Построение профиля кулачка

Мгновенное открытие клапанов в нужный момент времени хотя и является желательным, однако реализовать такое открытие клапана в ДВС невозможно, так как при этом возникают бесконечно большие силы инерции, действующие на детали механизма газораспределения. Поэтому при проектировании механизма газораспределения подбирают такой профиль кулачка, который обеспечивает достаточно большое наполнение цилиндра при допустимых силах инерции. В современных двигателях применяются следующие виды кулачков: выпуклый, тангенциальный, вогнутый, безударный.

Наиболее распространены выпуклый и тангенциальный профили кулачков.

Выпуклый профиль кулачка (в соответствии с рисунком 22,а) образован дугами трех окружностей , и , и применяется в паре с плоским, выпуклым и роликовым толкателем. Тангенциальный кулачек (в соответствии с рисунком 22,б) образован дугами двух окружностей и и двумя прямыми, касательными к этим окружностям.

а) – выпуклый, б) – тангенциальный

Рисунок 22 – Построение профиля кулачка

Построение профиля кулачка ведется от начальной окружности радиуса . Значение величины выбирается из условия обеспечения достаточной жесткости механизма газораспределения и находится в пределах, мм:

= (1,5–2,5) . (113)

Точки А и А' (в соответствии с рисунком 22а) являются точками начала и конца открытия клапана, а угол , задающий положение этих точек, определяется из условия обеспечения принятых фаз газораспределения для проектируемого клапана:

, (114)

где - угол опережения открытия клапанов относительно ВМТ или НМТ;

- угол запаздывания закрытия клапанов относительно этих же точек.

Точка В определяется по условию максимального хода толкателя . Без учета зазоров, при нижнем расположении клапанов = . Это же относится и к верхнеклапанному механизму газораспределения с распредвалом, непосредственно воздействующем на клапан.

При наличии рычагов или коромысел

= · ,

где и - длина плеча коромысла, прилегающая соответственно к толкателю и к клапану.

Отношение выбирается по конструктивным соображениям в пределах 0,5…0,96.

Для выпуклого кулачка значение величины принимается по технологическим соображениям из условия ≥1,5 мм. Если задаемся значением , то значение может быть рассчитано по формуле, мм:

, (115)

где а = + – r₂.

Значение величины обычно находится в пределах =8–20 .

Для тангенциального кулачка =∞. Поэтому для него определяется значение величины, мм

. (116)

Для обеспечения зазора в клапанном механизме тыльную часть кулачка выполняют радиусом , меньше чем на зазор ∆S. Зазор ∆S учитывает температуру и упругую деформацию элементов механизма газораспределения и принимается равным, мм:

для впускных клапанов ∆S_вп = 0,25…0,35,

для выпускных клапанов ∆S_вып = 0,35…0,5.

Угол определяют из условия, что в точке С угол = max и = maх, а = :

. (117)

.

В зависимости от выбранного профиля кулачка и типа толкателя определяем подъем, скорость и ускорение толкателя и клапана.

Для выпуклого кулачка с плоским толкателем:

;

;

;

;

;

, (118)

где ; и – соответственно подъем, м, скорость, м/с и ускорение толкателя м/с² при движении его по дуге радиуса r₁ от точки А к точке С;

; и – соответственно подъем, скорость и ускорение толкателя при движении его по дуге радиуса r₂ от точки С к точке В;

ω_к – угловая скорость кулачка (распредвала), рад/с;

и – текущие значения углов при движении толкателя по дугам окружности r₁ и r₂.

Для тангенциального кулачка с роликовым толкателем:

;

;

;

;

;

, (119)

где r - радиус ролика, мм;

а₁= .

Угол для тангенциального кулачка определяется из условий:

;

.

Задаваясь последовательно различными значениями углов φ_p1 и φ_p2, (угол можно брать с интервалом в 10°), определяют значения h_Т; V_Т и j_Т и результаты расчетов заносят в таблицу 22.

По данным таблицы 22 строят графики пути, скорости и ускорения толкателя, в соответствии с рисунком 23.

Таблица 22

			или	или	1- или а	, мм	, м/с	, м/с2
		-	1,0000	0,0000	0,00000	0,000	0,000	+3946
		-	0,9962	0,0872	0,00380	0,163	1,138	+3930
		-	0,9840	0,1732	0,01596	0,685	2,256	+3880
		-	0,9657	0,2520	0,03330	1,521	3,366	+3805
	-		0,6268	0,7912	8,90600	1,521	3,366	-819
	-		0,7660	0,6428	11,10000	3,600	2,830	-1025
	-		0,8660	0,5000	12,55000	5,050	2,200
	-		1,0000	0,0000	14,50000	7,000	0,000	-1336
	-		0,9848	0,1736	14,27000	6,770	- 0,764	-1314
	-		0,9397	0,3420	13,62000	6,120	- 1,500	-1254
	-		0,6266	0,7912	8,90600	1,521	- 3,366	-819
		-	0,9657	0,2590	0,03330	1,521	- 3,366	+3805
		-	0,9840	0,1732	0,01596	0,685	- 2,256	+3880
		-	0,9962	0,0872	0,00380	0,163	- 1,138	+3930
		-	1,0000	0,0000	0,00000	0,000	0,000	+3946

Рисунок 23 - Графики пути, скорости и ускорения толкателя

7.3 Время – сечение клапана

Диаграмма подъема толкателя, построенная в принятом масштабе в соответствии с рисунком 23, может характеризовать также подъем клапана, если изменить масштаб по оси ординат в соответствии с отношением плеч коромысла:

. (120)

Тогда кривая подъема толкателя может быть эквивалентна диаграмме время - сечения клапана, мм²∙с:

, (121)

где – масштаб времени, с/мм; ;

– масштаб по углу;

n_p = 0,5n_N; n_p и n_N – частота вращения соответственно распредвала и коленвала;

– масштаб площади сечения клапана, мм²/мм;

= ∙2,22∙ ;

– масштаб хода клапана;

– диаметр горловины клапана, мм;

– площадь под кривой подъема толкателя, мм².

Средняя площадь проходного сечения клапана, мм²:

, (122)

где l_a-d – продолжительность такта впуска по диаграмме подъема толкателя, мм.

Средняя скорость потока заряда в седле клапана, м/с:

, (123)

где – средняя скорость поршня, м/с;

F_п – площадь поршня.

Для карбюраторных двигателей = 90…150 м/с;

для дизелей = 80…120 м/с.