สปริงประตูเป็นเครื่องมือขนาดเล็กที่จะช่วยให้วาล์วเข้าที่และพอดีอย่างทันท่วงที โดยป้องกันไม่ให้วาล์วกระโดดและทำให้การปิดผนึกเสียหายในระหว่างที่เครื่องยนต์สั่นสะเทือน
สปริงวาล์วจะอยู่ระหว่างหัวกระบอกสูบและที่นั่งสปริงที่ปลายก้านวาล์ว หน้าที่ของสปริงวาล์วคือเพื่อให้แน่ใจว่าวาล์วจะพอดีกับที่นั่งวาล์วหรือแหวนที่นั่งวาล์วเมื่อวาล์วปิด และเพื่อเอาชนะแรงเฉื่อยที่เกิดจากกลไกวาล์วเมื่อวาล์วเปิด เพื่อให้ชิ้นส่วนเกียร์ถูกควบคุมโดยลูกเบี้ยวเสมอและไม่แยกออกจากกัน
สปริงวาล์วส่วนใหญ่มักทำจากลวดเหล็กอัลลอยด์คุณภาพสูงและผ่านการอบชุบด้วยความร้อนเพื่อเพิ่มความแข็งแรงในการรับแรงกด เพื่อหลีกเลี่ยงการกัดกร่อนของสปริง ควรชุบสังกะสีและเคลือบฟอสเฟตที่พื้นผิวของสปริง ปลายทั้งสองข้างของสปริงต้องเจียรให้เรียบและตั้งฉากกับแกนสปริงเพื่อป้องกันไม่ให้สปริงเอียงขณะใช้งาน
สปริงวาล์วส่วนใหญ่เป็นสปริงเกลียวทรงกระบอก เมื่อความถี่ในการทำงานของสปริงวาล์วเท่ากับหรือเป็นทวีคูณของความถี่ธรรมชาติ สปริงวาล์วจะเกิดการสั่นพ้องและความน่าจะเป็นของการแตกหักจะเพิ่มขึ้น เพื่อป้องกันการสั่นพ้อง สามารถใช้สปริงที่มีพิทช์แปรผันได้ และปัจจุบันเครื่องยนต์ส่วนใหญ่ใช้สปริงคู่แบบคอนเซนตริก ทิศทางการหมุนของสปริงด้านในและด้านนอกจะตรงกันข้าม และความแข็งของสปริงด้านนอกจะมากกว่าสปริงด้านใน สปริงคู่ไม่เพียงแต่ป้องกันการสั่นพ้องเท่านั้น แต่ยังทำให้ความยาวของสปริงสั้นลงด้วย นอกจากนี้ เมื่อสปริงตัวหนึ่งหัก สปริงอีกตัวหนึ่งจะยังคงทำงานต่อไปได้ โดยป้องกันไม่ให้วาล์วตกลงไปในกระบอกสูบ
วิธีการออกแบบ
การออกแบบสปริงวาล์ว เช่นเดียวกับการออกแบบลูกเบี้ยว มีความสำคัญเท่าเทียมกันกับประสิทธิภาพของระบบเครื่องยนต์ หน้าที่ของสปริงวาล์วได้แก่ การป้องกันไม่ให้วาล์วกระโดดออกจากที่นั่งวาล์วภายใต้แรงกดดัน ตลอดจนการควบคุมการเคลื่อนไหวของวาล์วเพื่อหลีกเลี่ยงการแยกตัวของกลไกวาล์ว การออกแบบสปริงวาล์วมีผลต่อความเครียดของลูกเบี้ยว แรงเสียดทานของกลไกวาล์ว และการสั่นของสปริง สปริงวาล์วของเครื่องยนต์มักเป็นสปริงอัดแบบขดเปิดที่มีปลายปิด เครื่องยนต์ส่วนใหญ่ใช้สปริงที่มีความแข็งคงที่ แม้ว่าบางรุ่นจะใช้สปริงที่มีความแข็งแปรผัน สำหรับเครื่องยนต์ดีเซลความเร็วต่ำ การใช้สปริงแบบเดียวมักจะเพียงพอที่จะตอบสนองความต้องการ แต่บางครั้งก็จำเป็นต้องใช้สปริงคู่ที่มีสปริงหน่วงหรือสปริงด้านในเพื่อลดความรุนแรงของการสั่นของสปริงวาล์ว การออกแบบสปริงวาล์วเป็นงานที่ซับซ้อนมาก สามารถใช้เป็นตัวอย่างเพื่ออธิบายหลักการออกแบบระบบเครื่องยนต์ได้ด้วยเหตุผลสองหรือสามประการ ประการแรก วิธีการออกแบบสปริงเชิงวิเคราะห์แสดงให้เห็นถึงความเชื่อมโยงระหว่างพารามิเตอร์ส่วนประกอบและพารามิเตอร์การออกแบบระบบ ประการที่สอง วิธีการออกแบบสปริงเชิงวิเคราะห์แสดงให้เห็นว่าสำหรับปัญหาการออกแบบเดียวกันนั้น มีวิธีการสร้างทางคณิตศาสตร์ที่แตกต่างกันสองวิธี วิธีหนึ่งคือถือว่าเป็นวิธีแก้ปัญหาที่กำหนดได้ และอีกวิธีหนึ่งคือแก้ปัญหาดังกล่าวเป็นปัญหาการเพิ่มประสิทธิภาพ ในการสร้างปัญหาการเพิ่มประสิทธิภาพทางคณิตศาสตร์ ทั้งฟังก์ชันวัตถุประสงค์และฟังก์ชันข้อจำกัดจะแสดงเป็นฟังก์ชันที่ชัดเจนเป็นตัวอย่าง ควรสังเกตว่าในด้านอื่นๆ ของการออกแบบระบบเครื่องยนต์ เช่น ประสิทธิภาพของรอบ การออกแบบแคม และพลวัตของระบบวาล์ว ฟังก์ชันที่ใช้ในการเพิ่มประสิทธิภาพการก่อสร้างมักจะเป็นฟังก์ชันโดยนัยที่ซับซ้อนกว่า ประการที่สาม วิธีการออกแบบสปริงเชิงวิเคราะห์ให้ตัวอย่างการใช้การออกแบบกราฟิกเพื่อสร้างไดอะแกรมการออกแบบการกวาดพารามิเตอร์ ไดอะแกรมพารามิเตอร์ทั่วไปเหล่านี้สามารถใช้เพื่อแก้ไขปัญหาการออกแบบหลายมิติที่พบได้ทั่วไปในการออกแบบระบบเครื่องยนต์ดีเซล
ในการออกแบบสปริงวาล์ว ข้อมูลอินพุตที่ทราบประกอบด้วย: ① ความสูงสูงสุดของวาล์ว ② ความยาวการติดตั้งสปริงที่กำหนด ③ แรงพรีโหลดสปริงที่ต้องการ ④ ความแข็งของสปริงที่ต้องการ ควรสังเกตว่าแรงพรีโหลดและความแข็งของสปริงเป็นพารามิเตอร์การออกแบบในระดับระบบเครื่องยนต์ ซึ่งต้องตรงตามแรงสปริงสูงสุดที่อนุญาตและความเครียดของลูกเบี้ยว ป้องกันไม่ให้วาล์วไอเสียกระโดด และให้แน่ใจว่าชุดวาล์วจะไม่หลุดออก มีปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งระหว่างการออกแบบสปริงวาล์วและการออกแบบลูกเบี้ยว หากการค้นหาวิธีแก้ปัญหาในการออกแบบสปริงเป็นเรื่องยาก จำเป็นต้องปรับเปลี่ยนข้อมูลอินพุตเหล่านี้
ในการออกแบบสปริงวาล์ว จะมีการคำนวณพารามิเตอร์ต่อไปนี้เป็นข้อมูลเอาต์พุต: ① พารามิเตอร์การออกแบบสปริงพื้นฐานหรืออิสระ (เช่น เส้นผ่านศูนย์กลางสปริงเฉลี่ย เส้นผ่านศูนย์กลางลวดคอยล์สปริง จำนวนคอยล์ที่ใช้งาน) ② พารามิเตอร์การออกแบบที่ส่งออก (เช่น ความยาวอิสระของสปริง ความยาวการบีบอัดสูงสุด ความยาวการบีบอัด ช่องว่างอิสระระหว่างคอยล์ ช่องว่างทึบระหว่างคอยล์ที่การบีบอัดสูงสุด ความถี่ธรรมชาติและลำดับการสั่นของสปริง โหลดสปริงสูงสุด แรงบิดสปริงสูงสุด) พารามิเตอร์การออกแบบสปริงพื้นฐานจะกำหนดความแข็งของสปริง
พารามิเตอร์เอาต์พุตบางส่วนถูกจำกัดด้วยข้อจำกัดด้านการออกแบบ ตัวอย่างเช่น ความยาวในการติดตั้งและเส้นผ่านศูนย์กลางสปริงเฉลี่ยถูกจำกัดด้วยพื้นที่บรรจุภัณฑ์ การบีบอัดสปริงสูงสุดและความเค้นบิดของสปริงที่ความยาวที่อัดแน่นถูกจำกัดด้วยอายุความล้า ความแข็งแรง และขีดจำกัดความเค้นที่อนุญาตสูงสุดของสปริง เงื่อนไขข้อจำกัดสำหรับการป้องกันการสั่นของสปริงทำได้โดยการควบคุมระยะห่างทางกายภาพและความถี่ธรรมชาติของสปริง ลำดับการสั่นของสปริงหมายถึงอัตราส่วนของความถี่ธรรมชาติของสปริงต่อความถี่การทำงานของเครื่องยนต์ เพื่อให้แน่ใจว่าสปริงจะไม่เกิดการสั่นสะเทือนรุนแรงระหว่างการทำงาน ความถี่ธรรมชาติของสปริงวาล์วโดยปกติควรเป็นอย่างน้อย 13 เท่าของความถี่การทำงานของเครื่องยนต์ ซึ่งหมายความว่าลำดับการสั่นสะเทือนของสปริงคาดว่าจะสูงกว่า 13 การวิเคราะห์ความถี่ธรรมชาติของสปริงแสดงให้เห็นว่าหากสปริงตอบสนองอย่างไวต่อฮาร์มอนิกที่โดดเด่นของโปรไฟล์แคม แนวโน้มของการสั่นสะเทือนจะเกิดขึ้นอย่างแน่นอน ในกรณีนี้ จำเป็นต้องปรับเปลี่ยนการออกแบบแคมหรือสปริง บางครั้งอาจใช้ความแข็งที่แปรผันหรือสปริงแบบซ้อนกันเพื่อเปลี่ยนความถี่ของสปริงเพื่อช่วยบรรเทาปัญหาการสั่นสะเทือน
การออกแบบสปริงเป็นปัญหาพารามิเตอร์หลายมิติที่สามารถจัดการได้โดยใช้วิธีการแบบกราฟิกเพื่อตรวจสอบแนวโน้มความไวของพารามิเตอร์ จุดประสงค์ของการปรับปรุงการออกแบบสปริงวาล์วคือเพื่อเพิ่มความถี่ธรรมชาติของสปริงให้สูงสุดเพื่อลดการสั่นสะเทือนของสปริง โดยในขณะเดียวกันก็ต้องปฏิบัติตามข้อจำกัดต่อไปนี้: ① พรีโหลดสปริงและความแข็งของสปริงวาล์วที่จำเป็นในระบบเครื่องยนต์ ② ความเครียดสปริงที่อนุญาตสูงสุด ③ ระยะห่างทางกายภาพที่เหมาะสมเพื่อควบคุมการสั่นสะเทือนของสปริง
ขั้นตอนการออกแบบ
การคำนวณสปริงวาล์วเป็นปัญหาการออกแบบระบบที่ซับซ้อน สปริงที่ออกแบบมาอย่างดีสามารถลดแรงเสียดทานและการสึกหรอในกลไกวาล์วได้ วิธีการวิเคราะห์สูตรสำหรับการออกแบบสปริงวาล์วโดยอาศัยไดอะแกรมการออกแบบความไวต่อพารามิเตอร์การก่อสร้างสรุปได้ดังนี้:
(1) ขั้นตอนที่ 1: วิเคราะห์ประสิทธิภาพการขับขี่ลงเขาของรถยนต์และการเบรกของเครื่องยนต์ กำหนดเป้าหมายการออกแบบความเร็วในการขึ้นของชุดวาล์วเพื่อกำหนดพรีโหลดสปริงวาล์วและความแข็งของสปริงที่จำเป็น
(2) ขั้นตอนที่ 2: สร้างแบบจำลองไดนามิกของชุดวาล์วเพื่อคาดการณ์การหนีศูนย์อย่างแม่นยำและประเมินผลกระทบของแรงดันอัดกระบอกสูบต่อการหนีศูนย์
(3) ขั้นตอนที่ 3: คำนวณการกวาดพารามิเตอร์ของค่าต่างๆ ของพรีโหลดสปริงและความแข็งของสปริงเพื่อสร้างไดอะแกรมพารามิเตอร์ของพลวัตของชุดวาล์ว เพื่อตรวจสอบผลกระทบที่มีต่อการสั่นสะเทือนของชุดวาล์ว จำเป็นต้องวาดเส้นโค้งของแรงผลักก้าน ความเร่งของชุดวาล์ว และการชะลอความเร็วของสปริงเทียบกับมุมเพลาข้อเหวี่ยงในรูป เพื่อแสดงขอบเขตการออกแบบสำหรับการหนีออก เพื่อที่จะเลือกค่าเป้าหมายของพรีโหลดสปริงและความแข็งของสปริงที่ต้องการในขั้นตอนที่ 4 ได้อย่างสะดวกและชาญฉลาด
(4) ขั้นตอนที่ 4: คำนวณค่าพรีโหลดสปริงที่ต้องการจากสมดุลแรงสถิตของหัววาล์วไอเสีย เพื่อป้องกันไม่ให้วาล์วไอเสียกระโดด เลือกพรีโหลดสปริงวาล์วไอเสียสำหรับเครื่องยนต์ที่มีและไม่มีเบรกไอเสีย และใช้ไดอะแกรมพารามิเตอร์การออกแบบในขั้นตอนที่ 3 เพื่อเลือกความแข็งของสปริงที่ตรงกัน
(5) ขั้นตอนที่ 5: คำนวณการกวาดพารามิเตอร์ของพารามิเตอร์การออกแบบและใช้การออกแบบเชิงกราฟิกเพื่อสร้างไดอะแกรมการออกแบบความไวของพารามิเตอร์สำหรับการออกแบบสปริง เลือกเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยของสปริง เส้นผ่านศูนย์กลางของลวดคอยล์ และจำนวนคอยล์ โดยต้องปฏิบัติตามข้อจำกัดในการออกแบบ เช่น ความเค้นบิดของสปริง ความถี่ธรรมชาติ และระยะห่างของคอยล์ อีกวิธีหนึ่งคือ สามารถใช้วิธีการเพิ่มประสิทธิภาพเชิงวิเคราะห์เพื่อแก้สมการโดยตรงได้
วิธีการทำลาย
เนื่องจากสปริงวาล์วรับแรงบิดระหว่างการทำงาน การกระจายความเค้นบนหน้าตัดวงกลมจึงไม่สม่ำเสมอ ความเค้นจะค่อยๆ เพิ่มขึ้นจากจุดกำเนิดใกล้จุดศูนย์กลางไปยังแต่ละจุดบนขอบ และพื้นผิวจะรับความเค้นสูงสุด ในแง่ของจุดพื้นผิว พื้นผิวด้านในจะรับความเค้นสูงสุดและรับความเค้นในระนาบ ดังนั้น เมื่อมีข้อบกพร่องบนพื้นผิวของสปริงวาล์ว ก็สามารถสร้างความเข้มข้นของความเค้นสูงสุดที่ตำแหน่งข้อบกพร่องได้ ส่งผลให้สปริงแตกก่อนกำหนด
สาเหตุของการแตกหัก
สาเหตุที่สปริงวาล์วแตก นอกจากข้อบกพร่องในการผลิตแล้ว การใช้งานที่ไม่ถูกวิธียังอาจทำให้เกิดความเสียหายก่อนกำหนดได้อีกด้วย สาเหตุทั่วไปมีดังนี้:
① มีหลุมและการกัดกร่อนบนพื้นผิวของสปริง การจัดเก็บที่ไม่เหมาะสมอาจทำให้เกิดหลุมการกัดกร่อนบนพื้นผิวของสปริง เมื่อสปริงได้รับแรงบิดสูง ความเครียดอาจรวมตัวกันที่หลุมการกัดกร่อนได้อย่างง่ายดาย ซึ่งท้ายที่สุดแล้วอาจนำไปสู่รอยแตกร้าวจากความล้าของสปริง
วิธีการตรวจสอบคุณภาพสำหรับสปริงวาล์วแบบใหม่: ยึดสปริงไว้กับที่จับและกดให้สั้นที่สุดเพื่อไม่ให้มีช่องว่างระหว่างแหวนมากที่สุด และเก็บไว้เป็นเวลา 48 ชั่วโมง หากพื้นผิวของสปริงมีข้อบกพร่อง สปริงจะแตกหลังจากการบำบัดด้วยการบีบอัดนี้ เนื่องจากแรงเครียดภายในของสปริงจะกระจุกตัวอยู่ใกล้กับข้อบกพร่องอย่างมาก ส่งผลให้สปริงแตก
ความแข็งแรงของความยืดหยุ่นของสปริงวาล์วสามารถระบุได้โดยวิธีการเปรียบเทียบ วิธีการเฉพาะคือการเชื่อมต่อสปริงวาล์วเก่าที่กำลังตรวจสอบแบบอนุกรมกับสปริงวาล์วใหม่ก่อน จากนั้นแยกสปริงทั้งสองออกจากกันด้วยแหวนรองเหล็กตรงกลาง จากนั้นใช้แรงกดจำนวนหนึ่งกับสปริงวาล์วและสังเกตระดับการบีบอัดของสปริงใหม่และสปริงเก่า หากความยืดหยุ่นของสปริงเก่าไม่เพียงพอ จะต้องกดลงก่อน
② เส้นกึ่งกลางของสปริงเบ้ หากปลายทั้งสองด้านของสปริงวาล์วไม่ตั้งฉากกับเส้นกึ่งกลางของสปริง สปริงจะทำงานด้วยความเร็วสูงเป็นเวลานาน และวัสดุโลหะของสปริงยังมีแนวโน้มที่จะแตกหักเนื่องจากความล้า วิธีการตรวจสอบแนวตั้งของสปริงวาล์วคือวางสปริงในแนวตั้งบนแผ่นแบนก่อน ใช้ไม้บรรทัดสี่เหลี่ยมวางบนวงกลมด้านล่างของสปริง จากนั้นหมุนสปริงหนึ่งครั้งและวัดระยะทางสูงสุดระหว่างวงกลมด้านบนของสปริงและไม้บรรทัดสี่เหลี่ยม โดยปกติ ระยะเอียงของสปริงวาล์วถึงเส้นแนวตั้งคือ 1.0-1.5 มม. หากเกินค่านี้ ควรเปลี่ยนใหม่
③ การเคลื่อนที่ของไกด์วาล์วหรือลูกปืนเพลาลูกเบี้ยวที่หลวม หากไกด์วาล์วเคลื่อนที่ในระหว่างการใช้งาน อาจทำให้สปริงวาล์วแตกได้เนื่องจากแรงดัดเมื่อถูกบีบอัด ลูกปืนเพลาลูกเบี้ยวที่หลวมอาจทำให้สปริงวาล์วเกิดเสียงสั่นพ้องและแตกหักได้
④ การใช้งานหรือการติดตั้งที่ไม่เหมาะสม ในระหว่างการทำงานของเครื่องยนต์ดีเซล หากความเร็วเปลี่ยนแปลงบ่อยครั้งกะทันหัน ความถี่ของการบีบอัดและการยืดตัวของสปริงวาล์วจะเพิ่มขึ้นอย่างกะทันหัน ส่งผลให้เกิดการแตกจากความล้า
⑤ สปริงวาล์วไม่ได้ประกอบตามที่กำหนด เมื่อประกอบสปริงวาล์ว รุ่นบางรุ่นมีข้อกำหนดพิเศษ ตัวอย่างเช่น เครื่องยนต์ดีเซล Isuzu 6BBl ต้องใช้สปริงด้านสีน้ำเงินให้หันเข้าหาพื้นผิวเรียบของหัวกระบอกสูบ มิฉะนั้น สปริงอาจแตกหักได้ง่าย
การจัดการภาวะฉุกเฉิน
หากพบว่าสปริงวาล์วของเครื่องยนต์ดีเซลหักขณะขับรถ สามารถถอดสปริงที่หักออกก่อน จากนั้นจึงติดตั้งพื้นผิวการทำงานที่ปลายทั้งสองข้างของสปริงกลับคืนเพื่อใช้งานชั่วคราว หากสปริงหักออกเป็นหลายส่วน สามารถถอดสลักปรับวาล์วไอดีและไอเสียของกระบอกสูบออกเพื่อปิดวาล์ว จากนั้น สามารถถอดท่อน้ำมันแรงดันสูงของปั๊มฉีดเชื้อเพลิงที่นำไปสู่กระบอกสูบออกเพื่อป้องกันไม่ให้ฉีดเชื้อเพลิงเข้าไปในกระบอกสูบ ทำให้รถสามารถขับต่อไปยังจุดหมายปลายทางได้
ขั้นตอนการตรวจสอบ
(1) ตรวจสอบความยาวอิสระของสปริงวาล์ว วัดความยาวอิสระของสปริงวาล์วด้วยคาลิปเปอร์ แล้วค่าที่ได้จะต้องตรงตามค่ามาตรฐาน หากไม่ตรงตามข้อกำหนด ควรเปลี่ยนใหม่
(2) ตรวจสอบแนวตั้งของสปริงวาล์ว ใช้ไม้บรรทัดสี่เหลี่ยมและแผ่นแบนเพื่อตรวจสอบแนวตั้งของสปริงวาล์ว ค่าของสปริงวาล์วควรเป็นไปตามค่ามาตรฐาน มิฉะนั้นจะต้องเปลี่ยนสปริงวาล์ว
(3) ตรวจสอบแรงพรีโหลดของสปริงวาล์ว ใช้เกจวัดแรงเพื่อตรวจจับแรงพรีโหลดของสปริงวาล์ว และค่าของแรงพรีโหลดจะต้องเป็นไปตามมาตรฐาน หากแรงพรีโหลดต่ำกว่าค่ามาตรฐาน ควรเปลี่ยนสปริงวาล์ว
(4) เพื่อป้องกันความเสียหาย ควรกดสปริงบ่อยครั้ง
