摘要：柴油发动机气门弹簧的作用是在凸轮轴没有举升气门时保持气门关闭，并使气门与座保持紧密的结合。为了保证气门关闭时所需要的运动速度与克服气门等机件的惯性力，弹簧必须具有足够的弹力。简单的说，气门弹簧其实就是保证气门及时落座并紧密贴合，防止气门在振动时发生跳动，破坏其密封性的关键部件。本文系统阐述气门弹簧的原理特点及固定方式、类型、与气门杆的连接方法以及检查方法，为柴油发电机组的配气机构维护提供技术指导。
一、气门弹簧的原理特点及固定方式
1. 原理
气门弹簧是指位于气门与摇臂等部件之间的弹簧。在柴油发动机运行时，由于活塞上下运动所带来的惯性力，导致发动机运动不平稳，气门开合不连续。而气门弹簧则能够在这种情况下起到平衡力的作用，使气门可以跟随活塞的运动而连续开合，从而保证发动机正常工作。气门弹簧的作用原理可以用弹簧力和气门控制之间相互作用的力学关系来解释——当凸轮轴驱动摇臂下压气门时，弹簧被压缩储存能量；当凸轮转过最高点后，弹簧释放能量，推动气门迅速落座，确保气门在规定时间内完成关闭动作。
2. 特点
（1）气门弹簧具有结构简单、可靠性高、寿命长等特点。在柴油发动机运行中，气门弹簧往往承受着较大的弹性应力（交变应力可达数百兆帕），因此其材料的选择和强度问题显得尤为重要。
（2）一般来说，气门弹簧由多种钢丝材料制成，包括碳素钢丝、铬钒钢和铬硅钢。应力、负荷温度和老化质量决定了到底应采用哪种材料。铬钒钢和铬硅钢具有更高的疲劳强度和耐热性，适用于高负荷、高转速的柴油机，而碳素钢丝则用于低负荷、低转速的场合。
（3）弹簧的结构形式可以分为圆柱形、锥形、柿形等多种类型。不同类型的气门弹簧具有不同的弹性常数和疲劳极限，因此在选择时需要根据具体的使用情况进行综合考虑。
3. 固定方式
（1）气门弹簧与锁片共同固定在气门杆上。气门弹簧必须能够正确地关闭气门。如果气门弹簧的弹力不够，可能使气门浮升。气门浮升就是气门打开的时间稍稍大于设计值，导致气门在活塞接近上止点时仍未完全关闭，可能引发气门与活塞碰撞。这种情况通常在气门弹簧软化和发动机高速运转时发生。当气门撞击气门座时，会发生气门跳动现象，从而使气门关闭不严。
（2）气门弹簧由专用的弹簧钢制成，在工作过程中受到冲击负荷的作用，弹簧有很高的耐疲劳强度。弹簧钢经过热处理（淬火+回火）后具有优良的弹性和抗疲劳性能，表面应无裂纹、折叠等缺陷。
（3）气门杆尾端的形状决定气门弹簧座的固定方式，常用的结构是锁片式和锁销式两种。采用剖分或两半的锥形锁片来固定弹簧座时，气门杆的端部切出环槽，利用剖分成两半且外表面为锥面的气门锁片与弹簧座的锥形内表面来固定弹簧座，其结构简单、工作可靠、拆装方便，因此得到广泛的应用。
（4）采用锁销式结构时，在气门杆尾端钻一径向通孔，锁销插在通孔内来支承气门弹簧座，而气门弹簧座的边缘又可阻止锁销的松脱，如图1所示。不管采用何种固定措施，都应采用压装方式进行压入（如图2所示），以免损坏气门杆端部或锁片。
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图1 气门弹簧的固定形式示意图 |
图2 气门弹簧压装工具 |
二、气门弹簧的类型
作用在弹簧上的力是周期性的，当作用力的频率和气门弹簧的固有频率相同或弹簧的固有频率是气门作用力频率的整数倍时，就发生共振。共振时其振动频率的幅度最大，可能会造成弹簧与气门瞬时脱开，使气门失去控制，甚至使弹簧断裂。共振是气门弹簧失效的主要形式之一，在高转速工况下尤为突出。为了减小谐振，采用了多种设计，包括使用更强的弹簧、不等螺距弹簧、双弹簧、改变弹簧的外径、在弹簧内放置小的减振器。为了防止共振的产生常分为以下几种形式，如图3所示。
1. 等螺距弹簧
（1）提高气门弹簧的自然振动频率，即采用等螺距弹簧，如图3(a)图所示，设法提高气门弹簧的刚度，如加粗钢丝直径或减小弹簧的圈径。这种方法较简单，但由于弹簧刚度大，增加了功率消耗和零件之间的冲击载荷（气门落座冲击力增大，加速气门座圈磨损和气门杆端部磨损）。
（2）等螺距弹簧的固有频率固定，当发动机转速变化时，在某些特定转速下容易与气门作用力频率产生共振。因此，等螺距弹簧适用于转速范围较窄的柴油机，或作为双弹簧中的辅助弹簧使用。
（3）等螺距弹簧的制造工艺简单、成本低，但其共振问题限制了其在高速柴油机上的应用。为了克服共振，通常需要采取其他辅助措施，如增大弹簧刚度的同时配合更大的阻尼。
2. 不等距弹簧
（1）不等螺距弹簧的结构如图4所示。因弹簧圈距不等，故每一圈的固有频率不同，当气门上升时，弹簧被压缩，圈距较小的一端逐渐叠合，使弹簧的实际工作圈数减少，弹簧的固有频率跟着改变，避免了共振的产生。不等距弹簧通过自调节方式实现固有频率的动态变化，有效抑制共振。
（2）安装不等螺距的弹簧时，螺距较小的一端应当朝向气缸盖（即弹簧座方向）。这是因为在气门关闭状态时，圈距较小的一端承受更大的压缩变形，叠合时能有效改变固有频率。若装反，则无法起到防止共振的效果，且可能导致弹簧在压缩时发生非正常叠合，引起弹簧应力集中和早期断裂。
（3）不等距弹簧的制造工艺较复杂，成本较高，但其防共振效果显著，在中等转速范围（1500～2500r/min）的柴油机上得到广泛应用。判断不等距弹簧是否安装正确的方法是：观察弹簧端部，圈距较小的一端通常弹簧丝排列更紧密，肉眼可辨。
3. 减振弹簧
（1）带有减振弹簧的气门弹簧就是采用等螺距的单弹簧，在其内圈加一个过盈配合的阻尼摩擦片来消除共振。减振弹簧可以嵌在气门弹簧内，如图3(d)所示。减振弹簧通过摩擦阻尼消耗振动能量，抑制共振振幅。
（2）减振弹簧的工作原理是利用内、外弹簧之间的相对运动产生摩擦，将振动能量转化为热能，从而抑制共振。这种设计结构简单，不需要改变主弹簧的结构，适用于对空间有限制的场合。摩擦片磨损后减振效果会下降，需要定期检查。
（3）减振弹簧的摩擦阻尼会消耗少量功率，但相对于共振引起的破坏性振动，其功率损耗可以忽略。减振弹簧适用于对弹簧外形尺寸有严格限制的场合，如小型柴油机或特殊布置的配气机构。
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图3 气门弹簧类别示意图 |
图4 圈距不等的气门弹簧图示 |
4. 双气门弹簧
（1）双弹簧是将一个小弹簧装在大弹簧里面，如图5所示。由于两根弹簧绕制的方向不一样（通常旋向相反），刚度不同，发生共振的频率也不同。当一根发生共振时，另一根弹簧起减振作用，所以采用双弹簧，可有效防止发生共振现象。双弹簧的共振抑制效果优于单弹簧，是目前中高速柴油机的主流选择。
（2）顶置式气门机构采用双弹簧时，一旦其中一根断裂另一根还能维持工作，以免发生气门落入气缸内的严重事故。这一安全冗余设计对高可靠性要求的发电机组尤为重要，气门若掉入气缸将直接导致活塞顶缸、连杆弯曲甚至机体报废。双弹簧提供了“故障安全”功能，在单弹簧断裂后仍能维持气门关闭，避免灾难性后果。
（3）双弹簧的内外弹簧旋向相反时，可以防止内弹簧嵌入外弹簧的圈间间隙中。安装时应确认内外弹簧的旋向相反，并确保内弹簧与外弹簧之间的间隙均匀（通常不小于0.5mm），避免相互接触产生异常摩擦。内、外弹簧的弹力应匹配——内弹簧弹力通常为外弹簧的30%～40%，以保证两弹簧共同工作时载荷分布合理。
5. 可变螺距气门弹簧
（1）一些高性能汽油发动机使用可变螺距单气门弹簧，如图6(b)所示。可变螺距弹簧的自然频率不是固定的，因此可以避免共振。其螺距沿弹簧轴线连续变化，使弹簧在不同压缩量下具有不同的固有频率，从根本上消除了共振条件。
（2）可变螺距弹簧的设计和制造要求较高，弹簧丝的螺旋升角在不同圈之间连续变化，对绕制工艺有特殊要求。其成本高于等螺距和不等螺距弹簧，适用于对转速范围要求特别宽的场合。
6. 锥形气门弹簧
（1）锥形气门弹簧的刚度和固有振动频率沿弹簧轴线变化，因此可以消除共振的可能性。弹簧的直径从一端到另一端逐渐缩小，使各圈的固有频率不同，避免了共振点。
（2）锥形弹簧的横向稳定性好（弹簧不容易产生横向弯曲），且占用的径向空间较小，适合安装空间有限的配气机构。但制造工艺复杂，成本较高，通常在大型或高转速柴油机上应用。
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图5 双气门弹簧结构图 |
图6 气门弹簧类别区分示意图 |
三、气门弹簧与气门杆的连接方法
气门弹簧与气门杆的连接是靠连接件来完成的，连接件由弹簧托盘和锁片（或锁销）组成。弹簧托盘的作用是一方面将弹簧的作用力传给气门，另一方面使弹簧中心定位。气门弹簧连接方式有如下几种：
1. 利用锥形锁片进行连接
（1）这种连接方法如图7(a)所示。它是在气门脚部加工一凹槽，凹槽内装有两个半圆锥形锁片，锁片卡在弹簧托盘的锥形孔中，这样就比较牢固地将弹簧和气门杆连在一起。目前，采用这种连接方法较多。锁片与气门杆环槽、弹簧座锥孔之间的配合精度直接影响连接的可靠性。
（2）锥形锁片的锥面角度通常为7°～10°，利用楔紧原理实现自锁。当弹簧力向上推弹簧座时，弹簧座的锥孔向内挤压锁片，使锁片更紧密地卡入气门杆的环槽中。锁片磨损或弹簧座锥孔变形可能导致锁片松脱，造成气门掉入气缸的事故。
（3）安装锥形锁片时，应确保两个半片锁片在同一高度，且与气门杆环槽完全贴合。安装后应用专用工具敲击锁片，确认其已到位——听到清脆的金属声表明锁片已楔入。拆卸时应使用专用压装工具，不可用锤击方式强行拆下锁片。
2. 利用锁圈连接
（1）锁圈和托盘二者合为一体，锁圈开有口，气门脚制成上小下大的圆锥形，锁圈卡入气门脚的圆锥体后，气门弹簧与气门便连接起来，如图7(b)所示。这种结构不需专用锁片，装配较为简便。
（2）锁圈的开口端在安装时卡入气门杆的环形凹槽中，利用弹簧力将锁圈固定在位。其缺点是锁圈与气门杆的接触面积小，受力集中，不适合高负荷工况。
3. 利用锁钉连接
（1）这种连接方法是在气门脚上打一圆形或长方形小孔，孔内装有销子，用以支撑弹簧托盘，如图7(c)所示。这种连接方法易使气门脚处的强度下降，故现在很少采用。气门杆端部钻孔后形成应力集中点，在交变载荷下容易从孔处断裂。
（2）锁钉连接的另一个缺点是安装和拆卸比较麻烦，需要专用工具才能将锁钉插入或取出，维修效率低。
4. 气门锁片和弹簧座
（1）气门锁片和弹簧座用于将气门弹簧固定在气门杆上。弹簧座的作用相当于一个垫圈，如图8(a)所示。弹簧座安装在弹簧的顶部，气门从弹簧座中穿过。当弹簧压力向上推弹簧座时，气门锁片被挤压或楔入弹簧座，这样使得弹簧在所有情况下都能牢固地与气门相连。气门锁片有多种类型，但最常用的是分体式锁片。分体式锁片拆卸方便，而且能够保持自锁功能。
（2）弹簧座通常采用冲压或锻造工艺制造，座面上有弹簧定位台阶，用于固定弹簧的端部位置。弹簧座与锁片接触的锥面应保持光滑，任何磨损或变形都会影响锁片的自锁功能。检查弹簧座时，应重点观察锥面有无磨损或变形，若锥面出现明显磨损台阶，应更换弹簧座。
（3）在一些气门上，在两个气门锁片的下面直接放置了一个O形圈，以阻止机油沿着气门导管向下流动，如图8(b)所示。O形圈在气门杆与气门导管之间形成辅助密封，减少润滑油通过气门导管与气门杆的间隙进入燃烧室的风险，但O形圈老化后会失去密封作用，应定期检查更换。O形圈的材质为耐油橡胶（如氟橡胶），安装时应涂抹少量机油，防止扭曲和损伤。
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图7 气门弹簧连接图 |
图8 气门锁片作用图 |
四、气门弹簧的检查方法
气门弹簧在柴油发动机的运行过程中会遭受腐蚀和疲劳等因素的影响，随着使用时间的推移，其弹性和机械性能也会发生变化。因此，对于气门弹簧的维护至关重要。在维护时，首先需要注意弹簧的严密性和表面的光滑程度。其次，在使用中要避免频繁加速和减速，避免出现过于强烈的震荡和振动。此外，定期更换气门弹簧也是非常必要的，以确保发动机的正常运作和长期稳定性。
1. 气门弹簧的常见故障与外观检查
（1）气门弹簧经常遇见故障问题是因为长期受压缩，造成塑性变形而影响到自由长度变短、弹力减弱、簧身歪斜，严重情况下可能出现弹簧折断。弹簧折断通常发生在弹簧承受交变应力最大的部位，即弹簧的内圈表面或端部第一圈处。内圈表面的应力最大，是疲劳裂纹萌生的优先位置。
（2）气门弹簧的检测关键是观察有无裂纹或折断，测量弹簧自由长度和垂直度，测量弹簧弹力，气门弹簧不可以修理，必要时只能更换。弹簧表面若有明显的锈蚀、凹坑或划痕，会降低弹簧的抗疲劳强度，应提前更换。使用10倍放大镜检查弹簧内圈表面，若发现裂纹（表现为黑色细线），应更换该弹簧。
（3）检查弹簧端面是否平整，端面不平会导致弹簧工作时产生侧向力，加速气门导管磨损。弹簧端面不平整通常由长期承受偏载引起，反映气门座或摇臂可能存在不对中问题。
2. 自由长度测量
（1）气门弹簧的自由长度可用卡尺进行测量，自由长度是判断弹簧是否发生塑性变形的最直观指标。测量时，将弹簧竖直放置于平台上，测量其自然状态下的总长度。
（2）若测量值低于标准自由长度（通常缩短超过2mm），表明弹簧已发生永久塑性变形，弹力已下降，应更换。不同机型的气门弹簧自由长度标准值不同，应查阅技术手册获取准确数据。
（3）同一台发动机的所有气门弹簧的自由长度偏差不应超过±0.5mm。若偏差超过此范围，各缸气门弹簧力不一致，会导致各缸气门运动规律不同，影响各缸的充气效率和燃烧均匀性。偏差过大的弹簧应全部更换，以确保各缸弹簧力的一致性。
3. 垂直度检查
（1）气门弹簧的垂直度检查是将弹簧放在平板上，用直角尺测量弹簧侧面与平板之间的最大偏差。气门弹簧的垂直度大多数应不大于1.5～2.0mm。若气门弹簧的自由长度或垂直度不符合标准，应更换气门弹簧。
（2）垂直度超过标准会导致弹簧侧向力增大，加速气门导管磨损，并可能造成气门杆弯曲。弹簧侧向力使气门杆在导管中产生偏磨（单侧磨损），长期运行后气门杆与导管间隙不均，影响气门密封。侧向力还会增加气门杆与摇臂的磨损。
（3）垂直度超差通常由弹簧制造偏差或长期偏载使用引起。发现垂直度超差时，应同时检查弹簧座是否变形、气门导管与气门杆是否对中，因为弹簧偏斜往往是其他部件问题的结果。
4. 弹簧弹力检测
（1）气门弹簧的弹力应在专用弹簧检验仪上进行检测，用检验仪对气门弹簧施加压力，在限定压力下的气门弹簧高度，或限定气门弹簧高度下的压力，应符合标准，否则应更换气门弹簧。弹力不足的弹簧在高速运转时无法有效抑制气门浮动，导致气门关闭延迟，严重时可能引发气门与活塞干涉事故。
（2）弹力检测的具体方法为：将弹簧安装在检验仪上，压缩至工作高度（气门关闭时的安装高度），读取此时的弹力值。将该值与标准值对比，若低于标准值（通常降低超过10%），应更换弹簧。弹力检测应在室温下进行，温度对弹力有影响，测量时应记录环境温度。
（3）若没有专用弹簧检验仪，可采用对比法——将新旧弹簧在同一高度压缩，用手感或简易装置（天平或弹簧秤）比较弹力差异。若新弹簧的弹力比旧弹簧大20%以上，说明旧弹簧已严重疲劳。对于没有检验仪的现场，可通过测量弹簧自由长度并对比标准值来初步判断，因为自由长度缩短通常伴随着弹力下降。
5. 弹簧表面缺陷检查与更换原则
（1）弹簧表面检查应使用10倍放大镜进行，重点观察弹簧内圈表面的裂纹和腐蚀点。表面裂纹是疲劳断裂的先兆，一旦发现应更换该弹簧。弹簧表面不应有严重的锈蚀或凹坑，否则会降低弹簧的抗疲劳强度。
（2）更换气门弹簧时，同一气缸的两个弹簧（进气门和排气门）应成对更换，同一台发动机的弹簧应选用同一品牌、同一批号的产品，以保证各缸弹簧力一致。弹簧力不一致会导致各缸气门运动规律不同，影响各缸的充气效率和燃烧均匀性。若仅更换单个断裂弹簧，新旧弹簧之间的弹力差异会导致该缸气门特性与其他缸不一致，造成发动机运转不平稳。
（3）安装新弹簧时，应确认不等螺距弹簧的安装方向（圈距小的一端朝向气缸盖），并检查弹簧座和锁片是否完好。弹簧座磨损或变形会影响弹簧的定位精度，锁片磨损则可能导致弹簧座脱落。安装前应在弹簧座表面涂少量机油，减少弹簧端部与弹簧座之间的摩擦。
（4）对于双弹簧结构，应确保内外弹簧的旋向相反，且内弹簧不碰触外弹簧。内外弹簧之间的间隙应均匀（通常不小于0.5mm），任何碰触都会产生异常摩擦和噪声，并可能加速弹簧疲劳损坏。安装双弹簧后，应进行手动盘车检查，确认弹簧在气门全开状态下无干涉。
6. 气门弹簧的维护周期与记录
（1）建议每运行2000～3000小时或每次大修时对气门弹簧进行全面检测。检测记录应包括：各缸弹簧的自由长度、垂直度和弹力数据，便于对比分析弹簧的退化趋势。
（2）若发现某一缸的弹簧性能明显下降（自由长度缩短超过1mm或弹力下降超过5%），应及时更换该缸弹簧，防止故障扩大。建立弹簧更换档案，记录弹簧的使用时间和检测数据，对预测弹簧寿命和安排计划性维护有重要意义。
（3）发动机大修时，无论弹簧检测结果如何，建议全部更换气门弹簧。因为大修周期通常较长（数千至上万小时），旧弹簧可能已接近疲劳寿命极限，在大修后继续使用存在风险。全部更换可确保配气机构在大修后有最可靠的性能。
结语
气门弹簧是柴油发动机配气机构中的重要零件，它通过弹簧力控制气门的开合，使发动机运转更加平稳。气门弹簧具有结构简单、可靠性高、寿命长等特点，但在使用过程中会受到交变应力、高温和腐蚀等因素的影响，出现塑性变形、弹力减弱甚至断裂。为了减小共振，气门弹簧发展了等螺距、不等距、双弹簧、减振弹簧等多种类型。在维护中，应通过自由长度、垂直度（不大于1.5～2.0mm）和弹力的检测来评估其技术状态，必要时更换新品。安装时需注意不等螺距弹簧的方向（圈距小的一端朝向气缸盖）、双弹簧的旋向相反以及锁片和弹簧座的完好性。只有正确选用、安装和维护好气门弹簧，才能确保柴油发电机组的良好运行和长期稳定性。建立弹簧检测档案和定期更换制度，是预防气门弹簧失效的有效措施。
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