6.2. Проектування профілю кулачка впускного клапана.

В сучасних автомобільних і тракторних двигунах використовують наступні види кулачків: випуклий, тангенціальний, увігнутий, без ударний.

В тракторних і низько оборотних автомобільних двигунах найбільшого розповсюдження набули випуклі кулачки, які забезпечують хороше значення часу – перерізу, а величини прискорень та інерційних сил знаходяться в допустимих межах, і також мають низьку вартість виготовлення. Тому в курсовому проекті вибираємо для подальшого проектування випуклий кулачок.

6.2.1. Профіль кулачка починають будувати з початкового кола. Його діаметр d₀ вибирають з умови забезпечення достатньої жорсткості механізму газорозподілу і знаходиться в межах:

d₀=(3…4)∙ h_{кл. мах} [3].

d₀=38,1…50,8 мм.

Приймаємо d₀=45 мм.

Для визначення кута φ_ро потрібно знати фази газорозподілу. Для подальшого розрахунку скористаємось вихідними даними газорозподільного механізму прототипу двигуна, який має параметри приведені в таблиці 10.

Таблиця 10

Значення фаз газорозподілу двигуна СМД – 60

Фаза	значення º	клапан двигуна
φпв	5	впускний клапан
φзз	45	впускний клапан
φпв	65	випускний клапан
φзз	8	випускний клапан

Далі на рис. 1 буде наведена діаграма фаз газорозподілу двигуна СМД – 60, яка буде прийнята і використана для подальшого розрахунку газорозподільного механізму двигуна.

6.2.2. Величину кута φ_ро визначаємо у відповідності призначених фаз газорозподілу за формулою:

φ_ро=( φ_пв+180º+ φ_зз)/4, º. (6.5)

де φ_пв= (5 º) – кут попереднього відкриття клапана,(для впускного).

φ_зз=(45 º) – кут запізнення закриття клапана, (для впускного клапана).

φ_ро=(5+180+45)/4=57,5º. 6.2.3. Визначаємо максимальний підйом штовхача клапана, яки для газорозподільного механізму з нижнім розташуванням розподільчого вала визначається за формулою:

h_{шт. мах}= h_{кл. мах}∙l_шт/l_кл, мм. (6.6)

де l_шт і l_кл – довжини плеч коромисла, які прилягають відповідно до штовхача і клапана.

Відношення l_шт/l_кл вибирається по конструктивним міркуванням і знаходиться в межах l_шт/l_кл=0,50…0,96. Для розрахунку у курсовому проекті приймаємо l_шт/l_кл=0,80, тоді з формули 6.6 маємо:

h_{шт. мах}=12,7∙0,80=10,16 мм.

6.2.4. Для подальшого проектування кулачка задаються величинами r₁ чи r₂ і знаходять інший. В курсовому проекті задамо радіус r₂, який знаходиться у межах r₂>1,5 мм., приймаємо для розрахунку r₂=8,5 мм., тоді значення r₁ знайдемо за формулою:

r₁= r₀²+а²- r₂²-2∙ r₀∙а∙cos φ_ро/2∙( r₀- r₂-а∙ cos φ_ро),мм (6.6)

де а= r₀+ h_{шт. мах}- r₂, мм.

а=45+10,16-8,5=46,66 мм.

r₁=45²+46,66²-8,5²-2∙45∙46,66∙cos57,5º/2∙(45-8,5-46,66∙ cos57,5º)=81,961292 мм.

При роботі газорозподільного механізму його деталі перебувають у середовищі з високою температурою, при цьому деталі механізму змінюють свої розміри ( розширюються) внаслідок чого потрібно щоб був зазор між клапаном і стрижнем коромисла, щоб попередити його неповне прилягання. Також цей зазор повинен бути мінімально можливим для зменшення навантаження, шуму механізму та щоб не змінювалась максимальна висота підйому клапана. Для забезпечення цієї умови в клапанному механізмі тильну частину кулачка виконують радіусом r_к,який менший від r₀ на величину зазору ΔS. Радіус r_к знайдемо за формулою:

r_к= r₀- ΔS, мм (6.7)

6.2.5. Величина ΔS включає в себе температурний зазор і пружні деформації механізму газорозподілу і який для впускних клапанів знаходиться у межах

ΔS=(0,25…0,35), мм.

Призначимо для проектованого двигуна для впускного клапана зазор ΔS=0,3 мм., тоді з 6.7 буде:

r_к=22,5-0,3=22,2 мм.

6.2.6. Визначаємо підйом, швидкість і прискорення штовхача клапана за формулами:

h_{шт. 1}=( r₁ - r₀)∙(1- cos φ_р1); h_шт.2=а∙ cos φ_р2+ r₂- r₀;

ω_{шт. 1}=( r₁ - r₀)∙ ω_к∙sin φ_р1; ω_шт.2= ω_к∙а∙sin φ_р2; (6.8)

J_{шт. 1}=( r₁ - r₀)∙ ω_к²∙ cos φ_р1; J_шт.2= -ω_к²∙а∙ cos φ_р2.

де h_{шт. 1}, ω_{шт. 1}, J_{шт. 1} - підйом(мм), швидкість(м/с) і прискорення штовхача клапана (м/с²) штовхача при його русі по колу кулачка радіусом r₁,

h_шт.2, ω_шт.2, J_шт.2 – підйом (мм), швидкість (м/с), і прискорення (м/с²) штовхача клапана при його русі по дузі радіусом r₂,

а=46,66 мм. ( з формули 6.6),

ω_к – кутова частота обертання розподільного вала рад/с²,

φ_р1 і φ_р2 – текучі значення кутів при русі штовхача відповідно по дугам r₁ і r₂.

Максимальні значення кутів φ_р1 і φ_р2 визначаємо з умови, що в точці підйому h_{шт. 1}= h_{шт. 2}, тоді маємо:

sin φ_р1мах=а∙ sin φ_р0/ (r₁- r₂). (6.9)

φ_{р2 мах}= φ_р0- φ_р1мах.

sin φ_р1мах=46,66∙ sin57,5/(81,961292-8,5)=0,53569225

φ_р1мах=arcsin0,53569225=32,3909º,

φ_{р2 мах}=57,5-32,3909=25,1091 º.

ω_к= ω/2=198,8667/2=99,4334 рад/с.

Розраховуємо в середовищі Excel підйом, швидкість і прискорення штовхача клапана за формулами 6.8 для проміжних точок повороту розподільного валу і заносимо до таблиці 11.

Для знаходження значень підйому, швидкості і прискорення клапана для клапанного механізму скористаємось таким співвідношенням:

h_кл= h_шт.∙l_кл/l_шт, (мм); ω_кл= ω_шт∙ l_кл/l_шт (м/с); J_кл=J_шт∙ l_кл/l_шт (м/с²).

де l_кл/l_шт – відношення довжини плеч коромисла, які прилягають відповідно до клапана і штовхача, яке буде 1/0,80=1,25.

l_кл/l_шт=1,25.

Після знаходження підйому, швидкості і прискорення клапана в залежності від кута повороту розподільного вала заносимо розраховані дані до таблиці 11 і будуємо відповідно їхні діаграми.

Кут попереднього відкриття клапана φ_пв =5º, а запізнення φ_зз=45º ( з таблиці 10), то тоді розподільний вал працює у межах 357,5…112,5º повороту розподільного вала. Масштаб по осі абсцис діаграми підйому клапана вибираємо μ _º/п.р.в.=0,5 º/мм., μ_hкл=0,1 мм/мм. Для побудови діаграми швидкості клапана вибираємо інші масштаби, які мають такі значення:

μ _º/п.р.в.=0,5 º/мм., μ _ωкл=0,04 (м/с)/мм.

Для діаграми прискорення такі масштаби:

μ _º/п.р.в.=0,5 º/мм., μ _Jкл =6 (м/с²)/мм.