b、弹簧的平均直径：外弹簧平均直径Dnp.w?28，内弹簧平均直径Dnp.n?19mm。 c、弹簧的工作圈数：
ip.n?4G?np.nfmax8Pnp.nmaxD3np.n?5.6
ipw?
G?n4p..nfmax8PD3np.nmaxnpn. ?6.6 （2.12）
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式中，G=8.3是钢丝剪切弹性模量，Dnp为弹簧直径，?np.n为最大变形量。 d、弹簧总圈数:
inn?ipn?2?7.6 inw?ipn?2?8.6 e、气门全开时弹簧的长度:
（2.13）
Lwmin?in.n?np.n?ip.n?min?29.1mm Lnmin?in.n?np.n?ip.n?min?22.6mm f、 自由弹簧的长度：
（2.14）
Ln.cn?Lnmin?fmax?48.22mm
Ln.cn?Lnmin?fmax?41.72mm （2.15）
2.3摇臂的设计
2.3.1摇臂的工作原理
摇臂是推杆和气门之间的传动件，它是推杆传来的力改变方向后作用于气门尾部以推开气门。
摇臂的几何尺寸决定于气门和凸轮轴的相对位置。为了获得较轻的质量刚性好的结构，往往才有T字型的或者I字型的断面。195柴油机采用的就是T字型摇臂断面。
摇臂比： 摇臂有长、短臂之分，长短之比成为摇臂比，其值在1.6左右。长臂推动气门的杆端，短臂端的螺孔中装有气门间隙调节螺钉和锁紧螺母，气门间隙调节螺钉的球头与推杆上端的凹球端头接触，根据195柴油机的外形结构确定其摇臂比为46/32=1.44。
摇臂润滑：摇臂依靠摇臂轴支撑在摇臂支座上，摇臂钻有油孔，摇臂轴为中空型，机油由支座油道经摇臂轴内腔润滑到摇臂的衬套，然后从摇臂上油道上流出，滴落在摇臂两端进行润滑。
摇臂的定位：摇臂轴上两摇臂间装有摇臂弹簧，防止摇臂轴向窜动，从而保证各摇臂相对气门杆的确定位置。在195柴油机上，采用的是用摇臂支座将两个摇臂分开，并且在两边缘处用卡簧将其锁紧。
摇臂的材料：所采用的材料是QT60—2摇臂在与气门的尾部接触时既有滚动又有滑动，所以对材料的要求是要耐磨，为了防止磨损影响正常的配气相位，故该表面要
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求淬火热处理的工艺。
2.3.2摇臂与气门杆顶面间接触应力的计算
2PErm?r?0.3383 2r ?420?kfg/mm? （2.16）
2式中，Pr为气门杆顶面上的最大作用力，r为摇臂敲击部分的球面半径； 摇臂与气门顶面间的许用接触应力：??r??450?kfg/mm2?。 摇臂断面总应力为：
?G?P?a?WA?P?cosa1FA
=400?kgf/mm2? （2.17）
式中，Pr为气门上的最大作用力，Wa为气门侧摇臂计算断面的断面模数，FA—气门侧摇臂断面的面积。
上述应力?c的许用值??c?如下：铸铁??r??2.5kgf/mm2，锻造碳钢??r??10kgf/mm2，锻造合金钢：??r??20kgf/mm2，铸钢：??r??5kgf/mm2，轻合金：??r??2.0kgf/mm2。对于195柴油机选择??r??5kgf/mm2。
2.4推杆的设计
2.4.1推杆的功能结构形式
推杆是把凸轮的运动从凸轮轴传至顶置气门处，完成发动机的配气。
推杆是一个细长杆材料为45号钢，在工作时容易发生纵向弯曲，它是配气机构中刚度薄弱的环节。在S195型柴油机上是采用冷拔无缝钢管（或铝制空心管）制造。采用冷拔无缝钢管可减轻它的质量，减小往复惯性力。此外，缩短推杆的长度是减轻质量，提高纵向弯曲应力和整个配气机构刚度的有效办法。 2.4.2尺寸设计
根据195柴油机的结构，拟取它的长度设计为291mm ，外径9mm，球头半径4.5mm。 （1）推杆校核
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