Как рассчитать пружину для клапана (4 видео)

Пружины плотно прижимают клапан к седлу и кинематически замыкают механизм привода на участках подъема и опускания клапана.

Размыкание клапанного механизма на участках движения с отрицательным ускорением сопровождается наклепом поверхностей толкателя и кулачка, износом этих поверхностей и повышением уровня шума. Поэтому усилие пружин на участках движения толкателя с отрицательными ускорениями должно быть значительно больше сил инерции при всех скоростных режимах. Однако, несмотря на достаточную расчетную величину усилий пружин, толкатель в некоторых случаях может отскакивать от кулачка.

Указанное выше явление вызывается следующими причинами:

1) неточностью шлифования кулачка по копиру;

2) несовпадением центра начальной окружности кулачка с геометрической осью подшипников распределительного вала;

3) износом поверхности кулачка в процессе эксплуатации;

4) закручиванием и изгибом распределительного вала, который одновременно нагружается силами и моментами от механизмов привода нескольких клапанов;

5) колебаниями, возникающими в упругой системе привода.

Амплитуда и собственная частота колебаний зависят от параметров системы: общей жесткости механизма привода и его приведенной массы. Наибольшей жесткостью, как показали исследования, обладает механизм газораспределения при нижнем расположении клапанов. При верхнем расположении клапанов и нижнем расположении распределительного вала жесткость механизма привода

наименьшая. Ниже даны значения приведенной жесткости механизмов привода (в МН/м).

Нижнее расположение вала и клапанов 50 Нижнее расположение вала и верхнее клапанов 3,55

Верхнее расположение вала и клапанов 2540

При конструировании механизма привода следует исходить из условия достижения предельно возможной жесткости при минимальной массе движущихся деталей. Конструктивные массы движущихся

деталей, отнесенные к площади проходного сечения горловины впускного клапана и приведенные к его оси, для систем с различным расположением клапанов и механизмов привода имеют следующие значения (в кг/м2):

Нижнее расположение клапанов 220250

Верхнее расположение клапанов и нижнее распредели- 230300 тельного вала

Верхнее расположение клапанов и распределительного вала 180230 с передачей через коромысла или через промежуточный стакан

клапану, значения масс следует умножить на отношение

На рис. 298, а и б показаны схемы двух наиболее распространенных механизмов привода верхних клапанов с действующими силами и реакциями на опорах коромысел.

Суммарная масса, приведенная к оси клапана,

момент инерции коромысла относительно оси качания.

Масса, приведенная к оси толкателя,

а приведенные к оси толкателя

а приведенная к оси толкателя,

(292)

следует уменьшать.

а для механизма, показанного на рис. 290, б

Запас усилий пружин К вследствие неодинаковых величин движущихся масс, жесткостей пружин, уменьшения упругости пружин в эксплуатации и других конструктивных и технологических факто-

Читайте также: Регулирующий клапан понижающий давление

ров следует принимать больше отношения Кш на 1015%, т. е.

Запас усилия пружины обычно подсчитывают в точке максимального подъема клапана.

Частота вращения, соответствующая моменту размыкания клапанного механизма (отрыву толкателя от кулачка),

Максимальная сила пружины при полностью открытом клапане

сила инерции механизма привода при номинальной частоте вращения двигателя (см. рис. 299).

Максимальное усилие при плоском толкателе моя^ет быть подсчитано по формуле

соответствует ее предвари-

проверяют по выпускному клапану, который не должен отрываться от седла во время такта впуска, когда в цилиндре разрежение, т. е. должно соблюдаться неравенство

давление в цилиндре при выпуске.

МПа.

давление наддува при компрессоре с механическим приводом и номинальной частоте вращения).

В этом случае минимальную силу пружины проверяют для условия

В существующих двигателях отношение сил пружины

II и выше.

относятся к быстроходным двигателям. Жесткость пружины достигает 5560 кН/м.

возрастают размеры пружины. В случае уменьшения жесткости пружины крутизна ее характеристики возрастает, при этом запас прочности пружины снижается.

и монтажная высота (при закрытом клапане), а также число пружин, приходящихся на один клапан, определяются конструктивными особенностями двигателя размером горловины клапанов, числом клапанов, расположением распределительного вала, компоновкой механизма привода и конструкцией его отдельных элементов.

При больших силах инерции, приходящихся на один клапан, устанавливают две-три цилиндрические пружины. Две пружины (внутреннюю и наружную) для лучшего использования размеров головки располагают со стороны клапана, а третью со стороны толкателя.

В случае установки двух пружин их суммарное усилие

Внутреннюю пружину устанавливают в наружную с зазором 12 мм . Направление витков у пружин должно быть противоположным. В этом случае при поломке одной из пружин концы ее не попадут в пространство между витками цельной пружины.

Максимальное касательное напряжение, возникающее в пружине,

в быстроходных двигателях достигает 450650 МН/м 2 . При напряжении более 500 МН/м 2 для повышения усталостной прочности применяют дробеструйную обработку пружин. В двигателях с воздушным охлаждением напряжение в пружинах выпускных клапанов не должно быть больше ниж-

него предела из-за возможного ухудшения механических свойств материала при перегреве.

Минимальное напряжение пружин

) переменного цикла подсчитывают запас прочности пружин по Лотагеле C2G8V

МН/м2. Запас прочности должен быть не менее 1,4.

Число рабочих витков пружины подсчитывают по выражению

где » модуль упругости второго рода;

мм. Минимальная длина пружины при жатии

длина в свободном состоянии

После выбора конструктивных параметров пружины, определения максимального напряжения и запаса прочности ее проверяют на резонанс. Угловая частота собственных колебаний пружины

Колебания пружины рассматривают при этом как продольные одноузловые колебания прямого стержня с таким же числом собственных колебаний. Угловая частота собственных колебаний пружины должна быть больше угловой скорости распределительного вала не меньше чем в 12 раз. В этом случае удается избежать возникновения резонансных колебаний в рабочем диапазоне частоты вращения.

Читайте также: Приточный клапан в стену каркасного дома одному

Детали механизма привода нагружаются силами инерции, усилиями пружин, силами давления газов со стороны выпускного клапана в момент его открытия и ударными силами, возникающими при замыкании механизма с конечной скоростью.

Напряжение от сжатия и деформацию проверяют у штанги толкателя. Деформации изгиба распределительного вала, подсчитанные по уравнениям для однопролетной балки, не должны превышать 0,05 мм .

[уравнение (292)), возникают в зоне положительных ускорений (рис. 299, а).

В механизме привода выпускного клапана наибольшая нагрузка определяется одновременным действием силы инерции, усилий пружин и силы давления газов в момент открытия клапана:

сила давления газов на головку клапана, приведенная

(см. рис. 298).

Сила давления газов, приведенная к оси толкателя,

Контактные напряжения на поверхностях толкателя и кулачка подсчитывают по уравнению Герца, которое в общем впде для случая контакта двух цилиндрических поверхностей имеет вид

контактные напряжения достигают 5001200 МН/м2.

Видео:Сопротивление материалов. Лекция: пружины растяжения и сжатияСкачать

9.3.4. Расчет пружины клапана

Пружина клапана должна удерживать клапан в закрытом положении с силой Ро, а также обеспечивать кинематическую связь между клапаном и толкателем силой Р_пр, когда отрицательная сила инерции Рj отрывает клапан от кулачка (рис. 9.29).

Для пружины с линейной характеристикой зависимость изменения силы пружины от подъема клапана может быть записана в виде, где — жесткость пружины, Н/м.

По известным величинам можно определить необходимую жесткость пружины:

Тогда предварительная деформация пружины , а максимальная Необходимо отметить, что пружина имеет наименьшие размеры при . Для автотракторных двигателей данное отношение обычно находится в пределах 1,6…3,2.

В связи с тем что ускорение клапана связано с углом поворота кулачка нелинейной зависимостью, коэффициент запаса пружины К будет также изменяться по углу поворота и его текущее значение на участке движения клапана с отрицательным ускорением можно определить как K₃=P_np/P_j. Поэтому для выбора С_пр с приемлемым изменением из графиков зависимостей и от угла поворота кулачкового вала нужно определить минимальное значение и соответствующие ему , и , а затем вычислить (рис. 9.29). Изменяя Р₀, можно добиться такой ситуации, когда Тогда .

При использовании в механизме двух пружин на клапан максимальная сила, нагружающая наружную пружину, определяется как часть общей потребной упругой силы , а максимальная сила, нагружающая внутреннюю пружину,. Обычно для автотракторных двигателей =0,55. 0,65. Варьируя силы наружной и внутренней пружин можно получить приемлемые величины , а также минимизировать геометрические параметры пружин.

Читайте также: Golf 4 загнуло клапана

Видео:Это не учитывают при ремонте ГБЦ. Упругость пружины клапана.Скачать

9.3.5. Определение размеров пружины клапана

Проектирование пружины производят в такой последова- тельности:

● определяют геометрические параметры пружины. 1. Задают индекс и коэффициент формы пружины (χ), учи- тывающий разность радиусов кривизны наружной и внутренней поверхностей витка, от чего зависит распределение напряжений в их сечении (максимальные напряжения возникают на внутренних волокнах сечения витка), χ = (4с_пр+2)/(4с_пр — 3). Для автомобильных ДВС с_пр = 8..12и χ =1,1. 1,2.

2. По статистическим данным условий размещения задают средний диаметр пружины D_пр (рис. 9.30). Для автотракторных ДВС

3. По известному допустимому напряжению (для пружинных сталей [τ_т] = 350. 600 МПа) вычисляют диаметр проволоки:

Расчетное значение округляют до ближайшей большей вели- чины по сортаменту проволоки: 2,8; 3,0; 3,2; 3,5; 3,8; 4,0; 4,2; 4,5; 4,8; 5,0; 5,5; 6,0 мм.

4. Производят проверку индекса пружины и, если это необходимо, расчет выполняют повторно.

5. Определяют количество рабочих витков

которое затем округляют до целого или кратного 0,5.

6. Вычисляют геометрические параметры максимально сжатой пружины.

Шаг рабочих витков пружины де — минимальный зазор между рабочими витками пружины при ее максимальной деформации; =(0,10...0,15) , что составляет 0,5. 0,9 мм.

Минимальная длина пружины где — количество опорных витков, принимаемое в пределах 2. 3.

7. Определяют параметры пружины при закрытом клапане: длина пружины

шаг витков пружины

8. Рассчитывают параметры пружины в недеформированном свободном состоянии:

длина пружины При во избежание потери продольной устойчивости пружину устанавливают в направляющую гильзу-стакан;

шаг витков пружины (шаг навивки)

9. Производят расчет напряжений от кручения в сечении проволоки пружины.

1. Вычисляют максимальные и минимальные напряжения кручения рабочего витка пружины:

2. Определяют среднее и амплитудное значения напряжений:

Рассчитывают коэффициент запаса где — допускаемые напряжения. Величина должна находиться в пределах 1,2. 2,0.

3. Выполняют проверку пружины на резонанс.

Условие отсутствия резонансных колебаний таково: , где — первая частота собственных колебаний пружины; — частота вращения распределительного вала.

Данные частоты вычисляют по формулам

где — масса рабочих витков пружины; — модуль упругости второго рода при сдвиге материала проволоки. Для пружинных сталей = (7,6. 8,2)10 4 МПа, = 7800. 7900 кг/м 3 . Значения и — в мм.

Последовательность определения геометрических параметров и расчета клапанного механизма с двумя пружинами такая же, как и для одной.

Достаточность радиальных зазоров между направляющей втулкой и внутренней пружиной, внутренней и наружной пружинами достигается при выполнении следующих условий: