Выбор характеристики пружины

Пружина должна удерживать клапан в закрытом положении и обеспечивать кинематическую связь между движущимися деталями механизма в течение второго и третьего периодов движения, когда силы инерции клапана и других подвижных деталей стремятся оторвать толкатель от кулачка.

Плотная посадка клапана обеспечивается:

для выпускного клапана при

,

где − минимальное усилие пружины при закрытом клапане; − площадь горловины; и — давление газов соответственно в выпускном трубопроводе и в цилиндре при впуске. В бензиновых двигателях разность давлений ()достигает 0,05 − 0,07 МПа, а в дизелях − 0,02 − 0,03 МПа;

для впускного клапана в двигателях без наддува практически при любом минимальном усилии пружины, а в двигателях с наддувом при

,

где и − давление газов соответственно во впускном трубопроводе (давление наддува) и в цилиндре при выпуске.

Для обеспечения кинематической связи между деталями клапанного механизма необходимо, чтобы сила упругости пружины оставалась больше приведенной к клапану силы инерции механизма при движении толкателя с отрицательным ускорением на любом возможном скоростном режиме работы двигателя:

,,

где − коэффициент запаса, который учитывает возможность увеличения частоты вращения коленчатого вала двигателя от до , ограничиваемого регулятором или ограничителем частоты вращения, а также возможность вибрации пружины, при наличии которой сила может изменяться в значительных пределах (для дизелей при наличии механических центробежных регуляторов k= 1,28−1,52, для бензиновых двигателей K= 1,33−1,66); − приведенная к клапану сила инерции механизма при движении толкателя с отрицательным ускорением.

Усилие пружины будет минимальным, если на протяжении всего участка движения клапана с отрицательным ускорением коэффициент запаса остается постоянным.

Расчет пружины клапана сводится к выбору характеристики пружины, проверке ее минимального усилия при закрытых клапанах, выбору размеров пружины, определению ее запаса прочности и частоты собственных колебаний.

На рис. 7 представлен графический способ определения характеристики пружины.

Строят кривую подъема клапана и под ней кривую сил инерции поступательно движущихся масс на втором участке движения клапана. Задавшись необходимой величиной коэффициента запаса строят кривую силы пружины

,

направление которой противоположно силе инерции . Справа от кривой проводят вертикальную ось деформации пружины, а вправо от нее − горизонтальную ось силы пружины. Из точек , , проводят горизонтальные линии, на которых вправо от выбранной вертикальной оси откладывают соответствующие ординаты кривой .

Кривая, соединяющая полученные таким образом точки , представляет собой зависимость силы пружины от перемещения клапана, т. е. характеристику пружины, соответствующую постоянному значению коэффициента . Проведя через точки и прямую до пересечения с вертикальной осью (точка ), получают характеристику реальной пружины, обеспечивающей заданный коэффициент запаса в точках , кривой перемещения клапана. Отрезок, отсекаемый прямой на горизонтальной оси, соответствует силе пружины при закрытом клапане (), т. е. силе предварительной затяжки; отрезок, отсекаемый на вертикальной оси от точки до оси абсцисс, представляет собой деформацию пружины при закрытом клапане, а проекция прямой на вертикальную ось – максимальную деформацию пружины . На прямой к вертикали в масштабе диаграммы характеризует жесткость пружины .

В некоторых случаях выполнить условие равенства коэффициента запаса для начала и конца участка с отрицательным ускорением невозможно; например, в случае, когда закон движения клапана задан алгебраическим полиномом. В таких случаях обеспечивают необходимый запас силы пружины в начале участка с отрицательным ускорением, а характеристику пружины выбирают из условия получения приемлемых значений жесткости и максимальной силы. Следует иметь в виду, что при заданной максимальной силе наименьшие размеры пружины получаются в случае, когда .

В существующих двигателях это отношение находится в пределах 1,6 – 3,2. Для выпуклого кулачка с плоским толкателем характеристику пружины можно подобрать непосредственно по параметрам кулачка.