一种空气弹簧开启关闭发动机气门装置的设计

方桉　雷志君　傅瑜杭

摘 要：【目的】本文旨在解决发动机气门落座冲击导致的振动和噪声问题，提出一种新型的空气弹簧开启关闭发动机气门装置的设计方案。该设计能够有效地缓冲冲击，降低发动机的振动和噪声，同时能够精确调控气门的落座速度，提高发动机的性能、。【方法】该设计利用橡胶空气弹簧吸收冲击能量，达到缓冲效果，同时调控气门落座速度，降低部件磨损。【结果】新设计有效地解决了现有技术中的振动和噪声问题，降低了发动机噪声，延长了发动机寿命，同时提高了发动机工作效率和输出功率。【结论】不同类型发动机都可应用，也适用于其他机械设备。未来可优化弹簧刚度和响应速度，研究在其他类型机械中的应用。

关键词：噪声；气门落座；冲击；弹簧

中图分类号：TP391.9     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2024）03-0022-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.03.005

An Air Spring Opens and Closes an Engine Valve Device

FANG An  LEI Zhijun  FU Yuhang

（Jiyang College， Zhejiang A&F University， Zhuji 311800，China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to solve is to solve the vibration and noise problems caused by the impact of engine valve seating， and to propose a new design scheme of gas spring opening and closing engine valve device. The design can effectively cushion shocks， reduce engine vibration and noise， and at the same time accurately adjust the seat speed of the valves， thus improving engine performance. [Methods] The design uses a rubber air spring to absorb the impact energy to achieve the cushioning effect， and at the same time adjust the valve seat speed to reduce the wear of components. [Findings] The new design effectively solves the vibration and noise problems in the existing art， reduces the engine noise， prolongs the engine life， and improves the engine work efficiency and output power. [Conclusions] Compared to mechanical camshaft drives， this design provides better cushioning and control accuracy， and reduces component wear. Different types of engines can be used and can also be used in other mechanical equipment. In the future， the spring rate and response speed can be optimized， and the application in other types of machinery can be studied.

Keywords： noise; valve seating; impact; spring

0 引言

发动机作为机械设备的关键部件，其性能要求不断提高。然而，传统发动机气门落座冲击导致的振动和噪声问题，严重影响了发动机的性能。为了解决这一问题，本文提出一种空气弹簧开启关闭发动机气门装置的设计方案。

气门是发动机的重要零件，控制着发动機工作过程中的进排气，时刻影响着发动机的工作效率［1］。然而，传统发动机气门落座冲击导致的振动和噪声问题，严重影响了发动机的性能。由于气门需要承受巨大的机械压力、温度变化、氧化等外部环境的影响，因此气门易于磨损，从而削弱了发动机的动力［2］。为了解决这一问题，提升气门的抗氧化能力和抗磨性显得尤为迫切［3］。随着技术的飞速发展，改良后的机械式凸轮轴驱动的进、排气门能够更好地满足多样化的环境要求，从而提供更优质的燃料，提供更强劲的动力。通过调整发动机的配气参数，可以有效提升其在各种使用条件下的性能表现［4］。观察机械凸轮轴驱动，可以发现许多不利于发动机高效运行的问题，所以本研究设计的空气弹簧开启关闭发动机气门装置具有更优的缓冲效果和控制精度，且能降低部件的磨损程度。不同类型发动机都可应用，也适用于其他机械设备。未来可优化弹簧刚度和响应速度，研究在其他类型机械中的应用。

综上，本文的研究目的是设计一种能够有效缓冲冲击、降低发动机振动和减少噪声的空气弹簧开启关闭发动机气门装置。该设计应能精确调控气门的落座速度，以提高发动机的性能。通过利用橡胶空气弹簧吸收冲击能量，达到缓冲效果，同时调控气门落座速度，降低部件磨损。在满足发动机高温、高压、高转速条件下，提高发动机性能。

1 实现原理

1.1 橡胶空气弹簧

通过采用橡胶空气弹簧及其相关的缓冲技术［5］，可以实现多方面的抗震、减震、隔震、防噪及缓冲功能［6］，从而使凸轮轴受到的冲击及振动更小，同时，也可以抑制气门落位所带来的噪声［7］。在0.6 MPa和0.7 MPa的环境中，这种汽车的橡胶空气弹簧气囊的动态和静态刚度都低于1.4 N/mm［8］，表明其能够提供优异的减振性能。因此，得出相关结论：这种材料的防护性能非常出色。

由于具备较高的耐磨损能力，橡胶空气弹簧比金属弹簧更具优势［9］。它能够抵御来自外界的垂直冲击，并且能够将内部的空气压缩，从而减少体积，提升刚度。此外，由于其特殊的结构，它的开合也能够得到良好的调节，从而满足实际应用的需求。

在发动机工作时，控制系统可以通过电控信号来控制气门的开启和关闭，气门靠机械连接进行控制［10］，从而控制气门的开启时间和持续时间。这种控制方式不仅可以提高发动机的效率，还可以减少能量的浪费，从而提高整个系统的能效。此外，这种控制方式既可以提高发动机的响应速度和动力性能，又可以减少废气的排放量，提高环保性能。因此，这种控制方式具有广泛的应用前景，可以为发动机技术的发展做出重要贡献。

1.2 上下电磁线圈

高压直流继电器是一种重要的电气设备，它可以帮助新能源汽车电路系统实现高效的控制、调节和保护，从而提高汽车的安全性和可靠性。电磁系统对高压直流继电器的运行效率至关重要［11］。

电磁系统在空气弹簧的快速控制中发挥着核心作用。当发动机控制系统发送信号给高压直流继电器时，电磁系统会以极快的速度产生磁场，驱动继电器的触点闭合或断开，从而实现对空气弹簧的精准调控。这种快速响应能力使得电磁系统能够根据发动机的工作需求进行实时调整，提高发动机的工作效率和稳定性。此外，电磁系统的应用还有其他优势。其简化了发动机的结构，降低了维护成本，使得发动机的日常保养和维修变得更加简便。同时，电磁系统的引入也为发动机技术的发展开辟了新的道路，为发动机的设计和制造提供了更多的可能性，为未来的发动机技术发展注入了新的活力。

除了高压直流继电器，空气弹簧开启关闭发动机气门装置还包括许多其他的控制元件，如压力传感器、气动阀门等。这些元件协同工作，实现对发动机气门的准确控制。

采用电磁驱动配气系统，可有效替换传统的凸轮驱动配气系统，使得发动机的进（出）气门的开合、升降速度、动态特征可根据不同的行驶状态自动变换，从而大大提高了发动机的经济效率、可靠性、安全性，成为当今汽车行业推动可持续发展的一项重要技术手段［12］。

电磁系统在开启和关闭发动机气门装置的设计中扮演着至关重要的角色。其通过控制高压直流继电器的工作性能，实现气门装置的快速、精准控制。当电磁系统接收到信号后，会产生强大而稳定的磁场，驱动高压直流继电器的触点迅速闭合，从而开启或关闭气门装置。这种高效的控制方式能够显著提升整个系统的性能，确保发动机的稳定运行。同时，电磁系统的应用也使得发动机的结构更加简单、维护成本更低，为发动机技术的发展带来了新的机遇。

然而，在实际的应用过程中，电磁系统也会遇到一些问题。电磁继电器的稳健操作决定电磁系统的效率和抗电磁干扰能力［13］。电磁继电器的电流、电压等因素都会对继电器的正常运行造成重要影响，而且随着电磁继电器的使用，电磁系统的稳健操控也变得更加重要。

需要注意的是，空气弹簧开启关闭发动机气门装置在使用时需要进行适当的维护和保养，以确保其正常工作。此外，在使用过程中还需要注意控制信号的稳定性和准确性，以免对发动机的正常工作造成影响。对于高压直流继电器的触点也需要定期检查和清洗，以确保其良好的接触性能。通过适当的维护和保养，可以延长空气弹簧开启关闭发动机气门装置的使用寿命，提高发动机的工作效率。

2 装置工作原理

该装置通过在橡胶弹簧内部注入气体来控制气门的打开或关闭。当发动机启动时，配气机构开始运转，同时，下电磁线圈也会启动。当电磁系统接收到信号后，会产生一定的磁场，推动气门升程调节开关向下移动，使得压缩空气接口被疏通，橡胶空气弹簧内充满气体，推动底板向下移动，最终使气门打开，从而实现进气。

进气结束后，下电磁线圈断电，上电磁线圈开始工作，将气门升程调节开关向上带动，空气弹簧内的气体会通过另一阀门释放出来，橡胶弹簧慢慢地流失内部的空气，自动缩起，这就会使得排底板向上，气门关闭，从而停止进气。

这种基于空气弹簧的气门开启和关闭装置具有显著的优势。空气弹簧在气门关闭时能够吸收冲击能量，提高发动机的平稳性和可靠性，同时降低部件之间的磨損，提高发动机的使用寿命。此外，通过气门升程调节开关对气门落座速度的精确调控，能够进一步提高发动机的工作效率。随着技术的不断进步，该设计会得到更加广泛的应用，为发动机技术的发展注入新的活力。

2.1 装置结构

该空气弹簧开启关闭发动机气门装置，包括气门罩、橡胶空气弹簧、底板、下电磁线圈、气门升程调节开关、排气口、压缩空气接口、上电磁线圈，具体如图1所示。气门升程调节开关在电磁线圈作用下上下移动，当堵住排气口而橡胶空气弹簧进排气口与压缩空气接口接通时，压缩空气向橡胶空气弹簧充气，随着橡胶空气弹簧气压上升，使底板下移，气门开启。当堵住压缩空气接口而橡胶空气弹簧进排气口与排气口接通时，橡胶空气弹簧向大气中排气，随着橡胶空气弹簧气压下降，使底板上移，气门关闭。

2.2 具体实施方式

气门升程调节开关6在电磁线圈作用下上下移动，当堵住排气口7而橡胶空气弹簧2、进排气口8与压缩空气接口9接通时，压缩空气向橡胶空气弹簧2充气，随着橡胶空气弹簧2气压上升，底板3下移，气门开启；当堵住压缩空气接口9而橡胶空气弹簧2、进排气口8与排气口7接通时，橡胶空气弹簧2向大气中排气，随着橡胶空气弹簧2气压下降，底板3上移，气门关闭。

所述的橡胶空气弹簧2设置在气门罩1内、底板3上；气门罩1底部通过螺栓与汽缸盖4固定连接，气门与底板3固定连接，底板3可以在气门罩1内滑动；上、下电磁线圈固定在气门罩1内，与线圈导线连接，线圈导线通过电磁气门驱动系统的处理单元与发动机电子控制单元连接。

所述的上电磁线圈10通电可以使气门升程调节开关6上移，下电磁线圈5通电可以使气门升程调节开关6下移，上、下电磁线圈不会同时通电；当上下电磁线圈不通电时，气门处于关闭状态。

该装置有以下三个优点。

其一，当气阀被关闭时，橡胶弹性垫片会发生相应的变形，从而有效地抵消机器设备所遭遇的震荡，从而降低其运行的噪声。

其二，采用橡胶空气弹簧及其相应的气门升程控制装置，可以轻松地控制气门的开启、关闭，其设计精巧而又经济。

其三，通过调节电磁线圈的接通时间，可以轻松地调整气门的开启时机和升降速度，从而提高系统的灵活性。

3 本设计的应用前景

通过引入缓冲弹簧和气门升程调节开关，可以有效地解决传统配气机构的凸轮直接驱动气门时所产生的巨大落座冲击力，从而减少部件之间的磨损，并且可以有效地抑制噪声，提高系统的性能。该设计在发动机配气机构中具有广泛的应用前景。

该设计的关键在于空气弹簧的应用。当气门关闭时，空气弹簧会逐渐压缩，从而减缓气门落座时的冲击力。同时，气门升程调节开关也会对气门的落座速度进行调控，确保气门的落座过程平稳无冲击。该设计利用空气弹簧的特性，在气门关闭时吸收冲击能量，达到缓冲效果，同时，能够精确调控气门的落座速度，降低部件的磨损程度。

新技术的应用可以显著降低发动机的噪声，提高其耐久性和运行效率，同时通过改变气门的安装位置，能够更加精确地控制气门，从而增强发动机的输出能力和燃料消耗性能。该设计的应用可以为发动机技术的发展带来多方面的优势，包括提高发动机的性能、降低噪声、增强耐久性、提高输出能力和降低燃料消耗等。同时，这种设计还可以进一步拓展其应用范围，为其他类型的机械系统提供新的解决方案。

当然，这种设计也有一些需要注意的细节。例如，在使用缓冲弹簧时需要选择适当的弹簧刚度，以确保对气门落座的冲击力进行有效缓冲。同时，气门升程调节开关的选择和调节也需要进行一定的优化和测试，以确保其能够满足发动机的工作要求。另外，考虑到发动机在不同工况下的运行需求，缓冲弹簧和气门升程调节开关的适应性也是一个重要的问题，这些细节问题的处理将直接影响设计的性能。为了进一步提高该设计的可靠性和稳定性，可以考虑引入高效率的传感器和控制系统。这些系统可以通过实时监测气门落座过程中的冲击力、速度和位置等參数，实时调整缓冲弹簧的刚度和气门升程调节开关的工作状态，以实现对气门落座过程的最佳控制，达到最佳的效果。

本文的研究成果不仅具有重要的理论价值，还具有广泛的实际应用价值。例如，在液压系统中，可以利用空气弹簧技术来吸收冲击能量，提高系统的稳定性。在汽车刹车系统中，空气弹簧技术可以用于吸收刹车时的冲击，提高刹车性能和安全性。此外，在工业机械、航空航天等领域，空气弹簧开启关闭发动机气门装置的设计也可以得到应用。该设计能够显著提高发动机的性能，降低发动机的噪声和振动，同时延长发动机的寿命。对于不同类型的发动机和其他机械设备而言，该设计具有普遍适用性，可以有效地提高设备的性能。另外，该设计还可以为其他领域的研究提供有益的参考和启示，如在其他类型的机械系统中应用空气弹簧技术来提高系统的性能和可靠性。

4 结语

通过引入缓冲弹簧和气门升程调节开关的新设计可以有效解决传统配气机构的不足之处。利用空气弹簧的特性吸收气门落座时的冲击力、降低噪声、提高耐久性和运行效率是该设计的核心优势。

尽管现有的研究已经相对成熟，但有一些不足之处需要改进。例如，在一些高负载、高转速的发动机中，气门落座冲击力较大，可能会导致空气弹簧的缓冲效果不理想。此外，对于一些具有特殊工作需求的发动机，如航空发动机，需要更加精确的气门控制和更高的耐久性。因此，未来的研究方向包括优化空气弹簧的设计和制造工艺，提高其缓冲效果和耐久性，研究更加精确的气门控制技术，以及针对不同类型发动机的工作需求进行定制化的设计和技术创新等。在今后的研究中，将继续优化空气弹簧开启关闭发动机气门装置的设计方案，包括进一步优化弹簧刚度和响应速度等方面的设计。此外，还将研究该装置在其他类型机械中的应用，以拓展其应用范围和提高其市场竞争力。

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