การสูญเสียแรงของสปริงวาล์ว:
ทำไมแรงกดจึงลดลง

สปริงวาล์วมีตัวเลขหนึ่งค่าที่สำคัญกว่าค่าอื่นใด: แรงที่มันรับไว้เมื่อวาล์วปิด แรงที่ความสูงติดตั้งคือสิ่งที่กดวาล์วไว้บนบ่าวาล์วเมื่อลูกเบี้ยวไม่ได้ดันลง ทุกอย่างอื่นของสปริง — ความยาวอิสระ จำนวนขด ขนาดเส้นลวด ผิวสำเร็จ — มีอยู่เพื่อสร้างตัวเลขนั้น และคงค่านั้นไว้ตลอดอายุเครื่องยนต์

ด้วยเหตุนี้ข้อร้องเรียนเรื่องสปริงวาล์วที่พบบ่อยที่สุดจึงไม่ใช่การหัก แต่คือสปริงที่วัดได้ถูกต้องตอนผลิต และวัดได้ต่ำลงตอนถอดออกมา ไม่มีใครเปลี่ยนแบบ ไม่มีใครเปลี่ยนลวด สปริงเพียงสูญเสียแรงระหว่างที่ถูกยึดอยู่ในฝาสูบ ที่ความสูงติดตั้ง ที่อุณหภูมิเครื่องยนต์ เป็นเวลาหลายพันชั่วโมง

การสูญเสียนั้นมีชื่อ มีกลไก และมีคันโยกด้านการออกแบบ บทความนี้ครอบคลุมทั้งสามอย่าง และปิดท้ายด้วยรายการค่าที่แบบสปริงวาล์วควรระบุ หากต้องการยึดผู้ผลิตไว้กับตัวเลขที่เครื่องยนต์ต้องการจริง

สองตัวเลข สปริงตัวเดียว

ตัวเลขแรกคือแรงที่ความสูงติดตั้ง วัดบนเครื่องทดสอบสปริงที่อุณหภูมิห้อง ก่อนที่สปริงจะเคยทำงานเลย เป็นตัวเลขในรายงานการตรวจสอบ และสำหรับการซื้อส่วนใหญ่ มันเป็นตัวเลขเดียวที่ใคร ๆ ตรวจ

ตัวเลขที่สองคือแรงเดียวกันนั้น หลังจากสปริงถูกอัดอยู่ในฝาสูบที่ร้อนไประยะหนึ่ง มันต่ำกว่า ต่ำกว่าเท่าไรขึ้นกับการออกแบบ วัสดุ กระบวนการ และว่าใครได้ขอตัวเลขที่สองไว้หรือไม่

ค่าความคลาดเคลื่อนของแรงที่ความสูงติดตั้งตามแบบการผลิตทั่วไปคือ ±5% สปริงที่สูญเสียแรงที่ความสูงติดตั้ง 6% ระหว่างใช้งานยังอยู่ในเกณฑ์สมบูรณ์ตอนออกจากโรงงาน และหลุดข้อกำหนดทันทีที่เครื่องยนต์ร้อน ช่องว่างตรงนั้นคือสิ่งที่บทความนี้พูดถึง

Set, relaxation และ sag ไม่ใช่สิ่งเดียวกัน

คำสามคำนี้ถูกใช้แทนกันในการสนทนาเรื่องระบบวาล์ว แต่จริง ๆ แล้วอธิบายพฤติกรรมสามแบบที่ต่างกัน และต้องใช้มาตรการรับมือสามแบบที่ต่างกัน จึงคุ้มที่จะแยกให้ชัด

ในสปริงวาล์ว ทั้งสามอย่างเกิดขึ้นพร้อมกัน ด้วยเหตุนี้ตัวเลข “เปอร์เซ็นต์การสูญเสีย” เพียงค่าเดียวโดยไม่มีวิธีทดสอบจึงแทบไม่มีความหมาย ผู้ผลิตที่รายงานการสูญเสีย 2% อาจหมายถึง 2% หลังสิบรอบที่อุณหภูมิห้อง หรือ 2% หลังหนึ่งร้อยชั่วโมงที่ 140 °C สองข้อความนี้ไม่ใช่ข้อความเดียวกัน

ทำไมสปริงจึงสูญเสียแรง

เหล็กสปริงไม่ยืดหยุ่นอย่างสมบูรณ์แบบ เมื่อขดลวดถูกดัดเลยจุดคราก วัสดุที่ออกจากเครื่องขดจะมีความเค้นตกค้างเป็นรูปแบบหนึ่ง: ดึงที่ด้านในของขด อัดที่ด้านนอก การคลายความเค้นและการเทมเปอร์ลดรูปแบบนั้นลง แต่ไม่ได้ลบมันออก และความสมดุลของสิ่งที่เหลืออยู่เป็นตัวกำหนดว่าสปริงจะทำงานอย่างไรภายใต้แรงจริงครั้งแรก

มีกลไกสามข้อที่กระทำต่อความสมดุลนั้น:

• การครากเฉพาะจุดที่ความสูงอัดแน่น ที่ระยะยกเต็ม หรือระหว่างการตั้งสภาพล่วงหน้า ขดที่อยู่ติดกันเข้าใกล้กัน ความเค้นสัมผัสที่หน้าขดสูงและไม่สม่ำเสมอ และลวดครากเฉพาะจุด เมื่อปล่อยแรง บริเวณที่ครากเหล่านั้นไม่กลับตัวเต็มที่ ความยาวอิสระจึงสั้นลง และแรงทุกครั้งที่ความสูงติดตั้งหลังจากนั้นจะต่ำลงตามอัตราสปริงคูณกับการเปลี่ยนแปลงความยาวนั้น
• การกระจายความเค้นตกค้างใหม่ รูปแบบความเค้นที่เหลือจากการขดและการอบชุบไม่ใช่รูปแบบที่สปริงจะเข้าสู่สมดุลภายใต้แรงใช้งาน รอบแรก ๆ จะกระจายมันใหม่ และการกระจายใหม่นั้นถาวร
• การคลายตัวที่เร่งด้วยความร้อน ที่อุณหภูมิเครื่องยนต์ ความคลาดเคลื่อนในโครงผลึกของเหล็กสามารถเคลื่อนที่ได้หากมีเวลาและความเค้นมากพอ สปริงคืบตัวไปสู่ความยาวอิสระที่สั้นลงเล็กน้อย อัตราการเกิดเพิ่มขึ้นชันตามอุณหภูมิ: สปริงที่คงตัวที่ 80 °C อาจสูญเสียแรงอย่างมีนัยสำคัญที่ 140 °C ในช่วงเวลาเดียวกัน

ไม่มีข้อใดเป็นการบกพร่อง ทั้งหมดเป็นสมบัติของชิ้นส่วนเหล็กรับแรงที่อุณหภูมิ คำถามของการออกแบบจึงไม่ใช่จะมีหรือไม่เกิด แต่จะเกิดก่อนหรือหลังการทดสอบรับรองของลูกค้า และมากน้อยเพียงใด

เลขคณิตของการสูญเสียแรง

ความเชื่อมโยงระหว่างการเปลี่ยนความยาวกับการเปลี่ยนแรงคืออัตราสปริง และมันไม่ผ่อนปรน เอา สปริงวาล์วที่อัตรา 44 N/mm มีแรงที่ความสูงติดตั้ง 280 N ที่ความสูงติดตั้ง 38.0 มม. หากสปริงเกิด set 0.4 มม. — การเปลี่ยนแปลงที่มองไม่เห็นด้วยไม้บรรทัด — แรงที่ความสูงติดตั้งจะลดลง 44 × 0.4 = 17.6 N หรือ 6.3%

ขยายผลนี้ไปตามอัตราสปริงต่าง ๆ จะเห็นว่าทำไมสปริงอัตราสูงจึงไวต่อ set มากกว่าสปริงอัตราต่ำ:

เทียบกับแรงที่ความสูงติดตั้ง 280 N การเกิด set 0.4 มม. บนสปริงอัตรา 70 N/mm คือการสูญเสีย 10% นั่นคือทั้งช่วงความคลาดเคลื่อนและมากกว่า หายไปจากการเปลี่ยนความยาวอิสระที่การตรวจด้วยตาจะไม่มีวันจับได้

อะไรเร่งให้เกิดเร็วขึ้น

การสูญเสียไม่ใช่สมบัติคงที่ของสปริง มันตอบสนองต่อตัวแปรหกข้อ และแต่ละข้อมีคันโยกด้านการออกแบบหรือกระบวนการกำกับอยู่

วิธีวัด set และ relaxation

การวัดเรียบง่ายในหลักการและผิดพลาดได้ง่ายในทางปฏิบัติ วิธีที่ให้ผลเปรียบเทียบกันได้ระหว่างผู้ผลิตมีลักษณะดังนี้:

1. วัดความยาวอิสระ (L₀) และแรงที่ความสูงติดตั้ง (F₁)
2. อัดสปริงถึงความสูงอัดแน่น คงไว้ตามระยะเวลาที่กำหนด แล้วปล่อย
3. วัดความยาวอิสระอีกครั้ง (L₁) และแรงที่ความสูงติดตั้ง (F₂)
4. รายงาน set เป็นเปอร์เซ็นต์ของความยาวอิสระ: (L₀ − L₁) / L₀ และการสูญเสียแรงเป็น (F₁ − F₂) / F₁

สำหรับ relaxation ให้คงสปริงที่ความสูงติดตั้งที่อุณหภูมิที่กำหนดเป็นเวลาที่กำหนด แล้ววัดแรงที่ความสูงนั้น ขณะยังอยู่ที่อุณหภูมิหากอุปกรณ์จับยึดเอื้ออำนวย การวัดขณะร้อนสำคัญ: สปริงที่วัดหลังเย็นตัวลงอาจฟื้นคืนส่วนหนึ่งของการสูญเสียที่ดูเหมือนเกิดขึ้น และทำให้ผลลัพธ์ดูดีเกินจริง

ที่โรงงานของเรา แรงที่ความสูงติดตั้งและที่ระยะยกสุดถูกตรวจด้วยเครื่องทดสอบสปริงอัตโนมัติ และการทดสอบความล้าทำตามช่วงแรงและจำนวนรอบที่ตกลงตอนขอใบเสนอราคา การคลายความเค้นและการเทมเปอร์ถูกควบคุมภายในโรงงาน เราระบุวิธีทดสอบไว้คู่กับตัวเลขเสมอ เพราะตัวเลขแรงที่ไม่มีวิธีทดสอบคือคำกล่าวอ้าง ไม่ใช่ผลการวัด

หกคันโยกที่ลดการสูญเสีย

เครื่องยนต์รู้สึกอะไร

แรงที่ความสูงติดตั้งไม่ใช่ตัวเลขคุณภาพเชิงนามธรรม มันคือแรงที่กดวาล์วให้ปิดต้านความดันในท่อไอดีหรือไอเสีย และดึงตัวตามกลับไปตามโปรไฟล์ลูกเบี้ยวที่ความเร็วที่เครื่องยนต์หมุน เมื่อมันลดลง:

• วาล์วเริ่มลอยที่ความเร็วเครื่องยนต์ต่ำลง เพราะสปริงไม่สามารถเร่งระบบวาล์วให้ตามลูกเบี้ยวได้ทันอีกต่อไป
• การกระเด้งที่บ่าวาล์วเพิ่มขึ้น วาล์วจึงลงกระแทกด้วยความเร็วสูงขึ้น และบ่ากับหน้าวาล์วสึกเร็วขึ้น
• เสียงระบบวาล์วดังขึ้น และเสียงก๊อกนั้นมักเป็นอาการแรกที่สังเกตเห็น
• ในกรณีเลวร้ายที่สุด วาล์วและลูกสูบสูญเสียระยะห่างกันที่ความเร็วสูง

ด้วยเหตุนี้ผู้ออกแบบเครื่องยนต์จึงถือตัวเลขแรงที่ความสูงติดตั้งเป็นตัวเลขจำกัดรอบ และด้วยเหตุนี้สปริงที่ “อยู่ในเกณฑ์” แต่ติดขอบล่างจึงอาจยังเป็นสปริงที่ผิดสำหรับเครื่องยนต์ความเร็วสูง ระยะเผื่อระหว่างแรงที่ความสูงติดตั้งตามข้อกำหนดกับแรงที่วาล์วเริ่มลอยคือระยะเผื่อการออกแบบ และ set กินมันไปอย่างเงียบ ๆ

สิ่งที่ควรระบุในแบบ

แบบสปริงวาล์วที่จะยึดผู้ผลิตไว้กับตัวเลขระหว่างใช้งานต้องมีมากกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางกับค่าแรงหนึ่งค่า รายการด้านล่างคือรายการที่เราใช้ทำงานตอนขอใบเสนอราคา:

• ความสูงติดตั้งและแรงที่ความสูงติดตั้ง โดยค่าความคลาดเคลื่อนอยู่ที่แรง ไม่ใช่ที่ความยาว
• ความสูงที่ยกสุดและแรงที่ยกสุด หรืออัตราสปริง ด้วยวินัยเรื่องค่าความคลาดเคลื่อนแบบเดียวกัน
• ความสูงอัดแน่น และระยะห่างขั้นต่ำระหว่างขดที่ระยะยกเต็ม
• ความยาวอิสระ เพื่อใช้อ้างอิง
• ข้อกำหนดการตั้งสภาพล่วงหน้า หากมี พร้อมวิธีที่ใช้
• ขีดจำกัด set หรือ relaxation หลังจากเวลาที่กำหนดที่อุณหภูมิที่กำหนด
• ช่วงอุณหภูมิใช้งานในบริเวณปลอกนำวาล์ว
• เกรดลวดและค่าความคลาดเคลื่อนของลวด — เราทำงานด้วยค่าความคลาดเคลื่อนลวด JIS ตามเกรด
• ผิวสำเร็จ และการอบหลังชุบหากมี
• เป้าหมายอายุรอบและปริมาณต่อปี เพื่อให้ขนาดของแผนการทดสอบเหมาะกับโครงการ

เมื่อมีค่าเหล่านี้ การออกแบบขด วัสดุ และแผนการทดสอบทั้งหมดสามารถยืนยันได้ก่อนตั้งเครื่องมือ หากไม่มี ผู้ผลิตกำลังออกแบบจากโจทย์ที่ไม่ครบถ้วน และเครื่องยนต์คือที่ที่ช่องว่างนั้นถูกค้นพบ

สรุป

การสูญเสียแรงของสปริงวาล์วไม่ใช่ข้อบกพร่องจากการผลิตที่จะคัดออกด้วยการตรวจสอบ แต่เป็นการตอบสนองที่คาดเดาได้ของเหล็กรับแรงต่อความเค้นและอุณหภูมิ และถูกกำหนดโดยตัวแปรที่แบบควบคุมได้: ความเค้นที่ความสูงอัดแน่น เกรด การอบชุบ การตั้งสภาพล่วงหน้า และการทดสอบรับรอง

จงระบุตัวเลขที่สอง สปริงที่คงแรง 280 N บนแท่นทดสอบและเหลือ 262 N หลังหนึ่งร้อยชั่วโมงที่อุณหภูมิ เป็นผลิตภัณฑ์ที่ต่างจากสปริงที่คงแรง 278 N และมีเพียงตัวเดียวในสองตัวนั้นที่จะยังอยู่ในข้อกำหนดเมื่อเครื่องยนต์ร้อน

หากคุณกำลังทำงานออกแบบสปริงวาล์วอยู่ตอนนี้ หน้าสปริงวาล์ว ครอบคลุมด้านรูปทรง — แรงที่ความสูงติดตั้ง แรงที่ยกสุด อัตราสปริง การสั่นพ้อง และวัสดุที่เราขด — ส่วนคู่มือความล้าครอบคลุมสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อช่วงความเค้น ไม่ใช่ระดับแรง เป็นตัวจำกัด