9.3. Определение основных параметров механизма газораспределения

На основании статистических данных по конструктивным соотношениям клапанного механизма, представленным на рис. 9.19, с учетом компоновки МГР производится проработка его основных элементов.

9.3.1. Определение проходных сечений клапана механизма газораспределения

Диаметры горловин клапанов выбирают из условий возможности их размещения в головке. Суммарная площадь горловин впускных и выпускных клапанов составляет 25...40% от F_п. Большие значения относят к шатровым и полусферическим камерам сгорания, а меньшие — к камерам дизелей и клиновым. Наилучшие показатели двигателя обеспечиваются при соотношении диаметров горловин впускного и выпускного клапанов d_г.вп=(1.15..1.2)d_г.вып. Достаточность определенного таким образом проходного сечения горловины клапана проверяется по первой условной средней скорости потока газа, которая вычисляется из условия неразрывности потока в сечениях горловины и цилиндра (рис. 9.20, а). При этом считается, что газ несжима- ем, клапан отсутствует и поршень площадью F_п движется с постоянной средней скоростью с_п. Тогда для г одноименных клапанов в одном цилиндре с площадью проходного сечения горловины f_г условие неразрывности потока имеет вид

откуда

Для современных автотракторных двигателей первая скорость во впускной горловине V_вп^, = 50...80 м/с, а в выпускной — V_вып^, =70...100 м/с. Для ДсИЗ нецелесообразно уменьшать V_вп^, до величин менее 40 м/с на режиме максимальной мощности, так как при этом ухудшается распилива- ние и испарение топлива. При высоких скоростях V_вп^, чрезмерновозрастают гидравлические потери во впускном тракте.

Максимальный подъем клапана h_клmax определяется из условия,

чтобы при полностью открытом клапане f_клmax была равна площади проходного сечения горловины f_г. Это условие обеспечивается, если величина подъема клапана составляет h_клmax = (0,23...0,30)d_г. где меньшие значения относятся к α_ф=30о, а большие — к α_ф =45°.

лы тая

Пропускная способность проходного сечения по фаске впускного клапана проверяется на основании второй условной средней скорости потока газа. Она также определяется из условия неразрывности потока. При этом считается, что газ несжимаем, клапан в течение всего такта впуска полностью открыт, а поршень движется с посто-

б)

Р ис. 9.20. К определению средних условных скоростей

потока газа:

а — первой условной скорости V, б — второй условной скоро- сти V", в — расчетная схема для вычисления проходного сече- ния по фаске клапана

янной средней скоростью с_п (рис. 9.20, б). Тогда для i одноименных клапанов с максимальной площадью проходного сечения клапана f_клmax условие неразрывности потока запишется как откуда . У современных двигателей вторая скорость при h_клmax в сечении впускного клапана находится в пределах = 80...90 м/с.

Площадь проходного сечения клапана f_кл при угле его конической фаски α_ф для текущего подъема определяется как боковая поверхность усеченного конуса: (рис. 9.20, я), где длина образующей конуса , a.

Тогда. Обычно принимают равным 45° для впускных и выпускных клапанов и реже 30° длявпускных. Однако необходимо учитывать, что с уменьшением вследствие резкого поворота потока газов возрастают гидравлические потери.

Оптимальность профиля кулачка и принятых фаз газораспределения оценивается по средней величине проходного сечения клапанной щели и соответствующей ей третьей условной средней скорости. При этом считают, что газ несжимаем, клапан неподвижен и поднят на высоту, обеспечивающую среднюю величину проходного сечения, а поршень весь такт впуска от t₁ до t₂ движется равномерно со скоростью, равной средней скорости поршня (рис. 9.21). Тогда

где — текущая площадь проходного сечения по фаске клапана;

h

0

ш_х — угловая частота вращения кулачка, рад/с; — время—сечение клапана.

Рекомендуемые значения для третьей условной скорости в сечении впускного клапана V"_{ВП д}ля ДсИЗ 90... 150 м/с, а для дизелей —80...110 м/с.

9.3.2. ПРОФИЛИРОВАНИЕ КУЛАЧКОВ

Для обеспечения наибольшей величины время—сечение клапана необходимо, чтобы клапан мгновенно открывался в начале и закрывался в конце такта впуска. Однако при этом в моменты открытия и закрытия будут возникать бесконечно большие силы нагрузки на элементы его привода. Поэтому задача профилирования кулачка сводится к поиску таких профилей, которые в наибольшей степени уравняли бы противоречивые требования получения максимального значения время — сечение и приемлемых сил инерции в МГР. При этом важно также, чтобы кулачки были просты в производстве и обеспечивали нормальное функционирование МГР во время всего периода эксплуатации двигателя. При профилировании кулачков автотракторных двигателей в настоящее время используют два метода: профилирование по заданному закону образования профиля кулачка, профилирование в соответствии с заданными законами его движения. Первый метод позволяет получить профили сравнительно технологичных кулачков, однако при этом сложно добиться необходимых параметров кинематики толкателя, вследствие чего не в должной мере обеспечивается оптимальное сочетание время—сечение и сил инерции МГР. Профиль кулачка при этом образуется системой сопряженных между собой дуг окружностей различных радиусов и кривизны. С использованием данного метода профилируются распространенные ранее выпуклые, вогнутые и тангенциальные кулачки.

Кулачки выпуклого профиля могут использоваться с любым типом толкателей, в то время как вогнутый и тангенциальный — только в паре с роликовым толкателем.

Второй метод не накладывает ограничения на закон образования профиля кулачка, вследствие чего предоставляет разработчикам большие возможности по оптимизации показателей МГР. Спрофилированные этим методом кулачки по параметру время—сечение не уступают, а в ряде случаев превосходят кулачки, сформированные по первому методу, но при этом обеспечивают плавное и непрерывное изменение ускорения клапана, что способствует снижению интенсивности ударных взаимодействий элементов в МГР и уменьшает влияние колебаний привода механизма на кинематику клапана. По этому методу, например, профилируются кулачки современных

ДВС, называемых безударными, например кулачки Курца и «полидайн». Однако следует отметить, что кулачки такого профиля более сложны в производстве и, следовательно, более дороги.

Δ Профилирование кулачка осуществляют в такой последовате- льности:

●определяется угол действия кулачка где , — углы опережения открытия и запаздывания закрытия кулачка, представляющие его фазы газораспределения, град ПКВ. Затем определяется , вычисляемый как угол от момента начала подъема до вершины кулачка. Для симметричного профиля

●вычисляется частота вращения кулачка, равная частоте вращения распределительного вала рад/с, где — номинальная частота вращения распределительного вала;

●исходя из диаметра горловины клапана и угла наклона его фаски определяется h_клmax. На компоновочной схеме МГР задается отношение плеч i_k=l_k/l_T коромысла или рычага и определяется максимальная высота подъема толкателя h_тmax= h_клmax/i_k . При непоредственном приводе клапанного механизма от кулачка i_k =1

●из условия получения достаточной жесткости распределитель- ного вала определяется радиус начальной окружности кулачка: г0=(1,5...2,0 )hклmax Для корректировки профиля на возможную температурную деформацию деталей ГРМ радиус окружности затылка кулачка г_к выполняют меньшим на величину теплового зазора h_o и сопрягают с рабочим профилем на переходном участке по параболе или системой дуг r_x=r₀—h₀- Для впускных клапанов h_о=0,25...0,35 мм, а для выпускных h_о = 0,35...0,50 мм;

производится профилирование кулачка и определение параметров кинематики толкателя.

Δ Профилирование выпуклого н тангенциального кулачков. По- строение профиля кулачка производят исходя из определенных ранее h_тmax, г₀ и , задаваясь либо величиной r₂ (рис. 9.22, а) (г₂=2...8 мм), и из условия сопряжения его с дугой переходной окружности, определяют ее радиус r₁

либо наоборот: приняв величину r₁= (10...18) h_тmax, рассчитывают радиус при вершине:

_где ,

Для кулачка с тангенциальным профилем (рис. 9.22, в) r₁= ∞ и

Исходя из возможностей технологии r₂>2,0 мм. При этом r₁ находится в пределах (8...20) h_тmax. При получении меньших или отрицательных значений r₂ необходимо изменить величину r₁.

Расчет параметров движения толкателя производится для двух участков рабочего угла где

Тогда для кулачка выпуклого и тангенциального профиля соответственно

где r — радиус ролика.

Угол отсчитывают от начала рабочего угла, а — от вершины кулачка, условно заменяя его вращение на противоположное.

Параметры движения толкателя с кулачком выпуклого профиля для первого и второго участков на интервалах и

Параметры движения толкателя с кулачком тангенциального профиля для первого и второго участков соответственно на интер- валах и

где a₁=a/(r+r₂).

На рис. 9.23 представлена графическая интерпретация законов движения толкателей с рассмотренными выше профилями кулачков.

Δ Профилирование безударного кулачка Курца. В кулачках Курца закон изменения ускорения кулачка формируется (рис. 9.24) последовательным набором кривых: на участке сбега Ф₀ — косинусоидой, на участке положительных ускорений рабочего профиля Ф₁ — половиной волны синусоиды, на участке отрицательных уско-

рений Ф₂ — четвертью волны синусоиды, на участке Ф₃ — частью параболы (рис. 9.24).

В практике принята такая последовательность профилирования кулачка данного типа:

• определяется величина угла, соответствующего выбору зазора на участках набегания и сбега кулачка (рад):

Где — скорость толкателя в конце участка сбега, = 0,008...0,022 мм/град ПРВ;

• задается угловая протяженность участков Ф₁ Ф₂, Ф₃, рад:

Рекомендуемые соотношения между длинами участков (рад): Ф₂=(0,10...0,15)Ф₃; Ф₂+Ф₃ = = (1,5...3,0)Ф₁.

При этом необходимо учитывать, что чем короче участок положительных ускорений Ф₁ тем больше время—сечение клапана. Однако при этом возрастают максимальные величины положительных ускорений, что приводит к росту контактных напряжений на поверхности кулачка.

При расчете параметров профиля кулачка Курца принимают следующие рбозначения: φ_кi — текущее значение угла поворота кулачка на 1-м участке, i = 0, 1, 2, 3. Индекс «н» соответствует началу, а «к» — концу участка. Например, обозначение h_т1к соответствует перемещению толкателя в конце участка 1. Все значения углов задаются в радианах. Отсчет угла поворота распределительного вала для i-го участка производится в диапазоне от 0 до Ф_i. Обозначения h_тi V_тi

j _тi соответствуют перемещению в мм, скорости в м/с и ускорению в м/с² толкателя на i-м участке.

Выражения для расчета пути, скорости и ускорения толкателя на всех указанных участках профиля кулачка следующие:

●на участке сбега кулачка ()

●на участке положительных ускорений

● на первом участке отрицательных ускорений

на втором участке отрицательных ускорений (0<р_ж3<Ф₃)

Коэффициенты С₁₁, С₁₂, С₂₁ и т. д. рассчитываются из равенства перемещений, скоростей и ускорений на границах участков при решении системы уравнений

где мм/рад.

Так как в системе при шести уравнениях содержится семь неиз- вестных коэффициентов, то для ее решения необходима еще одна зависимость, характеризующая форму отрицательной части кривой ускорения:

(9.2)

Значение Z обычно принимают близким к 5/8.

После введения вспомогательных коэффициентов

(9.3)

и вьшолнения необходимых преобразований получим

с,,

(9.3)

С использованием зависимостей (9.1)...(9.4) проверяют правильность выбора исходных данных. При этом несоответствие величин

перемещений и скоростей на стыке участков не должно превышать 0,0001, а ускорений — 0,001.

Далее производят расчет перемещений, скоростей и ускорений в пределах участков, а также оцениваются максимальная скорость толкателя и экстремальные значения ускорения

Для толкателя с плоской тарелкой проверяют экстремальные радиусы кривизны профиля кулачка:

●минимальный на вершине кулачка

●максимальный в точке контакта кулачка с толкателем при максимальном ускорении

Для толкателя с цилиндрической опорной поверхностью экстремальные радиусы кривизны профиля кулачка: ●минимальный на вершине кулачка

где — радиус контактной поверхности толкателя;

● максимальный в точке контакта кулачка с толкателем при максимальном ускорении

(Я'+2С?1)3/2

где

Значения и используют для определения возможности изготовления кулачка и значений контактных напряжений между кулачком и толкателем, а по получают ориентировочное представление о форме профиля кулачка.

Кулачок, спрофилированный по методу Курца, не учитывает упругие деформации привода клапанного механизма и обычно применяется в механизмах с непосредственным приводом от кулачка на клапан.

Δ Профилирование безударного кулачка по методу «полидайн». В ДВС кулачки с приводом клапанного механизма через толкатель, штангу и коромысло должны профилироваться таким образом, чтобы закон движения толкателя обеспечивал коррекцию колебаний привода и необходимые для этого параметры кинематики клапана. Наибольшее распространение в практике двигателестроения для

решения данной задачи получил метод профилирования кулачка, называемый методом «полидайн».

В этом случае перемещение толкателя задается полиномом

В соответствии с этим определяют его скорость V_T и ускорение j_T:

Угол φ_k в интервале отсчитывается от вершины кулачка.

Постоянные коэффициенты С₂, С_р, C_q, С_r, С_s, определяются следующим образом:

;

;

Параметры p, q, r, s обычно

Выбирают по закону возрастающей арифметической прогресСИИ С разностью p-2.Так при р=12, разность прогрессии равна 10, а q=22, r=32, s=42. При больших р увеличивается время—сечение, но возрастает максимальная величина положительных ускорений. Поэтому для быстроходных ДВС легковых автомобилей обычно выбирают р = 6, 8,10, а для двигателей грузовых р=12, 14. На рис. 9.25 даны графики изменения параметров кинематики толкателя по углу поворота кулачка с профилем «полидайн» для предельных сочетаний р, q, r, s.