Кулачок привода клапана

 

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: кривая второй производной перемещения толкателя по углу поворота кулачка, образующая его профиль, состоит из участка положительных и участка отрицательных значений. Участки выполнены в виде кусочно-линейных функций угла поворота кулачка, содержащих конечное число отрезков с наперед заданными начальными условиями в начале участка положительных значений и конце участка отрицательных значений. При этом значения второй производной в точках стыка смежных отрезков по модулю максимальны при выполнении ограничений на производные второго и более высоких порядков, а также ограничения на угол давления в паре кулачок - толкатель. 3 ил.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в механизме газораспределения двигателя внутреннего сгорания.

Известен кулачок привода клапана (Корчемный Л.В. Механизм газораспределения автомобильного двигателя. М. Машиностроение, 1981, с. 171-185), профиль которого определяется заданным законом движения толкателя. При этом неразрывная кривая второй производной перемещения толкателя по углу поворота кулачка состоит из одного или нескольких участков, каждый из которых описывается заданной аналитической зависимостью.

Недостатком такого кулачка является фиксированная форма кривой второй производной или ее участков значительной протяженности, что препятствует совершенствованию процессов газообмена в двигателе при ограничениях на максимальное положительное значение второй производной и снижает эффективность кулачка, определяемую площадью под кривой перемещения толкателя. Кроме того, разрывность кривой третьей производной от перемещения толкателя по углу поворота кулачка в точках стыка участков отрицательно сказывается на динамических качествах клапанного привода.

Известен также кулачок клапанного привода (авт.св. N 335425, кл. F 01 L 1/08, 1972), имеющий поверхность подъема и поверхность опускания, каждая из которых образована кривой второй производной перемещения толкателя по углу поворота кулачка, состоящей из участка положительных и участка отрицательных значений. При этом кривая третьей производной непрерывна в пределах участка основного движения толкателя (не включающего сбег и участок верхнего выстоя). Кроме того, с целью увеличения площади под кривой перемещения толкателя предусмотрен его верхний выстой.

Недостатком известного кулачка привода клапана является следующее: на стыке участков движения и верхнего выстоя толкателя имеются разрывы третьей производной, что может привести к повышенным динамическим нагрузкам. Кроме того, участок положительных значений второй производной имеет жестко заданную форму, так как описывается полуволной синусоиды. Это ограничивает возможности совершенствования процессов газообмена, так как, например, увеличение площади под кривой перемещения толкателя при неизменных фазах газораспределения или сужение фаз при неизменной площади под кривой перемещения может привести к значительному росту максимального значения второй производной и повышенным динамическим нагрузкам.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является кулачок клапанного привода, содержащий поверхности подъема и опускания, образованные кривой второй производной перемещения толкателя по углу поворота кулачка и состоящие из участка положительных и участка отрицательных значений. С целью повышения эффективности и снижения динамических нагрузок участки выполнены в виде кусочно-линейных функций угла поворота кулачка, содержащих конечное число отрезков с наперед заданными начальными условиями в начале участка положительных значений и конце участка отрицательных значений, а значения второй производной в точках стыка смежных отрезков по модулю максимальны при выполнении ограничений на производные второго и более высоких порядков.

Недостатком данного кулачка является невозможность учета ограничения на угол давления в паре кулачок-толкатель. Вследствие этого при значительных по модулю величинах угла давления возможно снижение КПД кулачковой пары, рост затрат мощности на привод клапанов и в предельном случае заклинивание механизма.

Следует отметить, что выполнение ограничения на угол давления в паре кулачок-толкатель может быть достигнуто у известного кулачка путем варьирования ограничений на производные от перемещения толкателя по углу поворота кулачка. Однако при этом возможно заметное снижение его эффективности, определяемой площадью под кривой подъема толкателя.

Задачей изобретения является обеспечение эффективной работы клапанного привода, определяемой площадью под кривой перемещения толкателя, в сочетании с кинематической работоспособностью и высоким КПД кулачкового механизма.

Техническим результатом изобретения является увеличение площади под кривой перемещения толкателя при удовлетворении ограничению на угол давления в паре кулачок-толкатель.

Это достигается тем, что у кулачка привода клапана механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания, содержащего поверхности подъема и опускания, образованные второй производной перемещения толкателя по углу поворота кулачка и состоящие из участка положительных и участка отрицательных значений, участки выполнены в виде кусочно-линейных функций угла поворота кулачка, содержащих конечное число отрезков с наперед заданными начальными условиями в начале участка положительных значений и конце участка отрицательных значений, а значения второй производной в точках стыка смежных отрезков по модулю максимальны при выполнении ограничений на производные второго и более высоких порядков, причем значения второй производной в точках стыка смежных отрезков по модулю максимальны также при выполнении ограничения на угол давления в паре кулачок-толкатель.

Данный технический результат достигнут за счет введения дополнительного по сравнению с прототипом ограничения на угол давления в паре кулачок-толкатель при максимизации модулей значений второй производной. Это позволяет получить такой закон движения толкателя, при котором ограничение на угол давления в паре кулачок-толкатель является активным на участке профиля кулачка значительной протяженности (т.е. этот угол принимает здесь наибольшее допускаемое значение).

В то же время у известного кулачка предельное допускаемое значение угла давления в паре кулачок-толкатель может быть достигнуто только в одной или нескольких точках за счет варьирования ограничений на высшие производные. Это приводит к тому, что предлагаемый кулачок по сравнению с известным обеспечивает более высокие по модулю уровни ускорения толкателя и, как следствие, большую площадь под кривой перемещения толкателя при той же протяженности рабочего участка профиля и заданных требованиях к углу давления в паре кулачок-толкатель.

На фиг. 1 изображена кривая второй производной от перемещения толкателя s" по углу поворота кулачка ϕ, образующая профиль его участка опускания; на фиг. 2 и 3 соответствующие кривые угла давления χ и перемещения толкателя s по углу поворота кулачка ϕ. Кроме того, для сравнения изображены штриховыми линиями соответствующие зависимости для известного технического решения, обеспечивающего то же самое максимальное значение угла давления в паре кулачок-толкатель.

Кривая второй производной (фиг.1) состоит из участка положительных 1, 2 и участка отрицательных 3, 4 значений. Участки 1, 2, 3 и 4 выполнены в виде кусочно-линейных функций угла поворота кулачка, содержащих конечное число отрезков с наперед заданными начальными условиями в начале участка положительных значений 1, 2 (точка 1) и конце участка отрицательных значений 3, 4 (точка 4).

Значения второй производной в точках стыка смежных отрезков по модулю максимальны при выполнении ограничений на производные второго и более высоких порядков, которые определены соотношением s⁽_i^k)= где s_i^(k) производная k-го порядка (k > 2) в 1-й точке стыка отрезков; s_i^(k-1), s_i-1^(k-1) производные (k-1)-го порядка соответственно в i-й и (i-1)-й точках стыка отрезков; ϕ_i, ϕ_i-1 углы поворота кулачка соответственно в i-й и (i-1)-й точках стыка отрезков, а также ограничения на угол давления в паре кулачок-толкатель, вычисляемый по известным формулам в зависимости от кинематической схемы механизма (Корчемный Л.В. Механизм газораспределения автомобильного двигателя. М. Машиностроение, 1981, с. 36-48).

П р и м е р. Профилирование кулачка осуществлялось для схемы кулачкового механизма с рычагом, имеющим цилиндрическую поверхность контакта. В этом случае значение угла давления вычисляется по известной формуле χ arctgtgχ_ц- где r_T радиус контактной цилиндрической поверхности толкателя; b радиус качания рычага толкателя; χ_ц- угол давления для центрового профиля кулачка, который, в свою очередь, вычисляется по формуле χ_ц= arctg где R радиус, равный сумме радиуса начальной окружности кулачка r₀, радиуса контактной цилиндрической поверхности толкателя r_T и перемещения толкателя s; β угол поворота кулачка, отсчитываемый по линии, соединяющей центры вращения кулачка и цилиндрической поверхности толкателя; а расстояние между осями вращения кулачка и качания рычажного толкателя;
Θ угол между линией, соединяющей центр цилиндрической поверхности контакта рычага толкателя с осью его качания, и линией, соединяющей оси вращения кулачка и качания рычага толкателя.

Угол Θ определяется по известной формуле
Θ arccos
В примере реализации заявляемого технического решения принимались следующие значения упомянутых параметров клапанного привода: а 70 мм; b 54 мм; r_T 25 мм; r₀ 21,5 мм. В качестве ограничения на угол давления в паре кулачок-толкатель было принято: χ|≅32^о
Участки положительных 1, 2 (см. фиг.1) и отрицательных 3, 4 значений второй производной представляют собой кусочно-линейные функции, сформированные из отрезков пошагово с достаточно малым шагом 0,5^о по углу поворота кулачка, начиная соответственно от начала участка 1, 2 положительных значений (точка 1) и конца участка 3, 4 отрицательных значений (точка 4), в которых заданы начальные условия: значения перемещения и его производных по углу поворота по (n-1) порядок включительно, где n наивысший порядок производной, на которую наложены ограничения (n > 2).

В примере реализации заявляемого технического решения в точке 1 участка 1, 2 были заданы следующие начальные условия: s 0,3 мм, s' 3 мм/рад, s" 0 мм/рад², sʹʺ -200 мм/рад³, а в точке 4 участка 3, 4 были заданы следующие начальные условия: s 10 мм, s' 0 мм/рад, s" -20 мм/рад², sʹʺ 0 мм/рад³. При этом были наложены следующие ограничения на производные от перемещения толкателя по углу поворота кулачка:
-20 мм/рад² ≅ s" 60 мм/рад²;
-200 мм/рад³ ≅ sʹʺ ≅ 200 мм/рад³;
-3000 мм/рад⁴ ≅ s"" ≅ 3000 мм/рад⁴.

Максимизация площади под кривой перемещения толкателя достигается путем максимизации модулей значений второй производной в точках стыка отрезков на участке положительных 1,2 и участке отрицательных 3, 4 значений второй производной с учетом ограничений на производные второго и более высоких порядков, вычисленных по приведенным соотношениям, а также приведенного ограничения на угол давления в паре кулачок-толкатель. При этом значения скорости и перемещения толкателя в точках стыка смежных отрезков определяются путем численного интегрирования таблично заданных функций соответственно ускорения и скорости.

Из сказанного следует, что формирование профиля кулачка аналогично используемому в прототипе и отличается только учетом на каждом шаге ограничения на угол давления в паре кулачок-толкатель.

На фиг.2 видно, что в диапазоне изменения угла поворота кулачка ϕ от 49 до 51^о ограничение на угол давления в паре кулачок-толкатель χ является активным для предлагаемого технического решения (сплошная линия), а величина χ предельно допускаемой (χ -32^о).

В то же время у известного кулачка такой же угловой протяженности выполнение заданного ограничения на угол давления в паре кулачок-толкатель χ может быть достигнуто только изменением ограничений на высшие производные, например, на вторую производную s" от перемещения толкателя по углу поворота кулачка. При этом предельно допускаемое значение угла давления достигается только в одной точке при ϕ 45^о(см. фиг.2, штриховая линия), а на участке значительной протяженности положительное ускорение уменьшено по модулю, что при заданной угловой протяженности участка опускания 80,9^о приводит к необходимости уменьшения наибольшего перемещения на вершине до 9,77 мм (см. фиг. 3, штриховая линия) и, как следствие, общей площади под кривой перемещения толкателя.

В рассматриваемом примере реализации предлагаемый кулачок обеспечивает увеличение примерно на 4% площади под кривой подъема толкателя по сравнению с известным кулачком.

На фиг. 1 видно, что предлагаемое техническое решение (сплошная линия) обеспечивает значительное увеличение максимального положительного ускорения толкателя (при ϕ 59^о) по сравнению с известным кулачком (штриховая линия), что и обуславливает рост площади под кривой перемещения толкателя. И лишь только в области максимально допустимых значений угла давления χ (ϕ 49-51^о) производится соответствующее уменьшение ускорения толкателя.

В дальнейшем, при ϕ 40-49^о, вновь максимизируется ускорение толкателя в пределах, допускаемых ограничениями на третью и четвертую производные от перемещения толкателя по углу поворота кулачка. Именно наличием этих ограничений объясняется то, что угол давления χ в этой области не достигает предельно допускаемого значения.

Формула изобретения

КУЛАЧОК ПРИВОДА КЛАПАНА механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания, содержащий поверхности подъема и опускания, образованные второй производной перемещения толкателя по углу поворота кулачка и состоящие из участка положительных и участка отрицательных значений, при этом участки выполнены в виде кусочно-линейных функций угла поворота кулачка, содержащих конечное число отрезков с наперед заданными начальными условиями в начале участка положительных значений и конце участка отрицательных значений, а значения второй производной в точках стыка смежных отрезков по модулю максимальны при выполнении ограничений на производные второго и более высоких порядков, отличающийся тем, что значения второй производной в точках стыка смежных отрезков по модулю максимальны также при выполнении ограничения на угол давления в паре кулачок толкатель.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3