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氣門彈簧設計與凸輪設計相同，對發動機系統性能具有同等重要性。氣門彈簧的功能包括防止氣門在氣壓載荷下跳浮離開氣門座，以及控制氣門運動以避免配氣機構分離。氣門彈簧設計影響凸輪應力、配氣機構摩擦和彈簧顫振。發動機的氣門彈簧通常是兩端封閉的開圈螺旋壓縮彈簧。大多數發動機使用定剛度彈簧，雖然有些使用變剛度彈簧。對于轉速較低的柴油機來講，使用單彈簧設計通常足以滿足要求，但有時也需要使用帶個阻尼彈簧或內簧的雙彈簧設計，以減小氣門彈簧顫振的嚴重程度。氣門彈簧設計是個復雜的任務。它可以作為范例來說明發動機系統設計的原則，分析式彈簧設計方法展示了在部件沒計參數與系統設計參數之間的鏈接。分析式彈簧設計方法展示了對于同個設計問題，可以有兩種不同的數學構造方法:這種是作為確定性的解來處理，另種是作為優化問題來求解。在優化問題的數學構造上，目標函數和約束函數均以顯式函數作為示例列出。需要注意的是，在發動機系統設計的其他領域(例如循環性能、凸輪設計、配氣機構動力學)。用于優化構造的函數通常是更為復雜的隱式函數。分析式彈簧設計方法給出了使用圖形設計法來構造參變量掃值設計圖的范例。這些典型的參數圖可以用來處理在柴油機系統設計中經常遇到的設計問題。

在氣門彈簧設計中，已知的輸人數據包括以下內容:①大氣門升程;②給定的彈簧安裝長度;③所需的彈簧預緊力;④所需的彈簧剛度。需要注意的是，彈簧的預緊力和剛度是發動機系統層面的設計參數，需要滿足所允許的大彈簧力和凸輪應力、排氣門不跳浮、配氣機構不飛脫等要求。氣門彈簧設計凸輪設計之間存在著強烈的相互作用。如果在彈簧設計上很難找到解決方案，須修改這些輸入數據。

在氣門彈簧設計中，以下參數是計算輸出數據:①基本或的彈簧設計參數(即彈簧平均直徑、彈簧線圈鋼絲直徑、工作線圈數目);②導出的設計參數(例如彈簧的長度、壓縮長度、壓實長度、線圈之間的間隙、在壓縮時線圈之間的實體間隙、彈簧的固有頻率和顫振階數、彈簧載簡、彈簧扭轉成力)。基本的彈簧設計參數確定了彈簧的剛度。

有些輸出參數受設計約束條件。例如，安裝長度和彈簧平均直徑受包裝空間。在彈簧壓縮量和在壓實長度下的彈簧扭轉應力受彈簧疲勞壽命、強度和允許應力極。關于彈簧顫振保護的約束條件是通過控制實體間隙和彈簧固有頻率實現的。彈簧顫振的階數是指彈簧的固有頻率與發動機的工作頻率之比。為了保證彈簧不在運行中發生強烈顫振。氣門彈簧的固有頻率通常至少應當是發動機工作頻率的13倍，即希望彈簧顫振的階要高于13。彈簧固有頻率分析表明，如果彈簧對于凸輪型線的主導諧波響應非常靈敏的話，顫振的趨勢肯定是存在的。在這種情況下，需要對凸輪或者彈簧的設計進行修改。有時可以使用變剛度或嵌套彈簧來改變彈簧的頻率，以幫助減輕顫振問題。

彈簧設計是個參數的沒汁問題，可以通過圖形化的方式來處理，以檢查參數敏感度趨勢。氣門彈簧設計優化的目的是限度地增大彈簧的固有頻率，以減少彈簧振動，同時滿足以下條件:①發動機系統方面所要求的彈簧預緊力和氣門彈簧剛度;②允許的彈簧應力;③適當的實體間隙以控制彈簧顫振。