4.3 Расчет параметров впускного и выпускного клапанов

Диаметр d₁клапана

d_1вп== 25 мм, (3.23)

d_1вып== 22 мм. (3.24)

Диаметр стержня, d_c

d_c(вп)= 0,25= 0,25·25 = 6,25 мм, (3.25)

d_c(вып)= 0,25= 0,25·22 = 5,5 мм. (3.26)

Диаметр тарелки, d

d_вп = 1,1= 1,1·25 = 27,5 мм, (3.27)

d_вып === 26 мм. (3.28)

Толщина головки, δ

δ_вп= 0,12d_1вп= 0,12·25 = 3 мм, (3.29)

δ_вып= 0,12d_1вып= 0,12·22 = 2,6 мм. (3.30)

4.4. Расчет клапанных пружин

Расположение клапанов верхнее с приводом от распределительного вала, размещенного в головке блока. Усилие от кулачка передается непосредственно на коромысло, имеющее плоскую поверхность соприкосновения с кулачком. Материал пружин – пружинная сталь, τ_-1= 350 МПа, ϭ_в= 1500 МПа.

Частота вращения и угловая скорость распределительного вала

n_р= 0,5·n= 0,5·3600 = 1800 мин^-1, (3.31)

ω_к=188 рад/с. (3.32)

Максимальная сила упругости пружин впускного клапана, P_{пр max(вп)}

P_{пр max(вп)}=== 26 Н, (3.33)

где К = 1,4 – коэффициент запаса,

М_кл(вп)=m_кл(вп) +m_пр(вп)+ (m_т+m_шт) ∙ ()²+m′_к= 30 +·75 + 10 = 65 г – суммарная масса клапанного механизма приведенного к клапану;m_кл= 30 г,m_пр(вп)=m_{пр н}+m_{пр в}= 75 г – массы клапана и пружин (наружной и внутренней), принятые по конструктивным соображениям;m′_к=== 10 г – масса коромысла, приведенная к оси клапана;m_к= 30 г – масса коромысла.

Максимальная сила упругости пружин выпускного клапана, P_{пр max(вып)}

P_{пр max(вып)}=== 34 Н, (3.34)

где К = 1,4 – коэффициент запаса; М_кл(вп)=m_кл(вп) +m_пр(вп)+ (m_т+m_шт) ∙ ()²+m′_к= 28 +·75 + 10 = 63 г – суммарная масса клапанного механизма приведенного к клапану;m_кл= 28 г,m_пр(вп)=m_{пр н}+m_{пр в}= 75 г – массы клапана и пружин (наружной и внутренней), принятые по конструктивным соображениям;m′_к=== 10 г – масса коромысла, приведенная к оси клапана;m_к= 30 г – масса коромысла.

Минимальная сила упругости пружин впускного клапана, P_{пр min(вп)}

P_{пр min(вп)} = = 6 Н. (3.35)

Минимальная сила упругости пружин выпускного клапана, P_{пр min(вып)}

P_{пр min(вып)}==5,5 Н. (3.36)

Жесткость пружин, с

с_вп= М_кл(вп)К= 65 ∙ 1,4 ∙= 3,22, (3.37)

с_вып= М_кл(вып)К= 63 ∙ 1,4 ∙= 3,12. (3.38)

Деформации пружин:

предварительная, f_min

f_min(вп)=== 3,31 мм, (3.39)

f_min(вып)=== 3,67 мм; (3.40)

полная, f_max

f_max(вп)=f_min(вп)+= 3,31 + 6,69 = 10 мм, (3.41)

f_max(вып)=f_min(вып)+= 3,67 + 7,38 = 11 мм. (3.42)

Распределение усилий между наружной и внутренней пружинами впускного клапана:

внутренняя пружина

P_{пр.в.max(вп)}= 0,35·P_{пр.max(вп)}= 0,35·26 = 9,1 Н, (3.43)

P_{пр.в.min(вп)}= 0,35·P_{пр.min(вп)}= 0,35·6 = 2,1 Н; (3.44)

наружная пружина

P_{пр.н.max(вп)}=P_{пр.max(вп)}-P_{пр.в.max(вп)}= 26 - 9,1 = 16,9 Н, (3.45)

P_{пр.н.min(вп)}=P_{пр.min(вп)}-P_{пр.в.min(вп)}= 6 - 2,1 =3,9 Н. (3.46)

Распределение усилий между наружной и внутренней пружинами выпускного клапана:

внутренняя пружина

P_{пр.в.max(вып)}= 0,35·P_{пр.max(вып)}= 0,35·34 = 11,9 Н, (3.47)

P_{пр.в.min(вып)}= 0,35·P_{пр.min(вып)}= 0,35·5,5 = 1,93 Н; (3.48)

наружная пружина

P_{пр.н.max(вып)}=P_{пр.max(вып)}-P_{пр.в.max(вып)}= 34 - 11,9 = 22,1 Н, (3.49)

P_{пр.н.min(вып)}=P_{пр.min(вып)}-P_{пр.в.min(вып)}= 5,5 - 1,93 =3,57 Н. (3.50)

Жесткость наружной и внутренней пружин впускного клапана

с_{пр.н(вп)}== 1,69, (3.51)

с_{пр.в(вп)}== 0,91. (3.52)

Жесткость наружной и внутренней пружин выпускного клапана

с_{пр.н(вып)}== 2,21, (3.53)

с_{пр.в(вып)}== 1,19. (3.54)

Размеры пружин (приняты по конструктивным соображениям): диаметр проволоки δ_пр.н= 2 мм, δ_пр.в= 1,4 мм; средний диаметр пружинD_пр.н= 23 мм,D_пр.в= 17 мм.

d_вт+δ_пр.в+ 2 = 6,3 +1,4 + 2 = 9,7 мм <D_пр= 17 мм, (3.55)

D_пр.в+ δ_пр.в+ δ_пр.н+2 = 17 + 1,4 + 2 + 2 = 22 мм <D_пр.н= 23 мм. (3.56)

Число рабочих витков пружины

i_р.н(вп)=== 8,1, (3.57)

где G= 8,3 модуль упругости второго рода, МН/см²,

i_{р.н(вып)}=== 6,8, (3.58)

i_р.в(вп)=== 3,6, (3.59)

i_{р.в(вып)}=== 3,1; (3.60)

полное число витков

i_п.н(вп)=i_р.н(вп)+ 2 = 8,1 + 2 = 10,1, (3.61)

i_{п.н(вып)}=i_{р.н(вып)}+ 2 = 6,8 + 2 = 8,2, (3.62)

i_п.в(вп)=i_р.в(вп)+ 2 = 3,6 + 2 = 5,6, (3.63)

i_{п.в(вып)}=i_{р.в(вып)}+ 2 = 3,1 + 2 = 5,1; (3.64)

длина пружин при полностью открытом клапане

L_{н min(вп)}=i_п.н(вп)δ_пр.н+i_р.н(вп)∆_min= 10,1 ∙ 2 + 8,1 ∙ 0,3 = 22,63 мм, (3.65)

L_{н min(вып)}=i_{п.н(вып)}δ_пр.н+i_{р.н(вып)}∆_min= 8,2 ∙ 2 + 6,8 ∙ 0,3 = 18,44 мм, (3.66)

L_{в min(вп)}=i_п.в(вп)δ_пр.в+i_р.в(вп)∆_min= 5,6 ∙ 1,4 + 3,6 ∙ 0,3 = 8,92 мм, (3.67)

L_{в min(вып)}=i_{п.в(вып)}δ_пр.в+i_{р.в(вып)}∆_min= 5,1 ∙ 1,4 + 3,1 ∙ 0,3 = 8,1 мм, (3.69)

L_min(вп)=L_{н min(вп)}= 22,63 мм, (3.70)

L_min(вып)=L_{н min(вып)}= 18,44 мм; (3.71)

длина пружин при закрытом клапане

L_0(вп) =L_min(вп) + = 22,63 + 6,69 = 29,32 мм, (3.72)

L_0(вып) =L_min(вып) + = 18,44 + 7,38 = 25,82 мм; (3.73)

длина свободной пружины

L_{н.св(вп)}=L_{н min(вп)}+f_max(вп)= 22,63 + 10 = 32,63 мм, (3.74)

L_{н.св(вып)}=L_{н min(вып)}+f_max(вып)= 18,44 +11 = 29,44 мм, (3.75)

L_{в.св(вп)}=L_{в min(вп)}+f_max(вп)= 8,92 + 10 = 32,63 мм, (3.76)

L_{в.св(вып)}=L_{в min(вып)}+f_max(вып)= 8,1 +11 = 19,1 мм. (3.77)

Максимальные и минимальные напряжения в пружинах:

внутренняя пружина

τ_max(вп)=k_в′= 1,1= 158 МПа, (3.78)

где k_в′ = 1,1 определен при== 12 [1, стр. 397],

τ_min(вп)=k_в′= 1,1= 36,5 МПа, (3.79)

τ_max(вып)=k_в′= 1,1= 188 МПа, (3.80)

τ_min(вып)=k_в′= 1,1= 34 МПа; (3.81)

наружная пружина

τ_max(вп)=k_н′= 1,1= 136,1 МПа, (3.82)

где k′ = 1,1 определен при== 12 [1, стр. 397],

τ_min(вп)=k_н′= 1,1= 31,4 МПа, (3.83)

τ_max(вып)=k_н′= 1,1= 162 МПа, (3.84)

τ_min(вып)=k_н′= 1,1= 29 МПа. (3.85)

Средние напряжения и амплитуды напряжений:

внутренняя пружина

τ_m(вп)=== 98 МПа, (3.86)

τ_a(вп)=== 121,5 МПа, (3.87)

τ_ak(вп)= τ_a(вп)=121,5 МПа; (3.89)

τ_m(вып)=== 111 МПа, (3.90)

τ_a(вып)=== 154 МПа, (3.91)

τ_ak(вып)= τ_a(вып)=154 МПа; (3.92)

наружная пружина

τ_m(вп)=== 83,8 МПа, (3.93)

τ_a(вп)=== 52,4 МПа, (3.94)

τ_ak(вп)= τ_a(вп)=52,4 МПа; (3.100)

τ_m(вып)=== 95,5 МПа, (3.101)

τ_a(вып)=== 66,5 МПа, (3.102)

τ_ak(вып)= τ_a(вып)=66,5 МПа. (3.103)

Запасы прочности пружин:

внутренняя пружина

n_τ(вп)==, (3.104)

где =0,2 определяется по табл. 11.2 [1, стр. 248].

n_τ(вп)> [n_τ] = 1,8, (3.105)

n_τ(вып)==, (3.106)

n_τ(вып)> [n_τ] = 1,8; (3.107)

наружная пружина

n_τ(вп)==, (3.108)

n_τ(вп)> [n_τ] = 1,8, (3.109)

n_τ(вып)==, (2.110)

n_τ(вып)> [n_τ] = 1,8, (3.111)

Расчет пружин на резонанс:

n_с.в(вп)=== 29200, (3.112)

Так как n_с.в(вп) /n_р= 29200 / 1800 = 16,2 ≠ 1, 2, 3… , то резонанса не будет.

n_{с.в(вып)}=== 33906, (3.113)

Так как n_{с.в(вып)} /n_р= 33906 / 1800 = 18,8 ≠ 1, 2, 3… , то резонанса не будет.

n_с.н(вп)=== 10128, (3.114)

Так как n_с.в(вп) /n_р= 10128 / 1800 = 5,63 ≠ 1, 2, 3… , то резонанса не будет.

n_{с.н(вып)}=== 12065, (3.115)

Так как n_с.в(вп) /n_р= 12065 / 1800 = 6,7 ≠ 1, 2, 3… , то резонанса не будет.