CN209761516U - 一种充钠气门 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种充钠气门，包括气门头部以及气门杆，气门头部沿轴向开设有通孔，气门头部的盘部具有腔体，所述气门头部具有密封端和加强筋，所述密封端将气门头部的腔体开口密封起来，所述加强筋包括内加强筋和外加强筋，内加强筋和外加强筋均呈喇叭状，外加强筋包围在内加强筋外侧，内加强筋两端分别连接到内部空腔的壁面和密封端上，外加强筋两端分别连接到内部空腔的壁面和密封端上。本实用新型含内部加强筋的空头气门能够大大增强气门刚度，工作状态下较少的挠度变形，降低气门锥面‑座圈之间的微滑动距离，减少磨损。

Description

一种充钠气门

技术领域

本实用新型涉及发动机气门领域，特别涉及一种充钠气门。

背景技术

配气机构是发动机的重要组成部分，气门是配气机构中的关键零部件。发动机的气门控制着外部新鲜空气的进入和内部燃烧废弃的排出以及在发动机燃烧室的压缩和膨胀时起到密封作用，其工作的稳定性及耐磨特性深刻影响发动机的油耗、功率、效率乃至整机寿命。气门-座圈配对副工作于高应力(发动机最高燃烧压力可达20MPa、弹簧力和动载荷压力可达130MPa)、高温度(进气门工作温度一般在200～450℃，排气门的工作温度一般在600～800℃，有的甚至高达850℃)和腐蚀性(高温燃气侵蚀、硫化、V₂O₅腐蚀和氧化作用)的恶劣环境中，容易发生磨损，而气门的装配误差和开闭时的转动，又加剧了这种磨损，过度的磨损会导致气门-气门座圈副失效，降低发动机输出功率。随着发动机技术水平的提高，性能指标的日趋强化，燃烧室爆发压力和燃烧温度进一步提高。同时，随着环保问题愈加突出，环保法规愈加严格，对发动机排放水平提出了更高的要求，气门工作环境进一步恶化。因此，一方面不断地提高气门材料的抗高温磨损抗疲劳性能，比如引进镍基或钴基高温合金。然而，高温合金的价格和热塑性较差，导致气门的材料成本和制造成本上升。另一方面，不断发掘气门自身的冷却功能，降低其工作温度。

由于金属塑性成形技术所限以及气门尺寸的约束，含有内部空腔的气门零件很难制造。因此，需要进行气门制造技术的新突破。拓扑优化方法融合了拓扑学和计算机技术，可应用在机械零部件优化设计中。拓扑优化可在给定的区域内，寻求结构的某种布局在满足一定约束条件下的设计目标达到最优，例如达到结构质量最轻。3D打印技术与计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程(CAE)的结合会带来结构轻量化设计制造的优势。3D打印技术可以实现空头气门中空夹层、薄壁、加强筋等结构的制造。超声波表面滚压通过超声的高频振动，利用超声冲击能量和静载滚压相结合的有效工作方式，通过滚压球对金属零部件表面进行超声滚压处理，从而得到更好的材料表面改性层。在材料表面产生一种剧烈塑性变形层，细化晶粒同时引入较大的残余压应力，抑制裂纹扩展，提高抗疲劳性能。

实用新型内容

针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型的目的是：提供一种充钠气门。

本实用新型的目的通过下述技术方案实现：

一种充钠气门，包括气门头部以及气门杆，气门头部沿轴向开设有通孔，气门头部的盘部具有腔体，所述气门头部具有密封端和加强筋，所述密封端将气门头部的腔体开口密封起来，所述加强筋包括内加强筋和外加强筋，内加强筋和外加强筋均呈喇叭状，外加强筋包围在内加强筋外侧，内加强筋两端分别连接到内部空腔的壁面和密封端上，外加强筋两端分别连接到内部空腔的壁面和密封端上；

通孔和腔体相连通，通孔、腔体、内加强筋以及密封端之间形成内部空腔，内部空腔中具有钠，所述钠占内部空腔空间的55％-65％。

优选的，气门头部的外锥面上具有堆焊槽，在堆焊槽中设置有耐磨加强层。

优选的，所述钠占内部空腔空间的60％。

本实用新型的充钠气门具有降温和减重的两大突出优势。其与传统常规实心气门相比，由于内部空腔的存在，从而降低气门自身重量。通过钠在密闭的内部空腔中震荡强化传热，将气门热量通过气门导管传递给整机循环冷却系统，从而对气门零件产生冷却效果，降低空头气门工作温度，提高工作寿命。和充钠的全空头气门相比，本实用新型含内部加强筋的空头气门能够大大增强气门刚度，工作状态下较少的挠度变形，降低气门锥面-座圈之间的微滑动距离，减少磨损。

本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本实用新型针对发动机传统实心气门没有内部冷却，针对全空头气门存在受力薄弱的缺点，综合利用拓扑优化方法、3D打印增材制造方法、超声波滚压方法和摩擦焊连接方法，在空头气门的受力薄弱点设置加强筋，加强筋连接于内部空腔中进行结构强化。摩擦焊工艺对空头气门的气门杆部进行摩擦焊封口，和相同外部尺寸规格的传统实心气门相比，本实用新型的充钠气门具有更低的气门质量和气门工作温度(本实用新型在能够保证足够的强度和可靠性的前提下，减轻气门质量17.3％，降低气门工作温度120℃及以上，有利于提高发动机输出功率)；和相同外部尺寸规格的全空头气门相比，本实用新型充钠气门具有更高的刚度和更长的工作寿命。

附图说明

图1是本实用新型的气门头部的结构示意图；

图2是对气门外弧面进行超声波滚压的示意图；

图3是单加强筋空头气门的气门头部的结构示意图；

图4是双加强筋空头气门的气门头部的结构示意图；

图5是传统实心气门的结构示意图；

图6是常规空杆充钠气门的结构示意图；

图7是充钠的全空头气门的结构示意图；

图8是充钠的单加强筋空头气门的结构示意图；

图9是充钠的双加强筋空头气门的结构示意图；

图10是本实用新型在650℃下进行超声波滚压前后气门材料旋转弯曲疲劳性能对比。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

一种充钠气门制造方法，包括：选定气门优化区域，使用连续结构拓扑优化方法对气门头部进行结构拓扑优化；

导出优化后气门三维模型，对模型进行后处理，优化气门局部几何特征。利用3D打印增材制造方法制备含有内部空腔1和加强筋的气门头部，气门头部进行整体液体氮化处理；

向气门的内部空腔1进行充钠；

使用惯性摩擦焊将气门杆5和打印出来的气门头部的气门杆部6进行连接；气门杆5与气门头部的气门杆部6采用摩擦焊，其焊接质量可靠，焊接时间短，一个气门杆部6摩擦焊接工艺在几秒至十几秒时间内即可完成，保证较高的加工效率，提高了生产效率，能适应大批量的生产气门的要求。

对气门头部的外锥面4进行等离子堆焊。

优选的，向内部空腔1充入钠3，在气门杆5焊接到气门头部的气门杆部6前从气门杆部6的通孔8加入钠3，常温下钠3为固态。

当气门处于工作状态，气门头部中的钠3在高温状态下融化成液态，能够随着空头气门的运动在内部空腔1中上下冲刷，将空头气门头部(含加强筋)的热量有效地带到空头气门的气门杆5，继而通过与气门杆5配合的气门导管传输到发动机的整机循环冷却系统，从而大幅度降低气门头部及气门头部外锥面4的温度，提高气门零件的耐磨性能和工作寿命。

优选的，连续结构拓扑优化方法包括：建立气门三维CAD模型；输入对应气门材料的高温力学性能参数，确定边界条件，建立拓扑优化的有限元模型；确定拓扑优化区域和非拓扑优化区域；确定优化目标和约束条件；求解拓扑优化模型；模型后处理。

优选的，对气门外弧面12进行超声波滚压强化从而形成表面强化层，闭合增材制造材料可能存在的表面微孔洞，并引入的较大的残余压应力在材料表面及次表面，增强气门的高温抗裂纹扩展和抗疲劳性能。

优选的，气门头部的外锥面上具有堆焊槽13，在堆焊槽13中加入司太立合金粉末并通过堆焊将司太立合金粉末融化在堆焊槽13中形成所述耐磨加强层7。具体的,在堆焊槽13中加入司太立合金粉末并通过等离子堆焊将司太立合金粉末融化在堆焊槽13中形成一层耐高温磨损、耐冲击和耐腐蚀的耐磨加强层7，耐磨加强层7能提高本实用新型高温工况下的耐磨性能。

优选的，对气门头部的气门杆部6进行镀铬或者渗氮处理。

经过超声波滚压强化以后，材料的疲劳性能大大提高，如图10所示。经过超声波滚压强化后，充钠气门在650℃下的一千万周的旋转弯曲疲劳强度由滚压前的345MPa提升到了400MPa，提高了15.9％。

优选的，所述气门头部具有密封端9，所述密封端9将气门头部的腔体开口密封起来，所述加强筋包括内加强筋10和外加强筋11，内加强筋10和外加强筋11均呈喇叭状，外加强筋11包围在内加强筋10外侧，内加强筋10和外加强筋11在气门轴向剖面图内呈大致平形态。内加强筋10两端分别连接到内部空腔1的弧形壁面和密封端9上，外加强筋11两端也分别连接到内部空腔1的弧形壁面和密封端9上。

内加强筋10和/或外加强筋11与内部空腔1腔壁连接形成“支撑”作用，能够大大增强本实用新型整体的刚度。在发动机燃烧室中较大的燃烧压力下，含内部加强筋的空头气门比无加强筋的空头气门整体变形量较小，外锥面4和座圈之间的微滑动距离较小，减缓了外锥面4和座圈之间的磨损。

优选的，所述钠3占内部空腔1空间的65-75％。

优选的，所述钠3占内部空腔1空间的60％。

一种充钠气门，包括气门头部以及气门杆5，气门头部沿轴向开设有通孔8，气门头部的盘部具有腔体，所述气门头部具有密封端9和加强筋，所述密封端9将气门头部的腔体开口密封起来，所述加强筋包括内加强筋10和外加强筋11，内加强筋10和外加强筋11均呈喇叭状，外加强筋11包围在内加强筋10外侧，内加强筋10和外加强筋11在气门轴向剖面图内呈大致平形态。内加强筋10两端分别连接到内部空腔1的弧形壁面和密封端9上。外加强筋11两端也分别连接到气门内部空腔1的弧形壁面和密封端9上。

优选的，气门头部的外锥面4上具有堆焊槽13，在堆焊槽13中设置有耐磨加强层7。

优选的，通孔8和腔体相连通，通孔8、腔体、内加强筋10以及密封端9之间形成内部空腔1，内部空腔1中具有钠3，优选的，所述钠3占内部空腔1空间的65-75％。

优选的，所述钠3占内部空腔1空间的60％。

充钠空头气门具有两个明显的优点：减轻气门质量和降低气门头部工作温度，能适应发动机轻量化和高功率密度化的发展趋势。

虽然配气机构的轻量化对整个发动机或者汽车轻量化的贡献很小，但是它会对发动机的性能产生巨大的影响，并且气门在发动机配气机构中占比较大，进、排气门的惯性重量约占整个配气机构的40％。气门的轻量化可减少摩擦损失，减少气门弹簧的工作负荷，从而降低气门落座冲击力，能够较大程度缓解气门-座圈的严酷程度。气门质量的减轻不仅有利于发动机整机质量的减轻，也可以有效提升气门的动态特性，有助于提高配气机构的开闭速度及精确控制能力，从而提升发动机的性能、降低汽车油耗和排放。

对于传统的实心气门而言，大约三分之二的热量通过座圈传递到气缸盖，主要依靠气门座圈去传递热量已渐渐不再适用。空头气门本体在内部充入约占内部空腔体积60％的钠3，钠3在97.5℃下熔化，其比重为0.97g/cm³。工作时钠3在内部空腔中随着发动机上下运动作相应窜动，液态的金属钠3迅速地冲刷空头气门的盘部和颈部内腔，将盘部和颈部热量迅速通过气门杆部6和外部导管传递给发动机冷却循环系统。根据测试，采用本实用新型的空头气门并向其中充入纳时，相比于传统的常规实心气门，充钠的空头气门最高温度温降可以达到120℃及以上。因此，本实用新型充钠的空头气门具有降温和减重的两大突出优势，具有广阔市场前景。

拓扑优化方法融合了拓扑学和计算机技术，可应用在计算力学及优化设计中。拓扑优化可在给定的区域内，寻求结构的某种布局在满足一定约束条件下的设计目标达到最优。例如在满足强度和刚度要求的前提下达到机械零件结构质量最轻。拓扑优化使得结构中不再局限于被动地对给定的结构方案进行分析校核，而是主动地在机构分析的基础上寻找最优结构。拓扑优化能在给定的设计空间内寻找最佳的材料分布，可以提供全新的设计和可使材料分布最优化。

3D打印技术与计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程(CAE)的结合会带来结构轻量化设计制造的优势。3D打印技术可以实现空头气门中空夹层、加强筋(薄壁)等结构的制造。传统的气门制造工艺主要包括金属塑性成形和机械加工，3D打印技术是推广应用在气门生产。

超声波表面滚压通过超声的高频振动，利用超声冲击能量和静载滚压相结合的有效工作方式，通过滚压球对金属零部件表面进行超声滚压处理，细化金属晶粒，从而得到更好的材料表面改性层。超声滚压通过滚压头对工件表面法线方向施加一定幅度的超声振动，再给以一定的进给量，滚压头则将静压力和超声振动有效的传递到材料表面，产生剧烈的挤压的作用，从而使金属材料表层产生大幅度的塑性变形，细化材料表层的晶粒尺寸。超声波表面滚压可以有效地闭合3D打印材料的可能存在的微空洞和微裂纹等缺陷。在材料表面产生一种剧烈塑性变形层，同时引入较大的残余压应力，抑制在运行工况下的裂纹扩展，提高材料的抗疲劳性能。

摩擦焊是利用工件接触面摩擦产生的热量为热源，使接触的工件在压力作用下产生强烈塑性变形而进行焊接的固态连接方法。在恒定或递增压力以及扭矩的作用下，焊接接触端面之间的相对运动在摩擦面及其附近区域产生大量的摩擦热和塑形变形热，使其附近区域温度上升到接近但一般低于熔点的温度区间，材料的变形抗力降低、塑性提高、界面的氧化膜破碎。接着，在顶锻压力的作用下，伴随着材料产生的塑性变形及流动，通过界面的分子扩散和再结晶，最终实现材料的焊接。

由于气缸盖和气门座圈的在运行时候的受热变形或者可能存在的装配误差，导致气门和气门座圈的不对中。在气门外弧面12会受到弯矩，使得该处受到较大弯曲应力。随着气门上下运动，弯曲应力周期性变化。同时，由于高温燃烧废气的冲刷，气门外弧面12的温度比较高。因此，气门外弧面12是气门容易发生疲劳失效的位置。

3D打印材料的粉末可选择马氏体耐热不锈钢粉末，钛合金粉末(如Ti6Al4V)，或者镍基高温合金粉末(如Inconel718)，同时要求金属粉末的颗粒度均匀，符合设备要求。马氏体耐热不锈钢粉末，钛合金粉末和镍基高温合金粉末三类材料中部分特定材料的3D打印增材制造技术已经较为成熟，性能稳定，相比铸造工艺制备的相同材料的性能甚至更佳。

设置不同的优化目标，例如不同的材料减少比例或最大应力许用值、零件最大变形量等，能够得到不同的优化方案。根据拓扑优化结果，结合3D打印技术的技术要求和制造效率及成本，选择单加强筋(一个加强筋)或双加强筋(内加强筋和外加强筋)优化后的结构。

对传统实心气门、常规空杆充钠气门、充钠的全空头气门(不含加强筋)、充钠的单加强筋空头气门和充钠的双加强筋空头气门的结构进行对比，建立对应的3D模型。将3D打印材料的高温力学性能参数输入优化后的模型，按照气门受力条件进行边界条件设置，计算不同种类气门的最大位移。对传统实心气门、常规空杆充钠气门、充钠的全空头气门、充钠的单加强筋空头气门和充钠的双加强筋空头气门重量对比如表1所示。

由于金属塑性成形技术所限以及气门尺寸的约束，充钠的全空头气门存在受力薄弱点，并且根据考核结果显示气门充钠的全空头气门、充钠的单加强筋空头气门和充钠的双加强筋空头气门的盘部中央的位移量较大。使用有限元分析计算传统实心气门、常规空杆充钠气门、充钠的全空头气门、充钠的单加强筋空头气门和充钠的双加强筋空头气门在实际运行中的的最大位移量，结果如表1所示。可知：和充钠的全空头气门对比，充钠的单加强筋空头气门的重量略有增加(增加4.7％)，但是最大位移量却减少了79.6％。此外，和充钠的全空头气门对比，充钠的双加强筋空头气门重量增加了5.4％，最大位移量却减少了81.6％。综上，充钠的单加强筋空头气门和充钠的双加强筋空头气门的刚度比充钠的全空头气门(不含加强筋)好，而且充钠的双加强筋空头气门优于充钠的单加强筋空头气门。充钠的单加强筋空头气门和充钠的双加强筋空头气门的具体结构对比,充钠的单加强筋空头气门中的加强筋厚度可设置为2.5mm，充钠的双加强筋空头气门厚度可设置为1.8mm。充钠的双加强筋空头气门的内加强筋10和外加强筋11与内部空腔1的弧形壁面及密封端9间已经形成桁架结构，计算结果显示该结构具有较高的刚度。和传统实心气门相比，充钠的双加强筋空头气门的质量减少了17.3％，最大位移量只增加了36％，在材料安全校核范围内，符合设计要求。

表1：传统实心气门、常规空杆充钠气门、充钠的全空头气门、充钠的单加强筋空头气门和充钠的双加强筋空头气门重量和最大位移对比。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种充钠气门，其特征在于，包括气门头部以及气门杆，气门头部沿轴向开设有通孔，气门头部的盘部具有腔体，所述气门头部具有密封端和加强筋，所述密封端将气门头部的腔体开口密封起来，所述加强筋包括内加强筋和外加强筋，内加强筋和外加强筋均呈喇叭状，外加强筋包围在内加强筋外侧，内加强筋两端分别连接到内部空腔的壁面和密封端上，外加强筋两端分别连接到内部空腔的壁面和密封端上；

通孔和腔体相连通，通孔、腔体、内加强筋以及密封端之间形成内部空腔，内部空腔中具有钠，所述钠占内部空腔空间的55％-65％。

2.根据权利要求1所述的充钠气门，其特征在于，气门头部的外锥面上具有堆焊槽，在堆焊槽中设置有耐磨加强层。

3.根据权利要求1所述的充钠气门，其特征在于，所述钠占内部空腔空间的60％。