2.4 Расчёт клапанных пружин

Мгновенные открытие и закрытие клапана позволяют получить максимальное время-сечение, но даже при незначительных массах деталей механизма газораспределения приводят к возникновению больших сил инерции. В связи с этим при проектировании органов газораспределения подбирают такой профиль кулачка, который, обеспечивая достаточное наполнение цилиндра, вызывает допустимые по величине силы инерции.

Профиль кулачка обычно строят в соответствии с выбранным законом образования профиля, что обеспечивает получение относительно простых в изготовлении кулачков.

В современных автомобильных двигателях применяют следующие виды кулачков: выпуклый, тангенциальный, вогнутый и безударный.

На рис. 2.3 представлены наиболее распространенные кулачки:

а) выпуклый (рис. 2.3, а) - профиль образован дугами двух радиусов r₁ и r₂;

б) тангенциальный (рис. 2.3, б) - профиль образован с помощью двух прямых, касательных к начальной окружности r₀ в точках А и А и дуги радиусом r₂.

Рис. 2.3 - Построение профиля кулачка

Выпуклый профиль кулачка можно применять для подъема плоского, выпуклого и роликового толкателей, а тангенциальный-главным образом для роликовых толкателей.

Профиль кулачка строят от начальной окружности. Ее радиус г₀ выбирают из условия обеспечения достаточной жесткости механизма газораспределения в пределах r₀ = (1.5-2.5)h_{кл max}, а для двигателя с наддувом-до r₀ = (3-4)h_{кл max}.

Величину угла ц_p0 определяют в соответствии с выбранными фазами газораспределения. Для четырехтактных двигателей

(2.8)

где ц_пр-угол предварения открытия клапана; ц_зп-угол запаздывания закрытия клапана.

Точки А и А являются точками начала открытия и конца закрытия клапана. Точку В находят по величине максимального подъема толкателя h_{т max}. Без учета зазоров, для схем прямого воздействия на клапан h_{т max} = h_{кл max}, а при наличии рычага или коромысла

h_{т max} = h_{кл max}(l_т/l_кл),

где l_т и l_кл - длина плеч коромысла, прилегающих соответственно к толкателю и клапану. Отношение l_т/l_кл выбирается по конструктивным соображениям и изменяется в пределах 0.50 - 0.96.

Для построения профиля кулачка (см. рис. 4.3) по выбранным или заданным значением h_{т max} и r₀ задаются величиной r₁ (или r₂) и для обеспечения сопряжения дуг определяют значение r₂ (или r₁).

Для тангенциального профиля кулачка r₁ = ?, а радиус (мм) при вершине кулачка

(2.9)

Для выпуклого профиля кулачка

(2.10)

(2.11)

где а= r₀ + h_{т max} - r₂, мм; b=r_l-r₀-h_{т max}, мм.

При определении r₁ значение r₂ принимают по технологическим соображениям r₂?1.5 мм, а при расчете r₂ принимают r₁ = (8-20)h_{т max}. Выбор слишком малого значения r₁ может привести к получению по формуле (4.11) отрицательного значения r₂. В этом случае необходимо повторить расчет, выбрав большее значение r₁.

Для обеспечения зазора в клапанном механизме тыльную часть кулачка выполняют радиусом r_к, меньшим радиуса r₀ на величину зазора ДS: r_к = r₀-Дs. Величина Дs включает в себя температурный зазор и упругие деформации механизма газораспределения. Для впускных клапанов Дs =(0.25-0.35) мм, а для выпускных-Дs =(0.35-0.50) мм. Сопряжение окружности радиусом r_к с дугами радиусом r₁ или прямыми (r₁=?) производится по параболе или по дугам определенных радиусов.

В зависимости от выбранного профиля кулачка и типа толкателя определяют подъем, скорость и ускорение толкателя и клапана. Для выпуклого кулачка с плоским толкателем:

(2.12)

где h_т1 , щ_т1, j_т1-соответственно подъем (м), скорость (м/с), ускорение (м/с²) толкателя при его движении по дуге радиуса r₁ от точки А до точки С; h_т2 , щ_т2, j_т2 -соответственно подъем (м), скорость (м/с) и ускорение (м/с²) толкателя при его движении по дуге радиуса r₂ от точки С до точки В; а= r₀ + h_{т max} - r₂, м; щ_к-угловая частота вращения распределительного вала, рад/с; ц_p1 и ц_p2-текущие значения углов при движении толкателя соответственно по дугам r₁ и r₂.

Значение угла ц_p1 отсчитывают от радиуса ОА, а угла ц_p2-от радиуса ОВ. Их максимальные значения определяют из условия, что в точке С подъем h_т1 = h_т2.

(2.13)

(2.14)

Для тангенциального кулачка с роликовым толкателем:

(2.15)

где r Я радиус ролика, м; a₁=a/(r₂+r).

Максимальное значение угла ц_p2таx определяют по уравнению (4.14), ц_p2таx-из соотношения

(2.16)

Для кулачков с симметричным профилем закон изменения h_т, щ_т, j_т при подъеме и опускании остается неизменным.

Рис. 2.4 Схемы приводов клапанов: а-одноплечий рычаг; б-двуплечий рычаг

Подъем, скорость а ускорение клапана для механизма газораспределения прямого действия на клапаны определяют по уравнениям (2.12) - (2.15), так как h_т=h_кл, щ_т=щ_кл, j_т=j_кл.Для механизма с подвесными клапанами и наличием коромысел или рычагов-по соотношениям (рис. 2.4, а и б) h_кл=h_т (l_кл/l_т), щ_кл=щ_т (l_кл/l_т), j_кл=j_т (l_кл/l_т);

По результатам расчёта строятся диаграммы высоты подъёма клапанов и изменения площади проходного сечения клапанов в зависимости от ц_р. На рис. 2.5 приведены примеры подобных диаграмм.

(2.17)

(2.18)

где M_t = M_цр (6n_p)-масштаб времени по оси абсцисс на диаграмме подъема клапана, с/мм;

M_цр (6n_p)-масштаб угла поворота распределительного вала, град/мм;

n_p-частота вращения распределительного вала, мин^-1;

M_F = M_hрd_ropcosб-масштаб площади проходного сечения клапана по оси ординат, мм²/мм;

M_h-масштаб подъема клапана, мм/мм;

d_rop-диаметр горловины, мм;

б-угол фаски посадочного конуса клапана

(M_F = M_h2.72d_rop при б=30°,

M_F = M_h2.22d_rop при б=45°);

F_abcd-площадь под кривой подъема клапана за такт впуска, мм²;

l_ad-продолжительность такта впуска по диаграмме, мм.

Среднюю площадь проходного сечения клапанов используют для определения средней скорости потока в седле клапана

Рис 2.5 - Диаграммы подъема клапана (мм) и изменения площади проходного сечения (мм²) впускного и выпускного клапанов в зависимости от угла поворота распределительного вала (градусы)

(2.19)

Значение данной величины для впускных клапанов не должно быть меньше, чем было принято в разделе «Расчёт рабочего цикла и определение основных геометрических параметров двигателя» (см. п. III). В противном случае необходимо повторить расчёт ГРМ с изменёнными данными или внести изменения в расчёты, сделанные в разделе «Расчёт рабочего цикла и определение основных геометрических параметров двигателя».