氣門彈簧位于氣缸蓋與氣門桿尾端彈簧座之間。氣門彈簧的功用是保證氣門關(guān)閉時能緊密地與氣門座或氣門座圈貼合，并克服在氣門開啟時配氣機構(gòu)產(chǎn)生的慣性力，使傳動件始終受凸輪控制而不相互脫離。
氣門彈簧多采用優(yōu)質(zhì)合金鋼絲制成，并經(jīng)熱處理，提高其疲勞強度。為了避免彈簧銹蝕，彈簧表面應(yīng)鍍鋅、磷化。彈簧的兩端面必須磨平并與彈簧軸線相垂直，以防止工作中彈簧產(chǎn)生歪斜。
氣門彈簧多為圓柱形螺旋彈簧。當(dāng)氣門彈簧的工作頻率與其固有頻率相等或成整數(shù)倍時，氣門彈簧就會發(fā)生共振而使折斷的幾率增加。為了防止共振的發(fā)生，可采用變螺距彈簧，目前大多數(shù)發(fā)動機采用同心安裝的雙彈簧。內(nèi)、外兩根彈簧的旋向相反，外彈簧剛度比內(nèi)彈簧大。雙彈簧不但可以防止共振，還可以縮短彈簧長度．并且在其中一根彈簧折斷時，另一根彈簧還可以繼續(xù)工作，不使氣門落入氣缸中。

氣門彈簧設(shè)汁與凸輪設(shè)計一樣，對發(fā)動機系統(tǒng)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(gòu)分離。氣門彈簧設(shè)計影響凸輪應(yīng)力、配氣機構(gòu)摩擦和彈簧顫振。發(fā)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(shù)發(fā)動機使用定剛度彈簧，雖然有些使用變剛度彈簧。對于轉(zhuǎn)速較低的柴油機來講，使用單彈簧設(shè)計通常足以滿足要求，但有時也需要使用帶一個阻尼彈簧或內(nèi)簧的雙彈簧設(shè)計，以減小氣門彈簧顫振的嚴(yán)重程度。氣門彈簧設(shè)計是個非常復(fù)雜的任務(wù)。它可以作為一個范例來說明發(fā)動機系統(tǒng)設(shè)計的原則，原因有二三。首先，分析式彈簧設(shè)計方法展示了在部件沒計參數(shù)與系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)之間的鏈接。第二，分析式彈簧設(shè)計方法展示了對于同一個設(shè)計問題，可以有兩種不同的數(shù)學(xué)構(gòu)造方法：一種是作為確定性的解來處理，另一種是作為優(yōu)化問題來求解。在優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)構(gòu)造上，目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)均以顯式函數(shù)作為示例列出。需要注意的是，在發(fā)動機系統(tǒng)設(shè)計的其他領(lǐng)域（例如循環(huán)性能、凸輪設(shè)計、配氣機構(gòu)動力學(xué)）。用于優(yōu)化構(gòu)造的函數(shù)通常是更為復(fù)雜的隱式函數(shù)。第三，分析式彈簧設(shè)計方法給出了使用圖形設(shè)計法來構(gòu)造參變量掃值設(shè)計圖的一個范例。這些典型的參數(shù)圖可以川來處理在柴油機系統(tǒng)設(shè)計中經(jīng)常遇到的多維設(shè)計問題。
在氣門彈簧設(shè)計中，已知的輸人數(shù)據(jù)包括以下內(nèi)容：①最大氣門升程；②給定的彈簧安裝長度；③所需的彈簧預(yù)緊力；④所需的彈簧剛度。需要注意的是，彈簧的預(yù)緊力和剛度是發(fā)動機系統(tǒng)層面的設(shè)計參數(shù)，需要滿足所允許的最大彈簧力和凸輪應(yīng)力、排氣門不跳浮、配氣機構(gòu)不飛脫等要求。氣門彈簧設(shè)計凸輪設(shè)計之間存在著強烈的相互作用。如果在彈簧設(shè)計上很難找到解決方案，就必須修改這些輸入數(shù)據(jù)。
在氣門彈簧設(shè)計中，以下參數(shù)是計算輸出數(shù)據(jù)：①基本或獨立的彈簧設(shè)計參數(shù)（即彈簧平均直徑、彈簧線圈鋼絲直徑、工作線圈數(shù)目）；②導(dǎo)出的設(shè)計參數(shù)（例如彈簧的自由長度、最大壓縮長度、壓實長度、線圈之間的自由間隙、在最大壓縮時線圈之間的實體間隙、彈簧的固有頻率和顫振階數(shù)、最大彈簧載簡、最大彈簧扭轉(zhuǎn)成力）?；镜膹椈稍O(shè)計參數(shù)決定了彈簧的剛度。
一些輸出參數(shù)受設(shè)計約束條件限制。例如，安裝長度和彈簧平均直徑受包裝空間限制。在最大彈簧壓縮量和在壓實長度下的彈簧扭轉(zhuǎn)應(yīng)力受彈簧疲勞壽命、強度和最大允許應(yīng)力極限限制。關(guān)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(xiàn)的。彈簧顫振的階數(shù)是指彈簧的固有頻率與發(fā)動機的工作頻率之比。為了保證彈簧不在運行中發(fā)生強烈顫振。氣門彈簧的固有頻率通常至少應(yīng)當(dāng)是發(fā)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(dǎo)諧波之一響應(yīng)非常靈敏的話，顫振的趨勢肯定是存在的。在這種情況下，就需要對凸輪或者彈簧的設(shè)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(shè)計是一個多維參數(shù)的沒汁問題，可以通過一個圖形化的方式來處理，以檢查參數(shù)敏感度趨勢。氣門彈簧設(shè)計優(yōu)化的目的是最大限度地增大彈簧的固有頻率，以減少彈簧振動，同時滿足以下限制條件：①發(fā)動機系統(tǒng)方面所要求的彈簧預(yù)緊力和氣門彈簧剛度；②最大允許的彈簧應(yīng)力；③適當(dāng)?shù)膶嶓w間隙以控制彈簧顫振。

氣門彈簧的沒計是一個復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計課題。良好的彈簧設(shè)計可以最大限度地減少配氣機構(gòu)的摩擦和磨損?，F(xiàn)將一個基于構(gòu)造參變量敏感度設(shè)計圖的氣門彈簧設(shè)計的分析式方法總結(jié)如下：
（1）第1步通過分析車輛下坡行駛性能和發(fā)動機制動，確定配氣機構(gòu)的飛脫轉(zhuǎn)速設(shè)計目標(biāo)，以便確定所需要的氣門彈簧預(yù)緊力和彈簧剛度；
（2）第2步建立配氣機構(gòu)動力學(xué)模型，以便準(zhǔn)確地預(yù)測飛脫，并且評估缸內(nèi)再壓縮壓力對飛脫的影響；
（3）第3步通過對彈簧預(yù)緊力和彈簧剛度的不同取值進行參變量掃值計算，構(gòu)建配氣機構(gòu)動力學(xué)的參數(shù)圖，以檢查它們對配氣機構(gòu)振動的影響。需要在圖中繪制推桿力、配氣機構(gòu)加速度和彈簧減速度相對于曲軸轉(zhuǎn)角的曲線，以顯示飛脫的設(shè)計裕度，從而能夠在第4步中方便而明智地選取彈簧預(yù)緊力和彈簧剛度所需要具有的目標(biāo)值；
（4）第4步基于排氣門閥頭的靜態(tài)力平衡，計算所需要的彈簧預(yù)緊力以防止排氣門出現(xiàn)跳浮。為帶和不帶排氣制動器的發(fā)動機選擇排氣門彈簧預(yù)緊力，并使用在第3步中的設(shè)計參數(shù)圖來選擇匹配的彈簧剛度；
（5）第5步對設(shè)計參數(shù)進行參變量掃值計算，使用圖形化設(shè)計方法為彈簧設(shè)計構(gòu)造參變量敏感度設(shè)計圖。選擇彈簧的平均直徑、線圈鋼絲直徑和線圈數(shù)目，同時滿足彈簧扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、固有頻率、線圈間隙等設(shè)計約束條件。或者也可用分析式優(yōu)化方法直接求解式。

因為氣門彈簧工作時承受扭力，所以在它圓截面上的應(yīng)力分布是不均勻的。從近中心的原點，到邊緣各點，應(yīng)力逐漸遞增，表面所受的應(yīng)力最大。就表面各點而言，正內(nèi)側(cè)表面承受的應(yīng)力最大，且受平面應(yīng)力的作用。為此，一旦氣門彈簧表面存在缺陷，位于缺陷處即有可能產(chǎn)生最大的應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致彈簧的早期斷裂。