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, упру- гости пружины Рпр и трения (рис. 9.26). Последними при пред- варительных расчетах МГР пренебрегают. При определении сил, действующих в МГР, принято следующее правило знаков: силы, направление которых совпадает с направлением действия сил уп- ругости пружины, считаются положительными.

Наибольшие силы давления газов Р_г действуют в МГР со сторо- ны выпускного клапана в момент начала его открытия в точке р_ь:

В дальнейшем (по мере открытия) он нагружается только силами инерции P_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

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

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

Ро> -

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 — массы клапана, тарелки, замкового устройства, стакана; — 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 видеС учетом того, что, где - угловая скорость коромысла; J_xap — момент инерции коромысла относительно оси его вращения. В первом приближении для расчета приведенной массы коромысла можно использовать следующее выражение: , а для рычага .

Приведенная масса штанги определяется из соотношения

а так как , то

Аналогичным образом получим приведенную к клапану массу толкателя:

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 , а скорость элемента пружины, расположенного на расстоянии х,— как V_x=V_кл(x/l).

Подставив в условие равенства кинетических энергий ^{выражения для и произведя необходимые}

преобразования, окончательно получим . 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: . 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, и суммарная сила, действующая в МГР и приведенная к клапану, равна

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