9.3.3. Силы, действующие в клапанном механизме

На детали клапанного механизма в процессе работы двигателя оказывают воздействие силы давления газов Р_г, инерции Р_j, упругости пружины Р_пр и трения (рис. 9.26). Последними при предварительных расчетах МГР пренебрегают. При определении сил, действующих в МГР, принято следующее правило знаков: силы, направление которых совпадает с направлением действия сил упругости пружины, считаются положительными.

Наибольшие силы давления газов Р_г действуют в МГР со сторо­ны выпускного клапана в момент начала его открытия в точке р_b.

.

В дальнейшем (по мере открытия) он нагружается только силами инерции Р_j и упругости пружины Р_пр.

При закрытых впускных клапанах газовые силы, возникающие в результате разности давлений в трубопроводе и в цилиндре, стремятся их открыть. Минимальная сила упругости пружины Р₀ должна быть достаточной для удержания их в закрытом состоянии.

В двигателях с наддувом суммарная сила Р_г.вп от давления газов во впускном трубопроводе р_к и давления в цилиндре р_r

во время такта выпуска может открыть впускной клапан. Для противодействия этому минимальная сила упругости пружины Р₀ должна быть больше Р_г.вп.

В ДсИЗ на холостом ходу при прикрытой дроссельной заслонке сила Р_г.вып пропорциональная разности давлений в цилиндре р_а и в выпускном трубопроводе р_тр,

на такте впуска стремится открыть выпускной клапан. Поэтому ве­личина Р₀ должна обеспечивать выполнение неравенства Р₀ > Р_г.вып.

Для расчета инерционных сил, действующих на элементы МГР, необходимо кроме знания законов движения толкателя и клапана, рассмотренных ранее, иметь сведения о массах движущихся деталей. Обычно для расчетов используется масса МГР, приведенная к клапану (рис. 9.27). В общем случае масса клапанного механизма, приведенная к клапану,

, (9.5)

где m_кл, m_тар, m_зам, m_ст — массы клапана, тарелки, замкового устройства, стакана; m_пр.к, m_кор.к, m_шт.к, m_тк — массы пружины, коромысла (рычага), штанги и толкателя, приведенные к клапану.

Приведенную массу определяют, исходя из равенства кинетических энергий реального МГР и эквивалентной модели.

Для коромысла это условие записывается в виде m_кор.кV²_кл/2=J_кор²_кор/2. С учетом того, что V_кл=_корl_к, m_кор.к= J_кор /l²_к, где _кор — угловая скорость коромысла; J_кор — момент инерции коромысла относительно оси его вращения. В первом приближении для расчета приведенной массы коромысла можно использовать следующее выражение: J_кор  m_кор(l_к+l_т)²/12 а для рычага J_кор  m_корl_к²/3.

Приведенная масса штанги определяется из соотношения

m_шт.кV²_кл/2= m_штV²_т/2,

а так как V_т=V_кл/i_к, то m_шт.к= m_шт/i²_к.

Аналогичным образом получим приведенную к клапану массу толкателя: m_тк= m_т/i²_к.

Приведенная масса пружины определяется исходя из следующих допущений: • масса пружины равномерно распределена по ее длине l; • скорость движения элемента пружины пропорциональна его расстоянию х от нижнего неподвижного ее торца (рис. 9.28). Тогда масса элемента пружины определится как dm_пр= m_прdx/l, а скорость элемента пружины, расположенного на расстоянии x, — как V_x=V_кл(x/l).

Подставив в условие равенства кинетических энергий

выражения для dm_пр, V_x и произведя необходимые преобразования, окончательно получим m_пр.к= m_пр/3.

На основании вышеизложенного в итоге получим

.

На начальном этапе проектирования для задания масс деталей МГР используются статистические данные по конструктивным массам. Конструктивная масса клапанного механизма определяется как масса соответствующего элемента, приходящегося на единицу площади горловины впускного клапана: m_кмк=m_кмк/f_г. Для МГР с непосредственным приводом она равна 200...300 кг/м², а с приводом через толкатель, штангу и коромысло — 400...500 кг/м².

Сила инерции, приведенная к клапану, Р_j=—m_кмкj_к, и суммарная сила, действующая в МГР и приведенная к клапану, равна Р_∑x= Р_г+Р_j+Р_пр.

При симметричном профиле кулачка для полного анализа достаточно рассмотреть силы, действующие в МГР только на половине рабочего угла.