Расчет газораспределительного механизма.
Определение проходных сечений ГРМ
Проходное сечение в седле впускного клапана определятся следующим образом:
,
м2,
где - средняя скорость поршня, м/с;
м/с;
nN – частота вращения коленчатого вала на режиме максимальной мощности, об/мин;
Fп – площадь днища поршня, м2;
iкл – число впускных клапанов в одном цилиндре;
wвп – допускаемая средняя скорость потока в седле клапана при впуске.
wвп = 65 м/с – дизели.
Проходное сечение горловины не должно ограничивать пропускную способность клапана:
.
Диаметр горловины впускного клапана:
.
м.
Диаметр горловины выпускного клапана на 15% меньше диаметра горловины впускного клапана.
м.
Максимальный подъем впускного клапана определяется по площади проходного сечения клапана:
,
,
где a - угол наклона фаски клапана (для впускных клапанов a = 45°, для выпускных клапанов a = 45°).
Максимальный подъем толкателя определяется исходя из конструкции механизма газораспределения (рис. 4).
,
м,
где hкл – максимальный подъем толкателя.
lт, lкл – плечи рычага, соответственно обращенные к толкателю и клапану. В современных двигателях 1.
Рис.5 Конструктивные соотношения клапанного механизма.
Материал впускного клапана Сталь 40ХН.
Материал выпускного клапана Сталь СХ8.
Рис 6. Принципиальная схема газораспределительного механизма.
Профилирование кулачка ГРМ
В современных автомобильных двигателях используются кулачки со следующими профилями: двухрадиусный выпуклый кулачок, тангенциальный кулачок, кулачок «полидайн». В качестве профиля выбираем двухрадиусный выпуклый кулачок
Радиус начальной окружности кулачка выбирается исходя из достаточной жесткости механизма:
Рис. 7. Тангенциальный кулачок.
Радиус начальной окружности кулачка выбирается исходя из достаточной жесткости механизма:
.
м.
Половинное значение угла действия кулачка зависит от фаз газораспределения:
,
,
здесь - угол опережения открытия клапана,
- угол запаздывания закрытия клапана.
Углы и
назначаются по диаграмме фаз газораспределения в градусах поворота коленчатого вала по прототипу.
Параметры тангенциального кулачка.
Радиус ролика для выпускного клапана определяется следующим образом:
м.
Радиус дуги вершины кулачка:
м.
Расчет клапанной пружины
Рис. 8. Эскиз клапанной пружины.
Клапанная пружина должна обеспечивать непрерывную кинематическую связь между клапаном и кулачком, когда силы инерции стремятся оторвать толкатель от кулачка и удерживать клапан в закрытом состоянии, когда это необходимо.
Нормальная работа пружины обеспечивается при выполнении следующих условий:
1) максимальная сила пружины Рmax должна быть больше сил инерции движущихся частей механизма газораспределения в конце подъема клапана Pj2 max, чтобы не допустить отрыва толкателя от кулачка – Pmax > Pj2 max;
2) сила предварительной затяжки пружины Рпр должна быть больше максимальной силы от разряжения газов при впуске Рвп, чтобы не допустить самопроизвольного открытия выпускного клапана в процессе впуска - Рпр > Рвп.
Определение параметров клапанной пружины
Максимальное усилие пружины: МН, , где
МН.
,где
,
здесь - максимальная частота вращения коленчатого вала на режиме холостого хода;
- частота вращения коленчатого вала на режиме максимальной мощности.
Сила инерции движущихся частей клапанного механизма, МН, в конце подъема клапана определяется по формуле:
,
,
где – масса движущихся деталей клапанного механизма, кг.
.
Значение ускорения толкателя в конце подъема клапана зависит от выбранного профиля кулачка:
- тангенциальный кулачок;
.
Здесь wк – угловая скорость вращения распределительного вала на режиме максимальной мощности, рад/с. Для четырехтактных двигателей
,
рад/с,
где wN – угловая скорость вращения коленчатого вала на режиме максимальной мощности.
Максимальная деформация пружины назначается, исходя из стремления получить минимальные массу и габариты последней:
,
м,
где hкл вып – максимальный подъем выпускного клапана, м.
Жесткость пружины:
.
МН/м,
Усилие предварительной затяжки пружины:
.
МН.
Проверка соблюдения второго условия: .
0,000072>0,000035, следовательно, условие выполняется.
где - площадь поперечного сечения горловины выпускного клапана, м2;
и
- соответственно давления в выпускном трубопроводе и в цилиндре двигателя в конце такта впуска. Ориентировочно давление в выпускном трубопроводе можно принять равным давлению остаточных газов. (См. тепловой расчет).
Конструирование пружины.
Средний диаметр пружины (рис. 8):
,
,
где - диаметр горловины выпускного клапана.
Диаметр проволоки пружины определяется по формуле:
,
,
где [t] =600 МПа, - допускаемое касательное напряжение в витке пружины;
l = 1,2 – коэффициент, учитывающий неравномерность распределения напряжений по сечению витка пружины.
В последнюю формулу усилие следует подставлять в МПа, а диаметр - в метрах.
В последнюю формулу усилие следует подставлять в МПа, а диаметр - в метрах.
Найденное значение следует округляем до ближайшего значения по ГОСТу т.е.
=4.7 мм.
Число рабочих витков пружины:
,
,
где G = 0,9×105 – модуль упругости второго рода для легированных сталей, МПа;
Pmax – максимальное усилие пружины, МН.
В эту формулу размеры следует подставлять в метрах.
Полное число витков пружины:
.
Шаг навивки пружины должен обеспечить минимально допустимый зазор (Dmin = 0,3 мм) при полностью сжатой пружине:
.
.
Длина полностью сжатой пружины:
.
.
Длина пружины при полностью закрытом клапане:
,
,
где hкл – максимальный подъем клапана.
Длина свободной пружины:
.
.
Расчет пружины на усталостную прочность
Максимальные и минимальные напряжения в поперечном сечении витка пружины:
;
,
;
.
Здесь l - коэффициент, учитывающий неравномерное распределение напряжения по сечению витка. Для клапанных пружин автомобильных двигателей можно принять l=1,2.
В эти формулы усилия следует подставлять в МН, а размеры - в метрах.
Среднее напряжение (tm) и амплитуда (tа) цикла:
;
.
;
.
Запас прочности пружины:
,
где t-1 =400 – предел усталости при кручении материала пружины;
аt - коэффициент приведения данного цикла нагруженния к равно опасному симметричному.
В качестве материала выбираем: сталь 50ХФА: t-1 =300…400 МПа, аt=0,15.
Проверка пружины на резонанс
Если отношение частоты собственных колебаний (wс) клапанной пружины к частоте вынужденных колебаний (wв) более 10, то резонанс отсутствует, т.е.
,
<10
где ;
,
;
.
где d - диаметр проволоки, м;
D – средний диаметр пружины, м;
iр – число рабочих витков пружины;
nр.в – частота вращения распределительного вала на режиме максимальной мощности, об/мин.
, т.о. резонанс пружины при работе двигателя на номинальной мощности исключен ее конструктивными параметрами.