内蒙古工业大学本科毕业设计说明书
L—EGR阀阀杆升程，m
图3—6 2400r／min时的EGR理想升程曲线
由此计算得到各工况下与最佳EGR率相对应的EGR阀阀杆升程脉谱图。2400r／min时EGR阀阀杆的理想升程曲线就如图3—6所示。
3．2.3 EGR阀的压力控制及结构方式
有了EGR阀阀杆的升程脉谱图，下面的主要设计任务就是要想办法使机械式EGR阀阀杆的运动规律与之尽量逼近靠拢。参考有关验数据，可以绘出该柴油机的排气压力曲线，进气压力曲线以及进排压力差曲线。仔细观察比较升程脉谱图，进排气压力曲线以及进排气压力差曲线，可以发现：在整个工况范围内，EGR阀的升程变化趋势与进排气压力差的变化趋势相同，与进排气压力的变化趋势相反。由此，定出EGR阀的压力控制方式，即以压差控制为主，压力控制为辅。进排气压力之差随着负荷的增大而减小，主要代表了工况中的负荷影响因素，是EGR流量的主控变量。对于压力控制，这里为了结构简便，选用排气压力控制，它随着转速的升高而增大，主要代表了工况中的转速影响因素，是EGR流量的辅控变量。所以与传统的单膜片EGR阀不同，本
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EGR阀将采用双膜片结构，主辅之分通过各自作用的膜片面积大小来体现，压差控制的膜片面积大，影响系数大，压力控制的膜片面积小，影响系数小。这种EGR阀将不再需要真空调节阀等其他控制元件，而是把它们的功能揉进自身的结构之中，靠自身的结构方式和结构参数优化来满足特定发动机对EGR流量的需求。整个EGR阀的结构示意图如图3—7所示。
图3—7 EGR阀结构示意图
3.2.4弹簧的设计计算
弹簧是一种机械零件，它利用材料的弹性和结构特点，在工作时产生变形，把机械功或动能转变为变形能(位能)，或把变形能(位能)转变为机械功或动能。在设计弹簧时，应该考虑的基本工作性能有以下凡方面：1)弹簧的特性线，即载荷和变形的关系；2)弹簧的变形能；3)弹簧的自振频率；4)弹簧受迫振动时的振幅。由于圆柱螺旋压缩弹簧应用最为广泛，其价格也便宜、易加工等优点，下面就按照圆柱螺旋压缩弹簧的设计计算法来进行弹簧的设计计算。其设计步骤如下：首先根据工作条件选择材
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料，确定出许用切应力[?]。然后初步选取弹簧旋绕比C=5～8，根据公式计算出弹簧材料的直径d，原整为标准值；由D=Cd计算出D。根据《弹簧手册》中标8-13计算出工作圈数n。验算弹簧的试验载荷和疲劳强度。最后计算出有关几{可参数：节距t、螺旋角a、内径D1外径D2、自由高度H。和弹簧材料的长度L等。必要时应进行弹簧的稳定性验算。在设计弹簧时，往往先选几个C值同时计算，将结果进行比较，最惹选择适宜的数值。
对于弹簧的计算公式我们可以从《弹簧手册》中查到。设计时应特别注意弹簧与活塞的配合，不能使活塞直径太小，这样容易使弹簧在受压时弯曲，也不能使活塞直径太大，这样会使弹簧设计起来比较困难。还要注意弹簧预压缩量的计算，也就是给弹簧一个预压缩量，使阀门不至于在低转速下就可以打开。通过参考试验可知，EGR阀在工作中所受的最大工作载荷为
F???R2?Pa???rh2?P???242?10?6?90?103???(12.5)2?10?6?48?103?186.4N （3—6）
。但为了工作可靠，我们选取187N。即最Pa最大真空度，rh为活塞杆头部的半径大工作载荷为187N。理论上在187N时，弹簧达到最大压缩量15mm(即活塞杆头部最大行程加上弹簧的预压缩量)。所以弹簧设计出来的刚度大概为12．5N／mm。 1)选择材料和许用应力
根据弹簧所受载荷特性及要求，在表(见手册表2-33)中选用B组不锈弹簧钢丝(1Crl8Ni9)或(OCrl9Nil0)。许用应力[?]?0.45?b。材料抗拉强度?b与钢丝壹径d有关，先假设钢丝直径d≈2-3mm，其对应的?b?1569?1814MPa。根据表(见手册表2-103)得切变模量G=71．5×103Pa。取试验切应力
?s?[?]?0.45?b?1569?705MPa （3—7）
2)选择旋绕比
旋绕比C值越小，曲率越大，卷制越困难，工作时弹簧材料截面内侧的切应力大于平均应力越多，弹簧的刚度也越大。C值大，则相反。根据表(见手册表8-4)初步选取旋绕比C=9 3)计算钢丝直径
根据式(见手册表8-18)可得计算钢丝直径公式为
d?1.6KFC （3—8） [?] 23
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由于所受载荷为动载荷，但可近似看成静载荷(因为载荷变化频率很低)，所以取曲度系数K=1。
d?1.61?187?9?2.5mm （3—9）
705钢丝直径在假设的范围内，根据表(见手册表8-2)选取d=3mm。 4)弹簧的中径
弹簧中径D为弹簧的公称直径，其值应符合标准，并应严格控制外径或内径的偏差，其偏差值可按国际查出。为了保证有足够的空间，应考虑弹簧受载荷后，簧圈增大其增大值可按式(弹簧手册7-27)来计算。按表(见手册表8-3)取系列值D=26mm。 5)计算弹簧圈数
弹簧的有效工作圈数n应符合弹簧手册中的系列值。为了避免由于载荷偏心引起过大的附加力，最少工作圈数为2，但一般不少于3圈。支撑圈的圈数取决于端圆结构形式。总圈数等于两者之和，其尾数宜取0．25、0．5或整圈。根据表(见手册表8-13)得
Gd4f71500?34?15n???3.3圈 （3—10） 338FD8?187?26按表(见手册表8-5)系列值，取n=4圈，两端各取l豳支撑圈，则弹簧的总圈数
n1?n?nz?4?2?6圈 (3—11)
6)计算试验载荷
试验载荷为测定弹簧特性时，弹簧允许承受的最大载荷，其值可按下式来计算，如由于原材料及工艺的原因，在计算时，对于旋绕比小于6的弹簧也可按照下式计算。根据式(见手册式8-3)，得试验载荷(即为测定弹簧特性时，弹簧允许承受的最大载荷)
FS??d38D?s???338?26?662?270N (3—12)
7)自由高度
压缩弹簧的自由高度H0是指囟由状态下的高度。其值受端部结构的影响，难以计算出精确值，其近似值可以按照下式来计算。为了增加其受力均匀性，采用YI型端部结构两端并紧并磨平，按表(见手册8-6)可知其自由高度：
H0?nt?1.5d (3—13)
取?1?0.1dd，按式(见手搿公式8-11)初估计节距
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t?d?f15??1?3??0.1?3?7.05mm (3—14) n4代入上式得自由高度
H0?3?7.05?1.5?3?25.65mm （3—15）
按表(见手册表8-7)，取H0=30mm。 8)弹簧的节距
根据表(见手册表8-8)，可得节距
t?H0?1.5d30?1.5?3??8.5mm （3—16） n49)弹簧的螺旋角
按式(见手册公式8-9)可褥螺旋是
t8.5a?arctan?arctan?arctan0.14?5.70 （3—17）
?D??26此值符合一般要求a?50?90。如果超过90的时候就要考虑螺旋角的影响。 10)弹簧的稳定性验算
采用两端固定支承。其高径比
b?H030??1.2 （3—18） D26按表(见手册表7-3)可知b<5.3, 满足稳定性要求。 11)弹簧材料展开长度’
根据式(见手册公式8-13)可得材料展开长度
L??Dn1cosa???26?5cosa?410mm （3—19）
12)弹簧的实际性能参数
根据表(见手册表8-13)可知弹簧刚度
Gd471.5?103?34F???13.7N/mm (3—20) 338Dn8?26?3对应于变形f=15mm的弹簧载荷
F?F?f?13.7?15?205.5N （3—21）
弹簧的试验变形
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