Расчет механизма газораспределения

 

При расчете механизма газораспределения необходимо:

– определить проходное сечение клапана;

– построить профиль кулачка;

– построить характеристику и определить размеры клапанных пружин;

– рассчитать запас прочности пружины.

Исходные данные для расчета деталей газораспределения (фазы газораспределения, проходные сечения, размеры и массы деталей) устанавливаются в начале расчета по эмпирическим зависимостям и удельным массам на основе критической оценки системы газораспределения прототипа. (с 283-294 [8]).

Расчет клапанного механизма

 

Для газообмена в существующих автомобильных и тракторных двигателях применяют клапанные механизмы, выполненные в основном по двум конструктивным схемам: с верхним и нижним расположением клапанов.

При конструировании клапанного механизма необходимо стремиться к максимально возможному удовлетворению двух противоположных требований:

Получению максимальных проходных сечений, обеспечивающих хорошее наполнение и очистку цилиндра;

Сокращению до минимума массы подвижных деталей газораспределения для уменьшения инерционных нагрузок.

Проектирование механизма газораспределения начинают с определения проходных сечений в седле клапана F_кл и в горловине F_гор. (рисунок 33).

Площадь проходного сечения в клапане определяют при условии неразрывности потока несжимаемого газа по условной сред­ней скорости в сечении седла при максимальном подъеме клапана на режиме номинального числа оборотов:

(241)

 

где υ_п.ср – средняя скорость поршня, м/с;

F_п – площадь поршня, м²;

і_кл – число одноименных клапанов;

ω_вп — скорость газа в про­ходном сечении клапана (для впускного клапана должна быть равна или меньше скорости, принятой в тепловом расчете при определе­нии потерь давления на впуске Δр_а), м/с.

 

 

Рисунок 33 – Расчетная схема проходного сечения в клапане

 

Проходное сечение в горловине не должно ограничивать пропуск­ную способность впускного (или выпускного) тракта. Учитывая, что через горловину проходит стебель клапана, ее площадь обычно при­нимают F _гор =(1,1÷1,2)F_кл. Диаметр горловины (мм)

 

(242)

 

Максимальный диаметр горловины ограничивается возможностью размещения клапанов в головке блока при заданных диаметре D цилиндра, конструктивной схеме газораспределения и типе камеры сгорания. В связи с этим значение d_гор впускного клапана, полученное по формуле (243), не должно быть больше:

d_гор=(0,38÷0,42)D – при нижнем расположении клапанов;

d_гор=(0,35÷0,52)D – при верхнем расположении клапанов,

в том числе:

d_гор=(0,35÷0,40)D – для вихрекамерных и предкамерных дизелей;

d_гор=(0,38÷0,42)D – для дизелей с непосредственным впрыском;

d_гор=(0,42÷0,46)D – для двигателей с клиновидной и плоскоовальной камерами сгорания;

d_гор=(0,46÷0,52)D – для двигателей с полусферическими камерами сгорания.

Диаметры горловин выпускных клапанов обычно принимают на 10-20 % меньше d_гор впускных клапанов.

Проходное сечение клапана с коническим уплотнением (рисунок 33) при высоте подъема клапана h_кл в рассматриваемый момент времени

 

(243)

 

где d_гор= d₁ – диаметр горловины, равный малому диаметру посадочного конуса клапана (при d_гор>d₁ площадь F_кл определяют по формулам для двух участков подъема клапана), см;

– угол фаски клапана (у современных двигателей = 45° для выпускных клапанов, =45° и реже =30 ° для впускных клапанов);

 

см² при = 30°; (244)

 

см² при = 45°. (245)

Максимальную высоту подъема кламана (см) при известных значениях F_кл и определяют из уравнений (246) и (247):

 

при =30 °; (246)

 

при =45 °. (247)

 

Максимальная высота подъема клапана в автомобильных двигателях изменяется в пределах h_кл.max=(0,18÷0,30)d_гор, а в тракторных - h_кл.max=(0,16÷0,24)d_гор. Для угла =45 ° величину h_кл.max берут по верхному пределу.

Окончательная проверка установленных значений диаметра горловины и высоты подъема клапана, а также выбранных в тепловом расчете фаз газораспределения проводится по условной скорости ω^'_вп потока, определяемой по интегральной проходной площади в седле клапана.

Так как интегральную площадь (время-сечение) определяют по диаграмме подъема клапана F_кл=F(t) за время его перемещения от в.м.т. (или н.м.т.) до н.м.т. (или в.м.т.), то ω^'_вп находят после установления профиля кулачка и построения кривой подъема клапана.

 

Построение профиля кулачка

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 и тракторных двигателях применя­ют следующие виды кулачков: выпуклый, тангенциальный, вогнутый и безударный.

На рисунке 34 представлены наиболее распространенные кулачки: выпуклый (рисунок 34, а) — профиль образован дугами двух радиусов r₁ и r₂ и тангенциальный (рисунок 34, б) — профиль образован с помощью двух прямых, касательных к начальной окружности r₀ в точках А и А' и дуги радиусом r₂.

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 r₀ выбирают из условия обеспечения достаточной жесткости механизма газораспределения в пределах r₀=(1,25÷2,5) h_кл.max, а для двигате­лей с наддувом — до r₀=(3÷4) h_кл.max.

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

 

(248)

 

где φ_пр –угол предварения открытия клапана;

φ_зп – угол запазды­вания закрытия клапана.

 

 

Рисунок 34 – Построение профиля кулачка

 

Точки А и А' являются точками начала открытия и конца закры­тия клапана. Точку В находят по величине максимального подъема толкателя h_Tmax. Без учета зазоров, при нижнем расположении кла­панов h_Тmax = h_кл.max, а при верхнем расположении и наличии рычага, или коромысла , где l_Т и l_кл — длина плеч коромыс­ла, прилегающих соответственно к толкателю и клапану. Отношение выбирается по конструктивным соображениям и изменяется в пределах 0,50÷0,96.

Для построения профиля кулачка (рисунок 34) по выбранным или заданным значениям h_Тmax 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

(249)

 

Для выпуклого профиля кулачка

 

(250)

 

(251)

 

где a = r₀ + h_{T max} — r₂, мм;

b = r₁ — r₀ — h_{T max}, мм.

При определении r₁ значение r₂ принимают по технологическим соображениям r₂ ³ 1,5 мм, а при расчете r₂ принимают r₁ = (8÷20)h_Tmах. Выбор слишком малого значения r₁ может привести к полу­чению по формуле (252) 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 Δs: r_к = r₀ — Δs. Величина Δs включает в себя температурный зазор и упругие деформации механизма газораспределения. Для впускных клапанов Δs = (0,25 ÷ 0,35) мм, а для выпускных - Δs = (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:

 

(252)

 

где h_T1, ω_T1 и j_T1 - соответственно подъем (м), скорость (м/с), уско­рение (м/с²) толкателя при его движении по дуге радиуса r₁ от точки A до точки С;

h_T2, ω_T2 и j_T2 - соответственно подъем (м), скорость (м/с) и ускорение (м/с²) толкателя при его движении по дуге радиуса r₂ от точки С до точки В;

a = r₀+h_{Tma x}- r₂, м; ω_k - угловая скорость вращения распределительного вала, рад/с;

φ_p1 и φ_p2 - текущие значе­ния углов при движении толкателя соответственно по дугам r₁ и r₂.

Значение угла φ_p1 отсчитывают от радиуса ОА, а угла φ_p2 - от радиуса ОВ. Их максимальные значения определяют из условия, что в точке С подъем h_T1 = h_T2,

 

(253)

 

(254)

 

Для тангенциального кулачка с роликовым толкателем:

 

(255)

 

где r – радиус ролика, м;

Максимальное значение угла φ_р1max – из соотношения

 

(256)

 

Для кулачков с симметричным профилем закон изменения h_T, ω_T и j_T при подъеме и опускании остается неизменным.

Подъем, скорость и ускорение клапана для механизма газораспределения с нижним расположением клапанов определяют по уравнениям (252)-(255), так как h_кл=h_T, ω_кл=ω_T и j_кл=j_T, а для механизма с подвесными клапанами и наличием коромысел или рычагов — по соотношениям (рисунок 35, а и б).

 

 

а – одноплечий рычаг, б – двуплечий рычаг

Рисунок 35 – Схемы приводов клапанов

 

На рисунке 36 представлены диаграммы h_T, ω_T и j_T плоского толкателя при движении по выпуклому кулачку в зависимости от φ_р, эти же диаграммы, но в масштабе, измененном на величину , являются диаграммами подъема, скорости и ускорения клапана.

 

Рисунок 36 – Диаграммы подъема, скорости и ускорения толкателя; полное время-сечение клапана