5.4 Визначення розмірів і запасу міцності клапанної пружини

Для розрахунку береться пружина впускного клапана як більш навантажена, оскільки діаметр впускного клапана і його маса звичайно більше.

Максимальну Р_{ПР. mах} і мінімальну Р_{ПР. min} сили, H, що діють на пружину на ділянці з негативним прискоренням, визначають за формулами:

(5.15)

(5.16)

де m_кл.мех – маса клапанного механізму, що приведена до клапана, кг;

a, r₀, r₂ – параметри кулачка (див. вище), мм;

k – коефіцієнт запасу, для бензинових двигунів k = 1,45…1,70; для дизелів k = 1,32…1,50.

Приведена маса клапанного механізму m_кл.мех, кг, визначається за формулою:

(5.17)

де m_кл.мех' – конструктивна маса клапанного механізму, кг/м². Обирається за статистичними даними:

- для механізмів з верхнім розташуванням клапанів і розподільного вала:

- для механізмів з верхнім розташуванням клапанів і нижнім розташуванням розподільного вала:

Для перевірки надійності закриття клапана визначають силу Р^’_ПР.min, Н, що діє на закритий випускний клапан при найбільшому розрідженні в циліндрі, за формулою:

. (5.18)

Для розрахунку приймається більше із значень: Р_ПР.min чи Р^'_ПР.min.

У випадку, якщо на клапан установлюється по дві пружини, зусилля Р_ПР.mах і Р_ПР.mіn розподіляються між внутрішньою і зовнішньою пружинами в межах:

Р_{ПР ВНУТР} = (0,35…0,45) Р_ПР,

Р_{ПР ЗОВН} = Р_ПР - Р_{ПР ВНУТР}.

Середній діаметр пружини (зовнішньої при наявності двох пружин) D_ПР, мм, приймається з умови:

D_ПР = (0,8…0,9) d_{Г. ВП} .

Діаметр проволоки пружини d, мм, приймають у діапазоні d =3,5…6,0 мм, відповідно до стандартних значень сортаменту: 2,8; 3,0; 3,2; 3,5; 3,8; 4,0; 4,2; 4,4; 4,8; 5,0; 5,5; 6,0.

При наявності двох пружин на одному клапані діаметр проволоки внутрішньої пружини приймається у межах d_В = 2,2…4,5 мм, а її середній діаметр D_{ПР ВНУТР}, мм:

D_{ПР ВНУТР} = D_ПР - 2d - 2. (5.19)

Перш ніж визначати інші розміри пружини, необхідно перевірити її запас міцності (при наявності двох пружин, відповідно, подальший розрахунок проводиться для кожної окремо).

Максимальне і мінімальне напруження в пружині , МПа:

(5.20)

(5.21)

де k' – коефіцієнт, що враховує нерівномірний розподіл напружень по поперечному перерізу витка пружини і залежить від відношення D_ПР / d. Значення k' наведені в таблиці 5.2.

Максимальне напруження не має перевищувати [] = 350…600 МПа.

Середні напруження _ср і амплітуда напружень _А , МПа:

(5.22)

(5.23)

Запас міцності пружини n_:

(5.24)

де _-1 – межа утомлення при крученні,_-1 = 300…400 МПа;

k_ – коефіцієнт концентрації напружень;

_ – технологічний коефіцієнт;

α_ – коефіцієнт приведення.

При симетричному циклі напружень: k_/_ = 1,0; _ = 0,1.

Запас міцності має перевищувати [n_] =1,2…1,4.

Таблиця 5.2

DПР / d	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
k'	1,5	1,38	1,3	1,23	1,2	1,17	1,15	1,13	1,11	1,1

Твердість пружини С, Н/мм, обчислюється з вираження:

(5.25)

Число робочих витків пружини і_Р:

(5.26)

де G – модуль пружності другого роду, МПа, для пружинних сталей G=(88,3)·10⁴ МПа.

Звичайно у відомих конструкціях двигунів i_Р = 5…12.

Повне число витків пружини i_П приймають як:

і_П = i_Р + 2. (5.27)

Деформація пружини при закритому клапані h_ПР.0, мм, складає:

(5.28)

Максимальна деформація пружини при повністю відкритому клапані h_ПР.mах, мм:

(5.29)

Довжина пружини у вільному стані L_ПР, мм:

(5.30)

де _min – мінімальний зазор між витками пружини при повністю відкритому клапані, м, _min = 0,5…0,9 мм.