Кулачок привода клапана

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в механизме газораспределения двигателя внутреннего сгорания. Техническим результатом изобретения является динамическая настройка кулачка на основе формирования, имеющего два максимума участка положительных значений второй производной перемещения толкателя по углу поворота кулачка. Кривая второй производной перемещения толкателя по углу поворота кулачка, образующая его профиль, состоит из участка положительных 1, 2 и участка отрицательных 3, 4 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 1, 2 и конце участка отрицательных значений 3, 4. 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 с учетом того, что при заданной величине угла поворота кулачка (т. 5 на фиг.) на участке положительных значений второй производной ее значение равно заданной величине 1 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 разрывность кривой третьей производной от перемещения толкателя по углу поворота кулачка в точках стыка участков, что отрицательно сказывается на динамических качествах клапанного привода.

Кроме того, фиксированная форма кривой второй производной или ее участков значительной протяженности препятствует совершенствованию процессов газообмена в двигателе при ограничениях на максимальное положительное значение второй производной и снижает эффективность кулачка, определяемую площадью под кривой перемещения толкателя (Корчемный Л.В. Механизм газораспределения автомобильного двигателя. - М.: Машиностроение, 1981, с. 175).

Так, например, у полидинамического кулачка, характерной особенностью которого является наличие двух максимумов на участке положительного ускорения толкателя с целью подавления колебаний в приводе на расчетном режиме, вся кривая ускорения описывается одним полиномом (Корчемный Л.В. Механизм газораспределения автомобильного двигателя. - М.: Машиностроение, 1981, с. 176). При этом форма кривой ускорения не может варьироваться в широких пределах, что, наряду с отмеченным выше недостатком, препятствует получению достаточной полноты диаграммы перемещения толкателя в сочетании с удовлетворением ряда дополнительных требований к кулачку, к которым следует отнести ограничение радиуса кривизны на вогнутом участке профиля, ограничение контактного напряжения, угла давления в паре кулачок-толкатель, обеспечение гидродинамических условий смазки кулачковой пары, учет газодинамических явлений на впуске, формирование участка отрицательного ускорения толкателя из условия постоянства запаса усилия клапанных пружин. Последнее обстоятельство обусловлено тем, что ускорение толкателя, задаваемое единым полиномом на всем рабочем участке профиля кулачка, имеет предельное значение, удовлетворяющее тому или иному ограничению, лишь в одной точке профиля. В то же время в других точках имеется запас, снижающий в итоге полноту диаграммы перемещения толкателя.

Известен также кулачок клапанного привода (а.с. СССР N 335425, F 01 L 1/08, 1972, БИ N 13), 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.

Следует также отметить, что и здесь невозможность варьирования в широких пределах формы кривой ускорения толкателя снижает полноту диаграммы его перемещения при учете ряда упомянутых выше требований к кулачку.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является кулачок клапанного привода (Патент Российской Федерации N 1740711, кл. F 01 L 1/08, 1992, БИ N 22), содержащий поверхности подъема и опускания, образованные кривой второй производной перемещения толкателя по углу поворота кулачка и состоящие из участка положительных и участка отрицательных значений. При этом, 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.

При этом кривая ускорения толкателя формируется пошагово с задаваемым малым шагом по углу поворота кулачка с учетом ряда ограничений, и не описывается заранее заданной аналитической зависимостью.

Недостатком данного кулачка является невозможность формирования участка положительных значений второй производной с двумя максимумами, позволяющими осуществить динамическое подавление возникающих в приводе клапана колебаний. Это объясняется тем, что алгоритм формирования закона перемещения толкателя обеспечивает максимизацию значений второй производной на участке положительных значений в точках стыка смежных отрезков при выполнении ряда ограничений.

Задачей данного изобретения является снижение виброактивности кулачка.

Техническим результатом изобретения является динамическая настройка кулачка на основе формирования имеющего два максимума участка положительных значений второй производной перемещения толкателя по углу поворота кулачка.

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 значение второй производной равно заданной величине внутри участка положительных значений при заданной величине угла поворота кулачка.

Данный технический результат достигнут за счет введения дополнительного по сравнению с прототипом ограничения на производную второго порядка от перемещения толкателя по углу поворота кулачка. Оно состоит в том, что значение производной второго порядка в заданной точке участка ее положительных значений равно заранее заданной величине. При этом максимизация положительных значений второй производной в точках стыка смежных отрезков дает возможность формирования двух максимумов на участке положительных значений второй производной: до и после заранее задаваемой величины угла поворота кулачка, при которой заранее задается соответствующая величина второй производной.

Приведенный заявителем анализ техники, включающий поиск по патентным и научным источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявляемого изобретения требованиям изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

На чертеже приведен пример реализации заявляемого технического решения - кривая второй производной от перемещения толкателя s'' по углу поворота кулачка ϕ, образующая профиль его участка подъема.

Участок 01 соответствует сбегу кулачка, который, как известно, предназначен для выборки теплового зазора. Сбег может и отсутствовать (например, в случае применения гидравлического толкателя). В дальнейшем речь будет идти о так называемом рабочем участке профиля 1,4 (за исключением сбега).

Кривая второй производной (см. чертеж) 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 где s⁽_i^k) - производная k-го порядка (k > 2) в i-й точке стыка отрезков; s⁽_i^k-1), s^(k-_i-1¹⁾ - производные (k-1)-го порядка соответственно в 1-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.

Кроме того, в точке 5, отстоящей от точки 1 на задаваемую величину ϕ_I угла поворота кулачка, обеспечивается равенство второй производной s'', задаваемой величине Рассмотрим пример реализации заявляемого технического решения. Участки положительных 1, 2 (см. чертеж) и отрицательных 3, 4 значений второй производной представляют собой кусочно-линейные функции, сформированные из отрезков пошагово с достаточно малым шагом 0,5 градуса 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 рассматриваемом 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 (соответствуют концу участка сбега 01), s''' = 600 мм/рад³, а в точке участка 3, 4 были заданы следующие начальные условия: s = 10 мм, s' = 0 мм/рад, s'' = -21 мм/рад², s''' = 0 мм/рад². При этом были наложены следующие ограничения на производные от перемещения толкателя по углу поворота кулачка -21 мм/рад² ≅ s'' ≅ 50 мм/рад²; -600 мм/рад³ ≅ s''' ≅ 600 мм/рад³; -5000 мм/рад⁴ ≅ s'''' ≅ 5000 мм/рад⁴; В качестве дополнительного ограничения было принято = 13 мм/рад² при ϕ_I= -62 град.

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 вышеприведенного ограничения на вторую производную в заданной точке участка ее положительных значений. При этом значения скорости и перемещения толкателя в точках стыка смежных отрезков определяются путем численного интегрирования таблично заданных функций соответственно ускорения и скорости.

Величина второй производной выбирается таким образом, чтобы слева и справа от точки 5 формировались максимумы второй производной s'' на участке ее положительных значений (см. чертеж), что обусловлено максимизацией положительных значений s'' в точках стыка смежных отрезков.

Следует отметить, что эффективная динамическая настройка кулачка с целью подавления возникающих в приводе колебаний возможна лишь при правильном выборе параметров при заданных значениях ограничений на высшие производные. Их величины в значительной степени зависят, например, от частоты вращения распределительного вала и частоты собственных колебаний клапанного привода. Величины могут быть выбраны на основе оптимизационного перебора в заданных диапазонах в сочетании с прямым моделированием колебательных процессов в клапанном механизме на адекватных математических моделях с целью минимизации амплитуды колебаний клапана.

Из сказанного следует, что формирование профиля кулачка аналогично используемому в прототипе и отличается только учетом дополнительного ограничения на вторую производную в заданной точке участке ее положительных значений.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий: средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в машиностроении; для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте нижеизложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке средств и методов; средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.

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 значение второй производной равно заданной величине внутри участка положительных значений при заданной угла поворота кулачка.

РИСУНКИ

Рисунок 1