Лекция 4. Пружины клапанов

Пружины клапанов изготавливаются из сталей С65, С65Г или 50ХФА из проволоки диаметром 3...6 мм холодной навивкой с последующей закалкой до HRC 40...48. Концевые витки сближают до соприкосновения и сошлифовывают. Наружные поверхности оксидируют, оцинковывают или кадмируют.

Расчет пружины с учетом динамики МГР

Введем соотношение – индекс пружины:

, где d – диаметр проволоки; d_ср – диаметр пружины.

Угол подъема витка пружины

, (16.1)

где t – шаг витка; α – угол подъема витка;

с – индекс пружины выбирают по табл. 16.1.

Таблица 16.1

Индекс пружины

Р_п – сила, действующая по оси пружины.

; c = 1…1,45/с. (16.2)

Таблица 16.2

Допускаемые напряжения [t_max]

Осевое сжатие пружины

; (16.3)

G – модуль сдвига; i – число витков, ; L – длина пружины; t – шаг витков; f=(1,5…3,5) h, h – ход клапана; m – коэффициент, зависящий от отношения С= ; m = 0,95…1,0.

По результатам расчета строят характеристику пружины.

– значение усилия пружины при закрытом клапане.

Необходимо учитывать давление в цилиндре и вес клапана; , (16.4)

где d_г – диаметр горловины.

У пружин впускного клапана двигателя с наддувом

,(16.5)

где Р_к – давление наддува; Р_r – минимальное давление в цилиндре при выпуске; d_c – диаметр стержня клапана; d_г – диаметр горловины седла клапана.

Пружину рассчитывают на сопротивление усталости по формуле (16.6)..

, (16.6)

где y_t берут из табл. 2.2, e_Мt, e_nt и k_s берут из табл. П.1, П.2, П.3, t  из табл. П.15,

t_a=t_max; t_m=0,5(t_max -t_min); . (16.6*)

Допускается n_t ≥ 1,2…2,0.

Длина пружин в свободном состоянии L_св = (i_п + i_оп) d+ f + i_пD, где D – зазор между витками пружины при открытом клапане;
D = 0,2…0,3 мм; i_оп – число опорных витков, i_оп = 2…3.

Проверка на резонанс. Число собственных колебаний в минуту равно: , где r – плотность материала пружины; G – модуль упругости второго рода, m = 0,95…1,0.

Опасность резонанса незначительна, если n_c/n_p ≥ 8, n_p – частота вращения кулачкового вала, причем n_c не должно быть кратным n_p.

Приведенное усилие в пружине можно представить как

Р_пр = Р₀+сh_Кл , (16.7)

где Р₀ – монтажное начальное усилие в пружине, необходимое для обеспечения кинематической связи между клапаном и его приводом при отрицательных силах инерции Р_j для обеспечения закрытия клапана при процессах газообмена; с – модуль жесткости пружины; h – величина рабочего сжатия.

Минимальная деформация пружины f₀= Р₀ /c; максимальная

f_max= Р_{пр max} /c = f₀+h_кл. (16.8)

Заметим, что пружина имеет минимальные габариты при соотношении f_max/f₀=2. Максимальная упругая сила пружины

Р_max = k₃ m_прив j_max ,

где k₃ – коэффициент запаса, учитывающий возможный заброс частоты вращения двигателя, k₃ = 1,5...2,25; m_прив – приведенная масса всех деталей МГР; j – максимальное ускорение деталей МГР.

Статистическая величина m_прив для МГР с непосредственным приводом m*_прив = m_прив /F_r составляет 200...300 кг/м², а с приводом через толкатель, штангу и коромысло – 400...500 кг/м².

Определим Р₀, когда h₀ =0, клапан закрыт.

1. Выпускной клапан на такте впуска в двигателе без наддува

, (16.9)

где d_г – диаметр горловины выпускного клапана;

Р_тр – давление в выпускном трубопроводе;

Р_а – давление в цилиндре.

Здесь Р₀ – сила, пытающаяся открыть клапан.

В дизелях Р₀ максимальна на режиме максимальных частот вращения. В ДсИЗ – на холостом ходу при максимально прикрытой заслонке.

2. Для впускного клапана на такте выпуска у двигателя с наддувом

, (16.10)

где d_г – диаметр горловины выпускного клапана; Р_т – давление в выпускном трубопроводе; Р_ц – давление в цилиндре.

Для автотракторных двигателей f_max/f₀ = 1,6...3,2, при этом необходимо проверить Р₀> Р_rвып для безнаддувных ДВС и Р₀> Р_rвп для двигателей с наддувом.

Штанги (рис. 16.2) представляют собой стержень трубчатого сечения из дюралюминия, в верхний и нижний концы которого запрессовываны стальные наконечники, имеющие на нижнем конце сферическую поверхность, а на верхнем или сферическую головку, или сферическое гнездо, в зависимости от коромысла. Опорные поверхности закаливают до 50...60 HRC, шлифуют и полируют.

Толкатели в зависимости от профиля кулачков используют плоские или роликовые (рис. 16.3 б, в). Для равномерного износа опорную поверхность выполняют сферической R = 750…1000 мм. Удельное давление в опорных поверхностях не должно превышать 10 МПа. Зазор между стержнем и направляющей обеспечивают 0,01...0,08 мм.

Смазывание осуществляется маслом, стекающим по штанге. Головка штанги опирается на сферическое гнездо толкателя. Для образования зазора радиус гнезда выполняют на 0,2...0,3 мм больше радиуса головки. Иногда применяют гидравлические толкатели (рис. 16.3, г), позволяющие исключить влияние тепловых деформаций. Иногда для этой же цели применяют гидравлические компенсаторы (рис. 16.3).

Коромысла представляют собой двуплечие рычаги, которые размещают на стальных неподвижных осях трубчатого сечения, в полость которых подается масло для смазки подшипниковых втулок из оловянистой бронзы.

Коромысла либо отливают из чугуна или штампуют из сталей 20Х, 40Х, 45. Опорные поверхности закаливают до 50...60 HRC.

Определение проходных сечений клапана. Проектирование начинают с определения проходных сечений в седле клапана F_кл и в горловине F_r. Площадь горловин определяется из условия неразрывности потока со средней условной скоростью движения поршня:

F_кл=V_пF_п/iV_r , (16.11)

где F_п – площадь днища поршня;

V_п – средняя скорость движения поршня, м/с; ; ;

S – ход поршня; n – частота вращения коленчатого вала;

i – число клапанов;

V_r – условная скорость потока;

F_кл – проходная площадь одного клапана.

Для автотракторных двигателей обычно V_r = 50...80 м/с – для впускной горловины и 70...100 м/с – для выпускной. В многоклапанных МГР скорости можно снизить до 35...50 м/с за счет объединения горловин.

Учитывая, что через горловину проходит стержень клапана, ее площадь принимают на 10...20 % большей. F_г= (1,10…1,20) F_кл, тогда диаметр горловины, мм, равен:

, (16.12)

Из условия размещения клапанов в головке блока диаметр горловины должен быть не больше d_r = (0,35…0,52)D в зависимости от конструкции камеры сгорания, где D – диаметр поршня.

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

Проходное сечение клапана с коническим уплотнением равно площади конической щели между клапаном и седлом.

, (16.13)

где d₁ – наружный диаметр клапана;

h_кл – ход клапана; a_j – угол фаски клапана.

Максимальная высота подъема клапана в автомобильном двигателе h_кл = (0,16...0,24)d_г. Для угла 45° h_кл берут по верхнему пределу.