VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Обычно все газораспределительные механизмы (ГРМ) ДВС автомобилей (рис.1) состоят из впускного и выпускного клапанов, каждый из которых выполнен в виде стержня, плавно переходящего в головку, и последняя, по своей образующей, снабжена рабочей поверхностью, взаимодействующей с седлом клапана, запрессованным в блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания. Стержни клапанов подвижно расположены в направляющих втулках блока цилиндров.

Каждый из клапанов подпружинен относительно блоков цилиндров и управляется с помощью толкателей, взаимодействующим с распределительным валом ДВС. С помощью клапанов за четыре хода движения поршня происходит заполнения цилиндров горючей смесью, ее сжатием, горением ее и расширением, и выпуском отработанных газов. Заполнение горючей смесью происходит из всасывающего коллектора, расположенного в блоке цилиндров, а выпуск отработанных газов в выхлопной коллектор. Несмотря на свою эффективность использования, такой механизм газораспределения обладает существенным недостатком заключающемся в том, что в случае возможного отказа в механизме привода распределительного вала, часть клапанов остается открытыми и тогда последние соударяясь с поршнями еще работающего двигателя остаточно деформируется, что приводит к дорогостоящим ремонтам ДВС.

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 используемых в различной транспортной технике и созданных на уровне изобретений.

Анализ многочисленных библиографических источников, а также отечественных и зарубежных патентов позволил разработать на уровне изобретения RU2472007 перспективную конструкцию газораспределительного механизма для ДВС обладающего повышенной эффективностью использования в сравнении с известными техническими решениями.

На рис.2 показан газораспределительный механизм ДВС вид с торца.

Газораспределительный механизм ДВС состоит из распределительного вала 1 с кулачком 2 взаимодействующим с рычагом привода клапана3 со шпилечной пружиной4 и регулировочным болтом5. Рычаг привода клапана3 контактирует с опорной тарелкой6 пружин7 клапана8 снабженного стержнем9. Указанные детали размещены в головке блока цилиндров 10 жестко закрепленной на блоке цилиндров 11.

Работает газораспределительный механизм ДВС следующим образом. В рабочем режиме распределительный вал 1 вращаясь по стрелке А, с помощью привода выполненного в виде зубчатого ремня от коленчатого вала ДВС, периодически своим кулачком 2 входит в контакт с рычагом

привода клапана 3, который воздействует на опорную тарелку 6 сжимая пружину 7, что позволяет клапану 8 со стержнем 9 совершать возвратно поступательные движения по стрелке В, обеспечивая тем самым очистку цилиндра ДВС от отработанных газов движущихся по стрелке С. Однако, в практике известно немало случаев когда зубчатый ремень разрушается и тогда часть клапанов газораспределительного механизма, оказываясь в открытом положении, контактирует с поршнями, которые наносят удары по клапану 8. В результате такого взаимодействия клапаны необратимо могут быть деформированы и двигатель выходит из строя. Учитывая такой характер отказов, предложенное техническое решение позволяет использовать это за счет того, что рычаг привода клапана 3 выполнен из упругого материала, например, стали 65Г, что позволит ему упруго деформироваться от воздействия ударной нагрузки F действующей по стрелке К. Следовательно, важной геометрической характеристикой частиlрычага привода клапана 3 является ее жесткость ЕJпоказатель которой присутствует в формуле по определению прогиба консольнойбалки при ее изгибе, которая имеет вид:y = Fl³ /3EJ.При этом понятно, что рабочее усилие Р, приложенное к клапану со стороны распределительного вала 1 значительно меньше численного значения усилияF, которое может создать поршень и поэтому работоспособность газораспределительного механизма при действии на него усилия Р будет обеспечена. В то же время, в аварийной ситуации за счет соотношения F>Pпрогиб части рычага длиной lсоздаст условия по исключению поломок клапана 8.

Технико-экономическое преимущество предложенного технического решения в сравнении с известным очевидно за счет сохранения работоспособности газораспределительного устройства в отказесвязанного с разрушением ремня привода распределительного вала.

Анализ предложенной конструкции ГРМ ДВС показывает, что важным моментом является выбор материала длярычагов привода клапана3 обладающего упругими свойствами и работающего в области возникновения циклических нагрузок. При оценке прочности и упругой деформации рычага 3 рассмотрим случай, когда кулачок 2 является одной опорой балки, другая опора которой расположена на регулировочном болту 5 (см.рис.1) и третья части балки является консолью длиной l, и к концу её приложена динамическое усилие Р возникшее при аварийной ситуациикогда произошёл отказ механизма привода распределительного вала. В этом случае необходимо обеспечить соответствующий прогибу указанной консоли за счёт её возможной упругой деформации также, исключая её поломку. Для определения такого геометрического параметра используем следующие данные привязанные, например, к ДВС легкового автомобиля ВАЗ - 2107 .

1. Мощность двигателя 54,8кВт при n= 5000 мин^-1;

2. Крутящий момент 120Н·мприn= 3000 мин^-1;

3. Максимальное усилие, которое может оказать поршень на клапан с учётом динамики такого воздействия Р_Д= 108 кГ = 1,080 кН;

4. Ширина сечения консоли b= 5 мм;

5. Высота сечения консоли h = 6 мм;

6. Момент инерции сечения консоли J= 0,0042 см⁴;

7. Модуль упругости материала консолиЕ = 2,2·10⁶кГ/см²:

8. Длина консоли l = 6 см;

9. Рабочая нагрузка на пружинный комплект клапана Р_КЛ = 135 Н;

10. Суммарная жёсткость пружин клапана С = 16,5Н/мм;

11. Ход клапана Н = 8,0 мм.

Для определения стрелы прогиба консоли увозникающей при её изгибеиспользована известная зависимость [2]:

.

В результате проведённых расчётов оказалось, что в случае возникновения аварийной ситуации, когда выходит из строя механизм привода клапанов, при ударной нагрузке 1,080 кН поршня о зависший клапан, консоль рычага управления клапаном может получить прогиб в 8,4 мм, что при нормальном ходе клапана в 8,0 мм, последний переместится на указанную величину, обеспеченную с запасом в 0,4 мм. В рабочем же состоянии прогиб рычага на участке его консоли длиной l не превышает величины 0,2 мм, что характерно в практике, когда рекомендуется создавать примерно такой зазор между стержнем клапана и коромыслом, который компенсирует тепловое нагружение такой кинематической пары.

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.Стеблев Н.М. современный автомобиль. Издательство ДОСААФ М., 1995 г.

2. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. – М.: Высшая школа. 1986 – 346с.

Код для цитирования: Скопировать