5. Расчёт деталей механизма газораспределения

5.1. Проверка пропускной способности клапана

Диаметр горловины выпускного клапана d_ГОР, м

где v_СР =13,0667 — средняя скорость поршня, м/с (из теплового расчёта); i_КЛ — число одноимённых (выпускных) клапанов на цилиндр (i_КЛ=1); [w] — допускаемая скорость газов в проходном сечении клапана, м/с (w=70…100 м/с).

Достаточность максимального проходного сечения клапана F_КЛmax проверяется по условной средней скорости газов w_У в предположении, что весь период действия клапан открыт максимально:

где — допускаемая условная средняя скорость газов, м/с ( =100…120 м/с).

Максимальное проходное сечение клапана F_КЛmax, м²

где h_КЛmax — максимальный подъём клапана, м ( ); γ — угол фаски клапана (γ=45º).

5.2. Профилирование выпуклого гармонического кулачка распределительного вала

Профиль выпуклого гармонического кулачка образован дугами двух радиусов ρ₁ и ρ₂ и дугой начальной окружности R₀, имеет центральный угол действия φ_К и обеспечивает максимальный подъём толкателя h_Тmax. Основным требованием к профилю кулачка является касание дуги профиля радиуса ρ₁ дуги ρ₂ и начальной окружности. Это условие даёт определённую связь между основными параметрами кулачка:

где ρ₁ — большой радиус боковой поверхности кулачка, м; R₀ — радиус начальной окружности кулачка, м ( ); h_Тmax — максимальный подъём толкателя, м ( ); l_КЛ и l_Т — плечи коромысла, обращённые к клапану и толкателю, м ( =1,2…1,7); ρ₂ — малый радиус дуги носка кулачка, м (ρ₂=(2…5)·10^-3 м); φ_К — центральный угол действия кулачка, град.

Угол φ_К определяется по формуле

где φ_ОП — угол опережения открытия клапана, град. (φ_ОП=55…60º); φ_ЗАП — угол запаздывания закрытия клапана (выпускного), град. (φ_ЗАП=22…27º).

По принятым и рассчитанным значениям параметров кулачка необходимо построить его профиль, ориентируясь на пример, приведённый в справочной литературе [1, рис. 16.3, а].

5.3. Расчёт клапанной пружины

Пружина проверяется на усталостную прочность от скручивания витков под действием силы инерции подвижных масс клапанного механизма при движении толкателя с отрицательными ускорениями, а также на отсутствие резонанса колебаний витков на режиме максимальной мощности.

Для обеспечения постоянной кинематической связи между элементами клапанного механизма максимальная сила упругости пружины должна быть больше максимальной силы инерции подвижных масс механизма.

Максимальная сила упругости пружины P_ПРmax, МН

где k_ПР — коэффициент запаса пружины, (k_ПР=1,25…1,60); P_jКЛ — приведённая к оси клапана максимальная сила инерции подвижных масс клапанного механизма, МН.

Сила инерции P_jКЛ определяется по формуле

где — суммарная конструктивная масса подвижных деталей клапанного механизма, отнесённая к единице площади горловины и приведённая к оси клапана, кг/м² (при верхних клапанах и нижнем распредвале =230…300 кг/м²); F_Г — площадь сечения горловины клапана, м² ( ); ω_К — угловая скорость кулачка, с^-1 ( ).

Для обеспечения плотной посадки выпускного клапана в седле в период впуска минимальная сила упругости пружины должна быть больше максимальной силы от разрежения газов.

Минимальная сила упругости пружины (сила предварительного сжатия) P_ПРmin, МН

где p'_r и p_a — давление газов в выпускном трубопроводе и в цилиндре во время впуска, МПа (для карбюраторных двигателей =0,05…0,07 МПа, для дизелей =0,02…0,03 МПа).

Жёсткость пружины с, МН/м

Жёсткость пружины должна находиться в пределах 0,01…0,06 МН/м.

Деформации пружины:

— предварительная f_ПРmin, м

— максимальная f_ПРmax, м

На основе значений P_ПРmax, P_ПРmin, f_ПРmax, f_ПРmin необходимо построить характеристику пружины, ориентируясь на рис. 16.10 [1].

Основные конструктивные размеры пружины:

— средний диаметр пружины D_ПР, м

— средний диаметр проволоки δ_ПР, м

— число рабочих витков пружины i_Р

где G — модуль упругости второго рода материала пружины, МПа (G=(0,80…0,83)·10⁵ МПа);

— полное число витков пружины i_П

— шаг витка пружины в свободном состоянии t_ПР, м

где Δ_min — минимальный зазор между витками пружины при полном открытии клапана, м (Δ_min=0,3·10^-3 м);

— длина пружины в свободном состоянии l_ПР, м

М аксимальное τ_max, минимальное τ_min, среднее τ_СР напряжения и амплитуда τ_а цикла, МПа

где k_В — коэффициент, учитывающий неравномерное распределение напряжений по сечению витка (k_В=1,2).

Запас прочности пружины n_τ

где α_τ — коэффициент приведения заданного асимметричного цикла к равноопасному симметричному при касательных напряжениях (α_τ=0,2); — минимально допустимый запас прочности ( =1,2…2,2).

Условие отсутствия резонанса колебаний витков пружины — отношение числа собственных колебаний пружины n_С к частоте вращения распределительного вала n_Р не должно быть равно целому числу:

где Z — множество целых чисел.