VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

В практике автомобилестроения и в частности, например, в конструкции ДВС легковых автомобилей различных моделей Москвич и Жигули (рис.1) нашли широкое применение различные по устройству газораспределительные механизмы (ГРМ) [1,2]

Так, ГРМ ДВС автомобиля «Москвич – 2140» состоит из клапанов, которые приводятся в движение коромыслами, взаимодействующими с кулачками распределительного вала приводимого в движение втулочной цепью от коленчатого вала двигателя. Несмотря на свою эффективность использования такой газораспределительный механизм обладает следующими существенными недостатками: во-первых он сложен по конструкции и во-вторых имеет низкую надежностью клапанов, так как в случае отказа цепной передачи, последние начинают

взаимодействовать с поршнями за счет заклинивания распределительным валом коромысел.

Рис.1

В этом случае происходит потеря устойчивости стержней клапанов и поэтому в дальнейшем двигателю требуется дорогостоящий ремонт.

У двигателя автомобиля ВАЗ–2108 газораспределительный механизм более прост по конструкции, за счет исключения из него коромысел, однако наличие зубчатого ремня привода распределительного вала и возможного его отказа в процессе эксплуатации недостаток, указанный для ДВС автомобиля Москвич – 2140, присущ и этому типу двигателей.

Учитывая актуальность проблемы, в части совершенствования конструкции ГРМ для ДВС используемых в различных моделей как легковых, так и грузовых автомобилей, в ЕГУ им. И.А.Бунина на кафедре прикладной механики и инженерной графики на протяжении ряда лет проводится бюджетная НИР на тему «Динамика, прочность и надёжность транспортных, строительно-дорожных и сельскохозяйственных машин, а также стандартного промышленного и нестандартного оборудования используемого в Чернозёмном регионе Российской федерации» и одним из её разделов является направление, связанное с совершенствованием конструкции ДВС применяемых в различной транспортной технике и созданных на уровне изобретений.

Анализ многочисленных библиографических источников, а также отечественных и зарубежных патентов позволил разработать на уровне изобретения (RU2500896) перспективную конструкцию газораспределительного механизма для ДВС обладающего повышенной эффективностью использования в сравнении с известными техническими решениями.

Так на рис.2 показан газораспределительный механизм в разрезе поперечной вертикальной плоскостью, на рис.3 его кинематическая схема вид по стрелке А фиг.1, на рис.4 деталь сопряжения коромысла и стержня клапана и на рис. 5 тот же узел но в перспективе.

Рис.2 Рис.3

Рис.4 Рис.5

Газораспределительный механизм состоит из головки цилиндров 1 присоединённой к блоку цилиндров 2 . В головке цилиндров 1 выполнен впускной трубопровод 3 и выпускной трубопровод 4, а также в направляющих в втулках 5 впускной клапан 6 и выпускной клапан 7. Впускной клапан 6 и выпускной клапан 7 на своих стержнях 8 и 9 снабжены сферической формы выступами 10, которые подвижно расположены в корпусах чашеобразной формы 11, имеющие канавки 12 для размещения в них замков 13. Корпуса чашеобразной формы 11 жестко закреплены на коромыслах 14 и 15 расположенных с возможностью угловых поворотов совместно с упругими осями 16 снабжённых шлицами 17. Упругие оси 16 установлены в опорах 18 также с помощью шлицев 19. Коромысла 14 и 15 контактируют с кулачками 20 жестко закреплёнными на распределительном валу 21 подвижно установленным в головке цилиндров 1. Привод распределительного вала 21 осуществляется цепной передачей 22 от коленчатого вала ДВС, которых на чертежах не показан.

Работает газораспределительный механизм ДВС следующим образом. При работе ДВС под действием вращающего момента его коленчатого вала (на рисунках он не показан), последний, через цепную передачу 22 , передает его на распределительный вал 21, который за счет наличия на нем кулачков 20 приводит в действие коромысла 14 и 15 производящие открытие или закрытие впускного 6 и выпускного 7 клапанов газораспределительного механизма. Рассмотрим подробнее работу, например, впускного клапана 6 (см. рис.2 и рис.3) расположенного первым слева в нижней части рис.3. В этом случае кулачок 20 распределительного вала 21 расположенный также слева (рис.3) набегает на коромысло 14 и упруго закручивает на определённый угол его упругую ось 16, которая может быть выполнена, например, из пружинной стали 60С2А по ГОСТ 14959-7. Такая угловая деформация упругой оси 16 происходит за счет её заделки в шлицах 17 и 19 расположенных на последней и опорах 18 головки цилиндров 1 (см. участок l рис.3). Это позволяет переместить впускной клапан 6 в направлении стрелки А (см. рис.2) , что в итоге обеспечивает проход рабочей смеси из впускного трубопровода 3 в цилиндр 23 блока цилиндров 2 по стрелке В. Следует отметить, что описанная конструкция упругой оси 16, один из концов которых, например, защемлен, широко известна практике и называется торсионом, и используется в рессорном подвешивании локомотивов. После того как указанный кулачок 20 прекратит воздействие на коромысло 14, последнее под действием упругих сил, вызвавших закрутку его упругой оси 16 , возвращается в исходное положение такое, как это показано на рис.2 при этом, одновременно в это же положение переходит и клапан 6, так как он с помощью кинематической пары образованной сферической формы выступом 10 и корпусам чашеобразной формы 11, связанных между собой замком 13, являются целым конструкционным элементом. Подобным образом работает и всё другие впускные клапаны 6. Работа же выпускных клапанов 7 также заключается в перемещении их по стрелке С коромыслом 15 , что способствует так же упругой закрутке его оси 16 , но на участке l₁ (см. рис.3), что позволяет отработанным газам поступать из цилиндра 23 в выпускной трубопровод 4 по стрелкам Е. Далее описанные процессы могут повторяться неоднократно.

Технико-экономическое преимущество предложенного технического решения в сравнении с известными, очевидно, так как оно более простое по конструкции и исключает использование пружин сжатия применяемых при закрытии клапанов.

Приведем пример численного расчета геометрических и кинематических параметров одного из участков упругой оси 16 (рис.2 и рис.3) выполненного в следующей последовательности. Исходя из того, что, например, в серийной конструкции ДВС автомобиля ВАЗ-2108 пружинный комплект одного клапана управления коромыслом расположенном на оси упруго деформируется в статике при прогибе f = 36 мм усилием N = 800,0 Н и имеет жёсткость С = 2,56кг/мм. Известно, что, рабочая нагрузка N_д (динамическая) при работе ДВС не превышает 0,25% от статической нагрузки, т.е. в данном случае 200 Н. Тогда суммарная нагрузка на пружину, а, следовательно, и на коромысло управления клапаном составит N_Σ= N_CT+ N_д = 800,0 + 200 = 1000 Н. В этом случае момент, приложенный к упругой оси (позиция 16 рис.1), будет равен М_кр = N_Σl₁ = 1000·0,05 = 50 Н·м, где l₁ = 0,05 м длина плеча коромысла. Следует также отметить, что упругая ось должна быть выполнена полой, так как полый канал служит для прохода смазки к её опорам, и тогда наружный диаметр упругой оси кольцевого сечения будет равен:

,

где: [τ] = 400МПа согласно ГОСТ 14959-79 напряжение соответствующее материалу сталь 65С2ВА;

l₁- длина консоли коромысла, принята равной 50мм;

с = d_внтр/d_нар – индекс диаметра упругой полой оси.

Окончательно примем наружный диаметр полой упругой оси равным 15,0 мм, а внутренний диаметр 4,0 мм.

Исходя из конструктивных соображений зададимся длиной рабочих частей пустотелой упругой оси находящихся между коромыслом 15 и опорой 18 (рис.3) l = 60мм и тогда угол закручивания участка оси при статическом её нагружении составит:

.

Проверим торсион по условию прочности на кручение по зависимости:

Следовательно, прочность оси обеспечена так как τ ≤ [τ].

Теперь определим перемещение коромысла, а, следовательно, и от действия статической нагрузки приложенной к полой упругой оси по формуле:

Как было отмечено выше, что когда ДВС находится в рабочем режиме к клапану от коромысла ещё передаётся и дополнительная динамическая нагрузка = 200 Н и тогда угол закручивания упругой полой оси в этом случае составит:

,

а перемещение коромысла от такого динамического нагружения будут:

В итоге перемещение клапана от воздействия на него коромысла закреплённого на упругой полой оси составит Δ_Σ = 19,0 + 3,14 = 22,14 мм.

Для автоматизации расчётов с применением ЭВМ, разработана программа с использованием языка Delphi позволяющая проектировать предложенное техническое решение для других типов и моделей двух и четырёхтактных ДВС.

Результаты исследования рекомендуются отечественным и зарубежным научным и производственным структурам проектирующим, изготавливающим и модернизирующим различные по назначению двухтактные и четырёхтактные ДВС для возможного внедрения перспективного газораспределительного механизма в практику.

Библиография

1. Глаголев Н.М. и др. Тепловозные двигатели и газовые турбины. Трансжелдориздат. Москва. 1957.-460с.

2. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей/Под.ред. А.С. Орлина и М.Т. Круглова.- М.: Машиностроение. 1990.- 288с.

3. Конструирование впускных и выпускных каналов двигателей внутреннего сгорания./ Б.Х. Дроганов., М.Г. Круглов, В.С. Обухова – К.: Вищашк. Головное Изд-во, 1987. -195с.

1. Орлов П.И. Основы конструирования: Справочно-методическое пособие, В 2-х кн. Кн 2. Под ред. П.Н. Усачёва.- 3-е изд., исправл. – М.: Машиностроение, 1988.-544с.

6. Пономарев С.Д., Андреева Л.Е. Расчёт упругих элементов машин и приборов. М.: Машиностроение 1980. – 326с

Код для цитирования: Скопировать