Профиль кулачка определяет момент и продолжительность открытия клапана.
Профиль кулачка должен удовлетворять следующим условиям:
- Клапан должен быстро открываться и быстро закрываться. Величина хода клапана должна быть максимально возможной.
- Процесс движения в целом должен выбираться таким образом, чтобы не вызывать недопустимо больших колебаний пружины клапана.
Привод клапанов с пружинами представляет собой конструкцию, подверженную вынужденным колебаниям. Его собственная частота колебаний вследствие жестких и легких деталей должна быть настолько большой, насколько это возможно. Вынужденные колебания вызываются воздействием на клапаны кулачков распределительного вала. Как только клапан закрывается, благодаря зазору в приводе клапана исчезает силовое замыкание между элементами привода, и колебания прекращаются.
Определение фазы газораспределения
Фазы газораспределения — это, по сути, продолжительность открытия клапанов, выраженная в градусах угла поворота коленчатого вала относительно мертвых точек поршня.
Так как клапаны открываются и закрываются относительно медленно, угол поворота коленчатого вала выбирается большим, чем угол, соответствующий впуску и выпуску. При этом можно достичь того, как ясно из диаграммы фаз газораспределения (рис. 8.15), чтобы к началу и завершению впуска и выпуска небольшое сечение каналов было уже или еще открытым. Завершение выпуска и начало впуска пересекаются, так как оба клапана открыты одновременно. Вследствие данного перекрытия клапанов достигается лучшее выведение отработавших газов из камеры сгорания. Давление выпуска увеличивается, когда поршень уже находится в верхней мертвой точке. При этом в камере сгорания возникает пониженное давление, а через уже открытый впускной клапан поступает свежий заряд рабочей смеси. Большое перекрытие клапанов обеспечивает хорошую вентиляцию цилиндра от остаточных газов, но в бензиновых двигателях, как следствие, вызывает потери топлива и приводит к повышенному шуму на холостом ходу вследствие пропусков зажигания, так как при небольшой частоте вращения и почти закрытой дроссельной заслонке отработавшие газы всасываются обратно и смесь сильно обедняется. Здесь необходимо искать оптимальный вариант, при котором остаточные отработавшие газы будут удаляться в сочетании с потерями топлива и пропусками зажигания, в особенности с учетом ограничения содержания углеводородов в отработавших газах.
Рис. 8.15. Диаграмма фаз газораспределения
Впускной клапан закрывается сразу после прохождения поршнем нижней мертвой точки. Вследствие инерции свежего заряда смеси достигается некий эффект наддува, интенсивность которого возрастает с увеличением скорости потока смеси, то есть чем выше средняя скорость поршня или частота вращения коленчатого вала. Вследствие запоздалого закрытия впускного клапана при высокой частоте вращения коленчатого вала достигается большая мощность двигателя благодаря наддуву, в то время как при незначительной частоте вращения она очень маленькая, так как клапан вновь выпускает часть заряда. На рис. 8.16 изображена диаграмма крутящего момента и мощности относительно частоты вращения коленчатого вала для раннего и позднего закрытия впускного клапана. Способность к разгону двигателя высокой мощности (впуск закрывается поздно) низкая. В результате ему требуется больше передач в трансмиссии для того, чтобы он мог всегда работать в благоприятном диапазоне частоты вращения (нисходящая ветвь линии крутящего момента между nMmax и nN).
Рис. 8.16. Диаграммы крутящего момента и мощности при раннем и позднем закрытии впускного клапана
Способность к увеличению частоты вращения коленчатого вала двигателя можно выразить с помощью формулы:
Mmax — максимальный крутящий момент;
MN — крутящий момент при номинальной частоте вращения коленчатого вала;
nN — номинальная частота вращения коленчатого вала;
nMmax — частота вращения коленчатого вала при максимальном крутящем моменте.
Прежде всего, фазы газораспределения конструктор определяет согласно своему опыту. Точные значения для высокой мощности, незначительного удельного расходы топлива и небольшого содержания вредных примесей в отработавших газах определяются во время стендовых испытаний двигателя.
Экспериментальные данные:
Впускной клапан
- открыт 10 до 50° УПКВ перед верхней мертвой точкой (ВМТ)
- закрыт 40 до 80° УПКВ после нижней мертвой точки (НМТ)
Выпускной клапан
- открыт 40 до 80° УПКВ перед нижней мертвой точкой (НМТ)
- закрыт 10 до 50° УПКВ после верхней мертвой точки (ВМТ)
УПКВ — угол поворота коленчатого вала.
Изменение фаз газораспределения
Из диаграмм на рис. 8.16 видно, что при средней частоте вращения коленчатого вала крутящий момент при раннем закрытии впускного клапана высокий, то же самое наблюдается при высокой частоте вращения коленчатого вала и позднем закрытии впускного клапана. Если крутящий момент должен быть высоким как при средней, так и при высокой частоте вращения коленчатого вала, впускной клапан должен работать с изменяющимися фазами газораспределения, то есть двигатель должен быть оснащен специальным распределительным валом (или валами) с возможностью изменения фаз газораспределения. Механизм регулятора способен на работающем двигателе изменять угол поворота распределительного вала привода впускных клапанов относительно коленчатого вала. На рис. 8.17 схематически изображена возможность такой регулировки. Распределительный вал привода выпускных клапанов приводится в действие цепью от коленчатого вала. Вторая цепь соединяет оба распределительных вала и передает крутящий момент с одного вала на другой. Если при смещении натяжителя ведущая ветвь соединительной цепи удлиняется, ведомая ветвь становится короче. С уменьшением длины ведомой ветви цепи распределительные валы перестают вращаться с одинаковым смещением относительно коленчатого вала, и распределительный вал привода впускных клапанов открывает клапана чуть раньше.
Рис. 8.17. Схема изменения фаз газораспределения путем изменения натяжения цепи привода распределительных валов
Более совершенной системой изменения фаз газораспределения стала гидравлическая муфта, в просторечии именуемая — «фазовращатель». В этой конструкции шкив привода распределительного вала выполняет роль корпуса гидравлической муфты. Ротор муфты находится внутри корпуса и непосредственно соединен с распределительным валом. В корпусе муфты сделано несколько полостей, к которым по каналам подводится моторное масло из системы смазки. Заполнение той или иной полости маслом обеспечивает поворот ротора относительно корпуса и, соответственно, смещение распределительного вала на определенный угол. В результате моменты открытия и закрытия кулачков могут изменяться на величину порядка 20°...30°. С помощью давления масла происходит регулировка угла смещения распределительного вала при использовании лопастного регулятора. При вращении ведущей шестерни распределительного вала масло внутри специального корпуса воздействует на лопасти регулятора в ту или другую сторону, меняя таким образом угол смещения распределительного вала относительно корпуса регулятора (рис. 8.18).
Рис. 8.18. Гидравлическая регулировка положения распределительного вала с помощью лопастного регулятора, конструкция фирмы «Porsche»
Чтобы на холостом ходу при перекрытии клапанов не возникал излишний шум от работы двигателя, положение распределительного вала привода впускных клапанов регулируется на «позднее» открытие клапанов. При растущей частоте вращения коленчатого вала, например, при 1000 мин-1, распределительный вал привода впускных клапанов переводится на более «раннее» открытие клапанов, чтобы крутящий момент был большим. При достижении 4000 мин-1 распределительный вал привода впускных клапанов вновь переводится в «позднее» положение для увеличения крутящего момента двигателя. Соответствие процесса смены заряда смеси оптимальным режимам работы двигателя происходит эффективнее, если можно менять фазы открытия как впускных, так и выпускных клапанов.
Полностью регулируемый газораспределительный механизм
Как уже обсуждалось в разделе 3.3, для управления нагрузкой на двигатель без помощи дроссельной заслонки необходим полностью регулируемый газораспределительный механизм (рис. 8.19) с возможностью изменения его параметров в процессе работы. Изменение параметров подобного газораспределительного механизма производится с помощью электрических, гидравлических или механических вспомогательных систем. Первый газораспределительный механизм с возможностью регулировки параметров в процессе работы под названием «Valvetronic» был создан в 2001 году компанией «BMW AG».
Рис. 8.19. Диаграмма перемещения клапана в полностью регулируемом газораспределительном механизме
Газораспределительный механизм «Valvetronic» производства компании «BMW AG» показан на рис. 8.20. В этой конструкции кулачок распределительного вала приводит в движение подвижный промежуточный рычаг, который одной стороной контактирует с коромыслом клапана, а другой — со специальным эксцентриковым валом. Положение кулачка эксцентрикового вала определяет ход промежуточного рычага и, соответственно, ход клапана. Поворачивая эксцентрик, можно добиться увеличения или уменьшения хода клапана. Поворот эксцентрикового вала производится с помощью электромотора, сигналы на который поступают от электронной системы управления работой двигателя. Величина регулировки хода клапана составляет более 9 мм, а изменение этого параметра происходит всего за 300 мс.
Рис. 8.20. Газораспределительный механизм «Valvetronic» производства компании «BMW AG»
Гармоничный кулачок
Выражение гармоничный кулачок обозначает математическую модель простейшего кулачка с идеальным стандартным профилем. Такой кулачок работает вместе с простейшим гладким толкателем, движения которого можно описать с помощью простых формул. На рис. 8.21 изображен гармоничный кулачок в четырех положениях.
Рис. 8.21. Схема движения толкателя при использовании гармоничного кулачка
В положении 1 толкатель касается основной окружности кулачка; ход толкателя равен нулю. После того как кулачок в положении 2 поворачивается на угол Θ1 против часовой стрелки, толкатель касается дуги окружности радиусом r1 и проходит путь s1. Средняя точка М1 сдвигается вверх на величину s1. Величину движения толкателя можно определить из положения точек МАМ1. В положении 3 толкатель касается второй дуги окружности радиусом r2. Разница хода толкателя между положением 3 и наивысшим положением 4 составляет величину С. Угол поворота кулачка между положениями 3 и 4 имеет величину Θ2. Расстояние С выводится из положения точек ММ2В.
Согласно этим предварительным параметрам можно вывести следующие уравнения для хода толкателя:
Толкатель касается дуги окружности радиусом r1 угол кулачка изменяется от Θ1 = 0 до Θ1 max
Толкатель касается дуги окружности радиусом r2; угол кулачка изменяется от
С помощью данных уравнений рассчитывается ход толкателя вверх, а обратный ход вниз является симметричным (рис. 8.22).
Рис. 8.22. Процесс движения толкателя при использовании гармоничного кулачка
Уравнения скорости толкателя можно получить посредством дифференциирования уравнения пути по времени: с помощью
ωN — угловая скорость распределительного вала.
Угол Θ2 указывается во всех уравнениях как отрицательный, так как он не соответствует положительному направлению отсчета величины угла поворота кулачка. Отрицательный знак оказывает влияние только в уравнении 8.6, так как в других уравнениях используется косинус угла Θ2.
Посредством дифференциирования уравнения скорости по времени можно вывести уравнения для ускорения толкателя:
На рис. 8.22 изображены путь, скорость и ускорение толкателя в зависимости от угла поворота кулачка.
Кроме того, необходимо показать уравнения ускорения толкателя как функции хода толкателя. Посредством комбинации уравнении хода с уравнениями ускорения можно вывести следующие формулы:
Величины s1 и s2 являются независимыми переменными.
С помощью данных линейных уравнений можно представить процесс ускорения толкателя как функцию хода толкателя (рис. 8.23).
Рис. 8.23. Ускорение толкателя при использовании идеального кулачка
Рис. 8.24. Профиль кулачка, образованный дугами окружности радиусами r1 и r2
Из рис. 8.24 с помощью простых геометрических построений можно вывести следующие формулы, важные для расчета кулачка:
Радиус окружности r2 на вершине кулачка
Расстояние между средними точками b,
Величина b1 не должна быть отрицательной или бесконечной, так как иначе гладкий толкатель не сможет работать вместе с кулачком.
Определение профиля кулачка
При определении профиля кулачка исходят в первую очередь из имеющихся данных:
- угол поворота aSt;
- максимальный ход клапана hmax;
- отношение длин плеч коромысла u;
- частота вращения коленчатого вала n.
Учитываются также следующие величины, полученные экспериментальным образом:
- угол зазора в клапанах ΘS в°УПРВ (градусы угла поворота распределительного вала);
- зазор в клапанах hs;
- наивысшее допустимое замедление толкателя с учетом силы натяжения пружины клапана a2 max;
- диаметр основной окружности кулачка 2r.
С помощью данных значений можно получить параметры кулачка.
Угол поворота кулачка Θ:
При наличии симметричного кулачка, который используется на большинстве двигателей, формула выглядит так:
х = 4 для четырехтактного двигателя;
х = 2 для двухтактного двигателя.
Максимальный ход толкателя hSt.
Следующие формулы служат для расчета идеального кулачка, рабочую поверхность которого образуют дуги окружности двух разных радиусов. При расчете кулачков с иным профилем можно действовать аналогично.
Расстояние между средними точками b2:
Наибольшее замедление возникает согласно уравнению 8.8 при Θ2=0, то есть, когда толкатель касается кулачка на вершине (рис. 8.21, положение 4). Для проектирования кулачка в качестве экспериментального значения берется значение |a2 max|≤1500 м/с2. При расчете пружины клапана необходимо проверить, достаточно ли прочной является пружина, чтобы обеспечить замедление хода клапана. Расстояние между средними точками должно соответствовать условию:
Если дело не в этом, необходимо изменить a2 max и r или отдельно r.
Если соотношение выглядит так:
то создание идеального кулачка невозможно.
Остальные параметры — b1, r1, r2 и Θ1max — рассчитываются с помощью уже известных формул, и в заключение условные значения проверяются с помощью контрольных расчетов.
1. Контроль с помощью уравнения 8.3
Ход толкателя s1 для угла зазора в приводе клапана ΘS, должен быть настолько большим, чтобы ход коромысла выбирал зазор в приводе и клапан начинал открываться.
2. Контроль с помощью уравнения 8.5
Скорость удара клапана о его седло, которая при использовании симметричного кулачка равна скорости, с которой коромысло ударяется о неподвижный клапан, не должна превышать 0,8 м/с. При слишком высокой скорости клапан и седло будут повреждены.
3. Контроль
Поверхностное усилие между кулачком и толкателем не должно превышать 200 Н/мм2 с учетом износа. Данный контроль выполняется в том случае, когда рассчитывается сила натяжения пружины.
Если при контрольном расчете получаются недопустимые величины, расчет кулачка проводится еще раз.
Пример 1
Для четырехтактного двигателя необходимо спроектировать кулачок впускного клапана.
Дано:
- Момент открытия — 40°УПКВ перед верхней мертвой точкой
- Момент закрытия — 40°УПКВ после нижней мертвой точки
- Ход клапана hmax = 6 мм
- Отношение длин плеч коромысла u = 1
- Частота вращения коленчатого вала n = 5000 мин-1
Решение
Приняты следующие предпосылки:
- Угол зазора в клапанах ΘS = 10°УПРВ (угол поворота распределительного вала)
- Зазор в клапанах hs = 0,2 мм
- Максимальное замедление а2 max = -1000 м/с2
- Основной радиус кулачка r = 15 мм
Расчет параметров кулачка:
Угол поворота кулачка согласно уравнению 8.15
Максимальный ход толкателя согласно уравнению 8.16
Расстояние между средними точками b2 согласно уравнению 8.8
Радиус r2 согласно уравнению 8.11
Расстояние между средними точками b1 согласно уравнению 8.12
Радиус r1
Угол согласно уравнениям 8.13 и 8.14
1. Контроль согласно уравнению 8.3
Данное значение лишь немного больше чем hs, угол зазора в клапанах был также верно измерен.
2. Контроль согласно уравнению 8.5
Расчет верен, можно проектировать кулачок.
Форма кулачка
В примере 1 скорость удара клапана о седло необходимо перепроверить, так как она не должна превышать допустимое значение. С другой стороны, желаемым является быстрое открытие клапана. Оба требования нельзя осуществить с помощью одной дуги окружности, образующей поверхность кулачка. Низкая скорость движения клапана требует небольшого радиуса, а высокая скорость — большего. Данные условия можно выполнить только с помощью нескольких дуг окружностей различных радиусов. Поэтому, кроме базовой окружности кулачка, его форма образуется сочетанием нескольких дуг окружностей разного радиуса. Радиусы дуг окружностей выбираются в зависимости от необходимых параметров работы газораспределительного механизма (ход клапана, моменты открытия и закрытия клапана). Пока толкатель двигается вдоль базовой окружности кулачка, коромысло клапана, благодаря зазору в газораспределительном механизме, на шток клапана не воздействует. Как только толкатель начинает двигаться по поверхности большого радиуса, все части механизма приходят в силовое замыкание и клапан начинает приподниматься со своего седла, открывая канал. На рис. 8.25 показана форма кулачка с названиями различных ее участков.
Рис. 8.25. Форма кулачка
Общие положения
Для приведения в действие клапана служат различные поверхности кулачка и толкатели разного вида (рис. 8.26). Гладкий толкатель может работать вместе только с выпуклым кулачком, а не с полым. Полый кулачок или тангенциальный кулачок требуют в качестве партнера толкатель с выпуклой поверхностью, например, роликовый толкатель. Радиус ролика толкателя должен выбираться меньшим, чем минимальный радиус кулачка.
Рис. 8.26. Профили кулачка
Изготовление кулачка начинается с подготовки эталонного кулачка, который имеет ту же форму, что необходима для кулачков промышленного изготовления. С помощью эталонного кулачка изготавливается копир, который управляет работой станка для шлифовки распределительного вала. Заранее изготовленный распределительный вал удерживается в шлифовальном станке с помощью специального крепления. При шлифовке поверхности кулачка распределительный вал поворачивается вокруг своей оси и одновременно, сообразно требуемому профилю кулачка, с помощью копира качается в разные стороны.