Кулачок приводу клапана

Реферат: Кулачок приводу клапана має взаємодіючий з роликом штовхача робочий профіль з ділянкою ближнього вистою і сполученими з нею ділянками підйому та опускання клапана, кожна з яких відповідає безперервній кривій другої похідної підйомів штовхача за кутом обертання кулачка, що складається з відрізків, які виконано в області додатних значень і від'ємних значень. Згідно з винаходом, відрізки, виконані в області додатних і від'ємних значень, описуються власними степеневими поліномами, кількість коефіцієнтів яких відповідає числу граничних умов на профілювання кулачка, а початок відрізка додатних значень другої похідної підйомів штовхача за кутом обертання кулачка ділянки підйому клапана і кінець відрізка додатних значень ділянки опускання клапана плавно сполучаються з ділянками компенсації теплового зазору, на кожній з яких друга похідна підйомів штовхача за кутом обертання кулачка описана степеневим поліномом. UA 104978 C2 (12) UA 104978 C2 UA 104978 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до машинобудування, зокрема до двигунобудування, і може бути використаний у механізмах приводу клапанів з роликовими штовхачами двигунів внутрішнього згоряння. Відомий кулачок приводу клапана, що має взаємодіючий з роликом штовхача робочий профіль з ділянками ближнього та дальнього вистою і сполученими з ними увігнуто-випуклими ділянками підйому та опускання клапана, які утворено дугами кіл, що визначає переривчасту форму складної кривої другої похідної підйомів штовхача за кутом обертання кулачка в області додатних і від'ємних значень [Двигатели внутреннего сгорания: Конструирование и расчёт на прочность поршневых и комбинированных двигателей / Д.Н. Вырубов, С.И. Ефимов, Н.А. Иващенко и др.; Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. - 4-е изд., перераб. и доп. - М: Машиностроение, 1984. - С. 267-269]. Причини, що перешкоджають одержанню очікуваного технічного результату, полягають у наступному: - форма профілю такого кулачка для ділянок підйому та опускання клапана обумовлює наявність ударів в механізмі приводу клапана (миттєвих змін прискорень деталей від 0 до початкових додатних прискорень, від максимальних додатних прискорень до початкових від'ємних, від максимальних від'ємних прискорень до 0), що відповідає значним динамічним навантаженням на ланки і їх з'єднання, а отже, приводить до зниженням надійності та імовірних проявів відмови двигуна; - при закритті посадка клапана на сідло відбувається із значною, перевищуючою граничні значення, кінцевою швидкістю, що визначає інтенсивне зношення клапана, сідла і інтенсивний розвиток тріщин на внутрішній поверхні кришки циліндра двигуна. Найбільш близьким до об'єкта, що заявляється є кулачок приводу клапана [Корчемный Л.В. Механизм газораспределения двигателя: кинематика, динамика, расчет на прочность. М: Машиностроение, 1964. - С. 138-147; Марченко А.П., Рязанцев М.К., Шеховцов А.Ф. Двигуни внутрішнього згоряння: Серія підручників у 6 томах. Т. 1. Розробка конструкції форсованих двигунів наземних транспортних машин. - Харків: Прапор, 2004. - С. 175-176], що має взаємодіючий з роликом штовхача робочий профіль з ділянкою ближнього вистою і сполученими з нею ділянками підйому та опускання клапана, кожна з яких відповідає безперервній кривій другої похідної переміщень штовхача за кутом обертання кулачка, що складається з двох відрізків, один з яких виконано в області додатних значень, а другий в області від'ємних значень. Причому характер зміни другої похідної переміщень штовхача за кутом обертання кулачка в областях додатних і від'ємних значень для ділянок підйому і опускання клапана описується єдиним ступеневим поліномом, що визначає максимальні від'ємні значення другої похідної переміщень штовхача за кутом обертання кулачка в моменти закінчення підйому і початку опускання клапана. Причини, що перешкоджають одержанню необхідного технічного результату полягають у наступному: - описання характеру зміни другої похідної переміщень штовхача за кутом обертання кулачка в областях додатних і від'ємних значень для ділянок підйому і опускання клапана єдиним ступеневим поліномом при виконанні для такого кулачка технологічного обмеження за мінімальним радіусом кривизни увігнутої ділянки робочого профілю та умов міцності деталей механізму, не забезпечує потрібних значень час-перерізу клапана за вимогами досягнення високих показників економічності та екологічності двигуна внутрішнього згоряння; - уведення з метою збільшення час-перерізу клапанів в робочий профіль такого кулачка ділянки дальнього вистою визначає прояв ударів в механізмі приводу клапанів - миттєві зміни прискорень деталей від максимальних від'ємних до 0 в кінці підйому клапана і від 0 до максимальних від'ємних на початку опускання клапана, що відповідає значним динамічним навантаженням на ланки приводу клапанів і їх з'єднання, а отже, приводить до зниженням надійності та імовірних проявів відмови двигуна; - за причин відсутності плавно сполучених з ділянками підйому, опускання і ділянкою ближнього вистою спеціальних ділянок компенсації теплового зазору в механізмі приводу клапана з таким кулачком клапани починають рухатися з ударами та сідають на сідло з значними кінцевими швидкостями, що впливає на інтенсивне зношення контактуючих поверхонь. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення кулачка механізму газорозподілу, в якому шляхом задання для описання ділянок підйому та опускання клапана відповідної безперервної форми кривих другої похідної підйомів штовхача за кутом обертання кулачка в області її додатних і від'ємних значень, при виконанні технологічного обмеження за мінімальним радіусом кривизни увігнутої ділянки робочого профілю кулачка і вимог міцності деталей 1 UA 104978 C2 5 10 15 20 25 механізму, забезпечується потрібне за умов досягнення високих показників економічності та екологічності двигуна внутрішнього згоряння значення часу-перерізу клапана, безударний характер роботи приводу клапанів при уведенні ділянки дальнього вистою, а уведенням плавно сполучених з ділянкою ближнього вистою і ділянками підйому та опускання клапана ділянок компенсації теплового зазору досягається безударна робота механізму приводу клапанів і потрібні значення швидкості посадки клапанів на сідло. Поставлена задача вирішується тим, що в кулачку приводу клапана, який має взаємодіючий з роликом штовхача робочий профіль з ділянкою ближнього вистою і сполученими з нею ділянками підйому та опускання клапана, кожна з яких відповідає безперервній кривій другої похідної підйомів штовхача за кутом обертання кулачка, що складається з двох відрізків, один з яких виконано в області додатних значень, а другий в області від'ємних значень, відрізки, виконані в області додатних і від'ємних значень, описуються власними степеневими поліномами, кількість коефіцієнтів яких відповідає числу граничних умов на проектування, а початок відрізка додатних значень другої похідної підйомів штовхача за кутом обертання кулачка ділянки підйому клапана і кінець відрізка додатних значень ділянки опускання клапана плавно сполучаються з ділянками компенсації теплового зазору, на кожній з яких друга похідна підйомів штовхача за кутом обертання кулачка описана степеневим поліномом. Введення нових ознак при взаємодії з відомими при виконанні вимоги технологічності профілю кулачка і міцності деталей механізму забезпечують максимальні за умов досягнення високого рівня показників економічності та екологічності двигуна внутрішнього згоряння значення час-перерізу клапана, безударну роботу приводу клапана і допустимі значення швидкості посадки клапана на сідло. На фіг. 1 показаний профіль пропонованого кулачка 1, що взаємодіє з роликовим штовхачем радіуса  , який з'єднаний із штовхачем 3, що переміщується, наприклад, поступально вздовж напрямної 4. Такий профіль утворено дугою a  a' кола радіуса r0 , що відповідає ділянці ближнього вистою штовхача, дугою кола h  i  h' радіуса rmax , що відповідає ділянці дальнього вистою штовхача, які з'єднуються двома профільними координатними кривими a  b  e  h та a'b'e'h' , що, наприклад, можуть бути симетричні і в які входять дві ділянки компенсації " теплового зазору a  b і a'b' . На фіг. 2 показані графіки поточних величин другої Si  aqi (фіг. 30 35 40 45 50 ' 2а), першої Si   qi (фіг. 2б) похідних підйомів штовхача за кутом обертання кулачка i і підйомів Si (фіг. 2в) штовхача в залежності від кута обертання кулачка i . Кулачок приводу клапана (фіг. 1) має координатні профільні ділянки підйому та опускання клапана, кожна з яких сполучається з ділянками компенсації теплового зазору і ділянкою дальнього вистою штовхача. Форма профілю ділянок підйому та опускання клапана, а також ділянок компенсації теплового зазору, повністю визначається видом кривої другої похідної підйомів штовхача за кутом обертання кулачка (фіг. 2а), яка областях додатних і від'ємних значень задається у вигляді окремих відрізків кривих, що описуються окремими степеневими поліномами з безперервністю третьої похідної в точках сполучення окремих кривих. Причому в області додатних значень координати характерних точок a, b, c, d, e кривої другої похідної підйому штовхача за кутом обертання кулачка (фіг. 2а) задаються з урахуванням технологічного обмеження за мінімальним радіусом кривизни увігнутої ділянки робочого профілю, а також умов міцності деталей механізму і досягнення максимально можливої величин часу-перерізу клапанів. Протяжність відрізка кривої другої похідної підйому штовхача за кутом обертання кулачка в області від'ємних значень визначається за умовами досягнення за певний кут обертання кулачку В максимального заданого підйому штовхача Smax , який ураховує задану величину теплового зазору S0, та нульових значень першої та другої похідних підйому штовхача за кутом обертання кулачка i Причому координати характерних точок e, f, g, h кривої другої похідної підйому штовхача за кутом обертання кулачка (фіг. 2а) задаються з урахуванням забезпечення запасу клапанних пружин за силами інерції та прийнятних динамічних характеристик механізму приводу клапанів. Профіль кулачка a  b  e  h (фіг. 1) визначається кривою другої похідної підйомів штовхача за кутом обертання кулачка (фіг. 2а), яка в області додатних значень для ділянки компенсації a qi  0 описується степеневим поліномом третього ступеня, теплового зазору a  b  55  коефіцієнти якого визначаються за умов aqi  0 в точках a і b, а також забезпечення в кінці ділянки (точці b) швидкості  q0 (фіг. 2б), яка відповідає потрібній швидкості посадки клапана на 2 UA 104978 C2 сідло і переміщення S0 (фіг. 2в), яке відповідає встановленому тепловому зазору в механізмі приводу клапана. Для відрізка b  e крива другої похідної підйомів штовхача за кутом обертання кулачка в області додатних значень описується єдиним степеневим поліномом відповідного ступеню, коефіцієнти якого при заданих кутовій протяжності відрізка 1 і рівні максимального 5 значення другої похідної підйомів штовхача за кутом обертання кулачка a q max визначаються за умов aqi  0 в точках b і e, а також забезпечення координат точок (фіг. 2а)   di   S0  31 / 4; aqi  aq max  за умови мінімального радіуса кривизни ввігнутого профілю та c i   S0  1 / 4; a qi  a q max / 1 4 за умови мінімального радіуса кривизни ввігнутого профілю і , 10 15 20 припустимих контактних напружень в парі кулачок-ролик штовхача. Для відрізка e  h крива другої похідної підйомів штовхача за кутом обертання кулачка в області від'ємних значень описується єдиним степеневим поліномом відповідного ступеню, коефіцієнти якого при заданому рівні максимального значення другої похідної підйомів штовхача за кутом обертання кулачка a q max і встановленій за певними умовами кутовій протяжності відрізка  2 визначаються за умов aqi  0 в точках e  h , а також забезпечення f i   S0  1  2 / 5; aqi  aq max / 4 координат точок (фіг. 2а) і     g i   S0  1  42 / 5; aqi  aq max / 17 за умови забезпечення запасу клапанних пружин за , силами інерції та прийнятних динамічних характеристик механізму приводу клапанів. Ділянка дальнього вистою штовхача h  i  h' відповідає максимальному підйому штовхача Smax і описується дугою кола радіуса rmax  r0  Smax (фіг. 1). Відповідно до описаної за окремими ділянками форми кривої другої похідної підйомів штовхача за кутом обертання кулачка поточні значення висоти підйому Si штовхача, а також її першої  qi та другої a qi похідної за кутом обертання кулачка i визначаються за наведеними нижче формулами. Ділянка компенсації теплового зазору a  b : 0  1   S 0 25 aqi  A03  B02  C0 ; 1 1 1 A 0  4  B 0 3  C 0  2 ; 4 3 2 1 1 1 5 4 Si  A 0  B 0   C 0 3 , 20 12 6 де A0, B0, C0 - коефіцієнти, що визначаються з урахуванням наведених вище вимог при розв'язанні системи рівнянь  qi  30  2 A 0  3 0  B0  S0  C0  S0  0; S  1 1 1 4 3 2  A 0  S0  B0  S0  C0  S0   q0 ; 4 3 2   1 1 1 5 4 3  20 A 0  S0  12 B0  S0  6 C0  S0  S0 .  Ділянка b  e : 0  i  1 a qi  A 1n  B1m  C1p  D1iq ; i i i  qi  1 n  1 A1n 1  i 1 m  1 B1m1  i 1 p  1 C1p 1  i 1 q  1 1 1 1 1 A n  2  B m  2  C p  2  D q 2   q0i  S0 , n  1n  2 1 i m  1m  2 1 i p  1p  2 1 i q  1q  2 1 i де A1, B1, C1, D1 - коефіцієнти, що визначаються з урахуванням наведених вище вимог з системи рівнянь Si  35 D1iq1   q0 ; 3 UA 104978 C2  A  n  B  m  C p  D  q  0 1 1 1 1 1 1  1 1  a q max  n m p q ; A 10,25 1   B10,25 1   C10,25 1   D10,25 1   1,4  A 0,75  n  B 0,75  m  C 0,75  p  D 0,75  q  a 1 1 1 1 1 1 1 q max ;  1  A 1n0,751 n1  B1m0,751 m1  C1p0,751 p1  D1q0,751 q1  0 Показники ступенів поліному приймаються з урахуванням вимог на проектування із вказаних інтервалів значень: n  1...3 ; m  5...7 ; p  0,1...0,9 ; q  3...5 . 5 Ділянка e  h : 0  i  2 aqi  A 2r  B2is  C2it  D2u ; i i  qi  Si  10 1 1 1 1 A 2r 1  B2is 1  C2it 1  D2u 1   q1e ; i r  1 s  1 t  1 u  1 i 1 r  1r  2 A 2r  2  i 1 s  1s  2 B2is  2  1 t  1t  2 C2it  2  1 u  1u  2 D2u  2   q1ei  S1e , i де A2, B2, C2, D2 - коефіцієнти, що визначаються з урахуванням наведених вище вимог з системи рівнянь  t  A 2 r  B 2  s  C 2  2  D 2 u  0 2 2 2  a q max  r s t u ; A 2 0,2 2   B 2 0,2 2   C 2 0,2 2   D 2 0,2 2    4  a q max  r s t u ; A 2 0,8 2   B 2 0,8 2   C 2 0,8 2   D 2 0,8 2    17 ,  A 2r 0,82 r 1  B 2 s0,82 s 1  C2 t0,82 t 1  D2u0,82 u 1  0 . 15 Показники ступенів поліному приймаються з урахуванням вимог на проектування із вказаних інтервалів значень: r  0,1...0,5 ; s  1...3 ; t  3...7 ; u  3...9 . В представлених формулах постійні інтегрування S1E i  q1E визначаються за умов плавного 20 сполучення ділянок профілю кулачка, тобто рівняння підйомів S штовхача, а також першої  q та другої a q похідної за кутом обертання кулачка в точці є сполучення окремих кривих на ділянках. Тоді форма профілю запропонованого кулачка 1 (фіг. 1) визначається поточними значеннями полярних координат точок дотикання до нього ролика 2 ki - радіус-вектора rki і полярного кута ki , величини яких залежать від потрібних за певних умов на проектування поточних значень кінематичних характеристик штовхача S i ,  qi , a qi і визначаються за формулами:    qi   rki  2  r0    Si 2  2    r0    Si   cosarctg  S  ;   i    25 30      qi       sinarctg S      i     ki  iarctg .    qi       r0    Si     cos arctg S     i      Пропонований кулачок механізму газорозподілу працює наступним чином. При обертанні кулачка 1 з кутовою швидкістю K штовхач 3 при контактуванні ролика штовхача 2 з ділянкою ближнього вистою a  a' залишається нерухомим. При набіганні профільного виступу a  b  e  h  h'e'b'a' кулачка 1 на ролик 2 штовхач 3 починає рухатися вздовж напрямної 4. За час контактування ролика 2 з відрізком профілю кулачка 1 a  b , що відповідає повороту кулачка на кут  S0 при нерухомому клапані вибирається встановлений в механізмі приводу 4 UA 104978 C2 тепловий зазор. Причому на початку ділянки aqi  0 ,  qi  0 , 5 Si  0 , а в кінці ділянки aqi  0 ,  qi  0 , Si  S0 , що відповідає умовам вибирання теплового зазору і забезпечення потрібної швидкості посадки клапана на сідло. За час контактування ролика 2 з відрізком профілю кулачка 1 b  e , що відповідає повороту кулачка на кут 1 , a qi штовхача 3 змінюються в області додатних значень, приймаючі нульові значення на початку і в кінці відрізка, а також значення a qi  a q max / 1 4 при куті оберту кулачка i  S0  1 / 4 і a qi  a q max при куті оберту кулачка , 10 i  S0  31 / 4 , що забезпечує виконання умови обмеження за мінімальним радіусом кривизни ввігнутої ділянки профілю та припустимих контактних напружень в парі кулачок-ролик штовхача. За час контактування ролика 2 з відрізком профілю кулачка 1 e  h , що відповідає повороту кулачка на кут  2 , a qi штовхача 3 змінюються в області від'ємних значень, приймаючі 15 нульові значення на початку і в кінці відрізка, а також значення a qi  a q max / 4 при куті оберту , кулачка i  S0  1  2 / 5 і a qi  a q max / 17 при куті оберту кулачка i  S0  1  42 / 5 за умовами забезпечення потрібного запасу клапанних пружин за силами інерції і прийнятних динамічних характеристик механізму приводу клапанів. Причому в кінці відрізка, що відповідає куту оберту кулачка i  S0  1  2  B , штовхач переміщується на задану максимальну 20 25 відстань Si  Smax , a  qi  0 . При контакті ролика 2 з профілем кулачка 2 за відрізком h  i  h' (ділянка дальнього вистою кутової довжини BB ) штовхач 3 залишається нерухомим. При контакті штовхача з поверхнею опускання кулачка h'e'b'a' , яка симетрична поверхні підйому a  b  e  h , рух штовхача здійснюється в зворотній послідовності. Розраховані за наведеними залежностями поточні значення кінематичних характеристик штовхача Si ,  qi , a qi , дають можливість розрахувати координати профільних поверхонь підйому і опускання для виготовлення запропонованого кулачка, використання якого забезпечує досягнення високого рівня показників економічності та екологічності двигуна внутрішнього згоряння, виконання вимог міцності деталей, безударну роботу механізму приводу клапана і потрібне значення швидкості посадки клапана на сідло. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 35 Кулачок приводу клапана, який має взаємодіючий з роликом штовхача робочий профіль з ділянкою ближнього вистою і сполученими з нею ділянками підйому та опускання клапана, кожна з яких відповідає безперервній кривій другої похідної підйомів штовхача за кутом обертання кулачка, що складається з відрізків, які виконано в області додатних значень і від'ємних значень, який відрізняється тим, що відрізки, виконані в області додатних і від'ємних значень, описуються власними степеневими поліномами, кількість коефіцієнтів яких відповідає числу граничних умов на профілювання кулачка, а початок відрізка додатних значень другої похідної підйомів штовхача за кутом обертання кулачка ділянки підйому клапана і кінець відрізка додатних значень ділянки опускання клапана плавно сполучаються з ділянками компенсації теплового зазору, на кожній з яких друга похідна підйомів штовхача за кутом обертання кулачка описана степеневим поліномом. 5 UA 104978 C2 6 UA 104978 C2 Комп’ютерна верстка С. Чулій Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7