多目標(biāo)的內(nèi)燃機(jī)氣門彈簧優(yōu)化設(shè)計分析

6sigma管理法代表了新的管理度量和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),是一種組織工作業(yè)績獲得突破性改進(jìn)的手段和追求卓越的管理方法。介紹了6sigma方法的語言———過程變差σ與100萬件產(chǎn)品可能出現(xiàn)的缺陷數(shù)之間的關(guān)系,以及6sigma的改進(jìn)模式———dmaic;并以內(nèi)燃機(jī)氣門彈簧清洗過程的6sigma改進(jìn)過程為例,說明了如何應(yīng)用dmaic方法尋找出該過程的關(guān)鍵影響因素、提高清洗工藝的穩(wěn)健性

油田現(xiàn)場用柴油機(jī)和各種車輛中的氣門彈簧座是易損零件之一。以往對其冷擠壓組合凹模設(shè)計采用經(jīng)驗法,精確性不高,凹模易損壞。鑒于此,采用優(yōu)化設(shè)計,給出冷擠壓組合凹模優(yōu)化設(shè)計模型,導(dǎo)出優(yōu)選組合凹模各圈直徑和過盈量的計算式;針對一種氣門彈簧座的組合凹模,給出優(yōu)化設(shè)計結(jié)果。

對海上平臺雙燃料柴油機(jī)氣門彈簧進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計研究,通過對氣門彈簧材質(zhì)選取、加工工藝、熱處理工藝的策劃研究,理順了制造工藝流程.對氣門彈簧進(jìn)行了共振和穩(wěn)性驗算,并進(jìn)行了疲勞壽命試驗,通過實(shí)際裝機(jī)運(yùn)行,使用效果超過進(jìn)口氣門彈簧.

采用化學(xué)成分分析、金相檢驗和硬度測試等方法對3.6mm55crsi鋼氣門彈簧在臺架試驗中的斷裂原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明:由于鋼絲表面存在的脆性非金屬夾雜物,導(dǎo)致氣門彈簧在試驗時出現(xiàn)早期疲勞斷裂。

采用體視檢測、顯微組織觀察、硬度測試、成分分析等分析方法,對氣門彈簧早期失效原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明,失效彈簧材料成分和組織基本符合55crsi鋼的技術(shù)要求,預(yù)先存在的裂紋是導(dǎo)致該批試樣提早失效的根本原因。

本文通過對氣門彈簧工作特點(diǎn)及其典型斷裂失效模式的分析,在此基礎(chǔ)上對過噴引起的氣門彈簧斷裂進(jìn)行了失效分析,并提出了噴丸工藝改進(jìn)意見。

以氣門彈簧凈質(zhì)量最小、剛度誤差最小為雙優(yōu)化設(shè)計目標(biāo),考慮可靠性等約束條件,建立了可靠性優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型,用線性加權(quán)組合法對多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行處理,采用基于證據(jù)理論和區(qū)間分析的可靠性優(yōu)化設(shè)計方法進(jìn)行求解,得到了有價值的優(yōu)化方案。設(shè)計實(shí)例驗證了該方法的有效性和實(shí)用性。

本文分析了柴油汽車發(fā)動機(jī)氣門彈簧的作用及使用要求,分析其最優(yōu)化設(shè)計的設(shè)計變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件。提出了氣門彈簧最優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型,克服了傳統(tǒng)的試湊法和圖解法的不足,并通過實(shí)例進(jìn)行驗證說明。提高了氣門彈簧的設(shè)計效率及設(shè)計質(zhì)量。

氣門彈簧彈力減弱或折斷的原因分析

以氣門彈簧質(zhì)量最小以及防共振性能最好為目標(biāo),以鋼絲直徑、彈簧直徑、彈簧圈數(shù)為設(shè)計變量,以彈簧指數(shù)、彈簧強(qiáng)度、彈簧穩(wěn)定性、彈簧尺寸等為約束條件,建立了某內(nèi)燃機(jī)氣門彈簧數(shù)學(xué)模型,并應(yīng)用遺傳算法求解了優(yōu)化結(jié)果?？紤]制造誤差的影響,應(yīng)用蒙特卡羅方法對氣門彈簧的目標(biāo)函數(shù)、約束條件的概率分布特征等進(jìn)行穩(wěn)健性分析。分析表明在給定的制造精度下氣門彈簧穩(wěn)健性差,合格率低。重新修正制造精度后,氣門彈簧的穩(wěn)健性能得到了極大的提高。這種方法為氣門彈簧制造精度的確定提供了準(zhǔn)確的依據(jù)。

某發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)初期,突然發(fā)生異響,拆解發(fā)動機(jī)發(fā)現(xiàn)氣門彈簧和氣門斷裂。分別對氣門、氣門彈簧進(jìn)行材質(zhì)分析,檢測結(jié)果正常。通過對氣門彈簧外觀觀察,氣門彈簧工作時內(nèi)外表面、不同螺旋角和壓縮變形時的切應(yīng)力分析,從而得出彈簧表面擦傷導(dǎo)致氣門彈簧斷裂,氣門進(jìn)氣缸內(nèi)撞擊導(dǎo)致異響及氣門變形、斷裂的結(jié)論。

本文以變剛度氣門彈簧為研究對象,建立了氣門彈簧、彈簧座的三維有限元組合模型。使用有限元分析軟件,在考慮各組件接觸關(guān)系的基礎(chǔ)上,對該氣門彈簧在不同載荷下進(jìn)行了三維有限元計算。通過有限元仿真計算,快速地得到了變剛度氣門彈簧彈性特性曲線。并依據(jù)氣門彈簧應(yīng)力計算結(jié)果對該彈簧進(jìn)行了靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度校核。

分析某機(jī)型改進(jìn)過程中,由于排氣背壓的增加導(dǎo)致氣門反跳的現(xiàn)象,并對新機(jī)型重新校核彈簧特性參數(shù);分析了增加彈簧預(yù)緊力對配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性的影響,證明適當(dāng)增加彈簧預(yù)緊力能有效地解決反跳問題,并對整個配氣機(jī)構(gòu)特性影響不大。

發(fā)動機(jī)氣門彈簧的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及維修要領(lǐng)

發(fā)動機(jī)氣門彈簧多用圓柱形螺旋壓縮彈簧,在氣門關(guān)閉過程中用于克服氣門及傳動件的慣性力,保證氣門及時落座并緊密貼合,防止氣門在發(fā)動機(jī)振動時產(chǎn)生跳動。本文通過分析其優(yōu)化設(shè)計的設(shè)計變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件,提出并驗證優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型,該方法簡便易行,且可以達(dá)到預(yù)期的設(shè)計目的。

氣門彈簧是汽車發(fā)動機(jī)的重要元件,其對疲勞和穩(wěn)定性能的要求非?？量?。概述了氣門彈簧用鋼的化學(xué)成分、冶煉工藝等對提高彈簧性能的研究進(jìn)展。著重介紹了硅、錳、鉻、鎳、鉬、鈮及釩等元素對氣門彈簧用鋼的強(qiáng)度、疲勞極限以及抗松弛性能的影響,同時對冶煉工藝中夾雜物控制技術(shù)以及彈簧鋼表面處理技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)歸納。

分析了用swosc-v,oteva-75sc牌號彈簧鋼絲卷制的汽油機(jī)氣門彈簧引入氮化工藝的可行性,經(jīng)討論后確定以450±10℃溫度對氣門彈簧進(jìn)行低溫氣體氮碳共滲(氣體軟氮化)處理,通過工藝試驗和分析,確定了汽油機(jī)氣門彈簧氣體氮化工藝。對處理后的彈簧經(jīng)金相、靜壓試驗和疲勞試驗表明,氣體軟氮化能進(jìn)一步提高汽油機(jī)氣門彈簧的抗松弛及工作可靠性。

氣門彈簧多為等螺距螺旋彈簧,一般在一個氣門上安裝一個彈簧。在有的汽車發(fā)動機(jī)上,為了防止彈簧發(fā)生共振,采用變螺距彈簧(如五十鈴cvr重型貨車發(fā)動機(jī)氣門彈簧);在多數(shù)高速發(fā)動機(jī)上則采用雙氣門彈簧。變螺距氣門彈簧和雙氣門彈簧安裝的方法要正確,否則它們不能起到應(yīng)有的作用。1變螺距彈簧氣門彈簧在發(fā)動機(jī)工作過程中,容易發(fā)生

闡述了汽車發(fā)動機(jī)氣門彈簧的作用,分析其最優(yōu)化設(shè)計的設(shè)計變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件,提出了氣門彈簧最優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型,并通過實(shí)例進(jìn)行驗證說明,該模型可提高氣門彈簧的設(shè)計效率。

根據(jù)極限切應(yīng)力原理,將模糊設(shè)計與優(yōu)化設(shè)計理論相結(jié)合,推導(dǎo)出氣門彈簧靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度模糊可靠度約束條件,建立其質(zhì)量最輕及防共振性能最好的多目標(biāo)可靠性優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型。利用正弦轉(zhuǎn)換函數(shù)法對各分目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行規(guī)格化轉(zhuǎn)換,引入分目標(biāo)的最大值與最小值之比作為判斷量級差的依據(jù),進(jìn)行量值的同數(shù)量級處理。以df4b型內(nèi)燃機(jī)車16v240zjb型柴油機(jī)氣門彈簧為實(shí)例,基于matlab,引入熵理論,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的模糊可靠性優(yōu)化設(shè)計。結(jié)果表明,彈簧質(zhì)量略有減輕,防共振性能明顯增強(qiáng),疲勞強(qiáng)度可靠度大大提高,優(yōu)化效果良好。

內(nèi)燃機(jī)氣門彈簧的設(shè)計一般屬于多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)內(nèi)燃機(jī)氣門彈簧在實(shí)際中的設(shè)計要求,建立其多目標(biāo)優(yōu)化模型。采用nsga-ii優(yōu)化算法對其進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化,克服了傳統(tǒng)的試湊法和圖解法存在的不足,實(shí)現(xiàn)了多方案優(yōu)化設(shè)計,提高了氣門彈簧的設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率,具有較大的工程使用價值。

例1故障現(xiàn)象有1輛奧迪q5運(yùn)動型多功能車,發(fā)動機(jī)型號為cad,行駛里程5.3萬km。在行駛中,怠速抖動明顯。故障診斷及排除過程1.用v.a.s5052檢測怠速時,發(fā)動機(jī)1缸失火明顯;高怠速時失火現(xiàn)象輕微;2.拆檢火花塞,點(diǎn)火線圈正常;3.拆檢進(jìn)氣道,發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣門積碳堆積嚴(yán)重,清洗積碳并把1缸噴油嘴和4缸噴油嘴調(diào)換位置,一切清洗干