Метод расчета клапанной пружины

Конструкция клапанной пружины так же важна для работы системы двигателя, как и конструкция кулачка. Функции пружины клапана включают предотвращение смещения клапана с седла клапана под нагрузкой давления газа и управление движением клапана для предотвращения отделения клапанного механизма. Конструкция клапанной пружины влияет на напряжение кулачка, трение клапанного механизма и флаттер пружины. Клапанные пружины двигателя обычно представляют собой открытые-винтовые винтовые пружины сжатия с закрытыми концами. В большинстве двигателей используются пружины с постоянной-жесткостью, хотя в некоторых используются пружины-с переменной жёсткостью. Для низкоскоростных дизельных двигателей обычно достаточно конструкции с одной пружиной, но иногда требуется конструкция с двойной пружиной с демпфирующей пружиной или внутренней пружиной, чтобы уменьшить выраженность вибрации клапанной пружины. Проектирование клапанной пружины – очень сложная задача. Он служит примером, иллюстрирующим принципы проектирования систем двигателя по двум или трем причинам. Во-первых, метод аналитического проектирования пружин показывает связь между параметрами конструкции компонентов и параметрами конструкции системы. Во-вторых, метод аналитического проектирования пружины показывает, что одну и ту же проблему проектирования можно сформулировать двумя разными способами: один — рассматривать ее как детерминированное решение, а другой — решать ее как задачу оптимизации. В математическом построении задачи оптимизации как целевая функция, так и функция ограничений приводятся в качестве примеров явных функций. Следует отметить, что в других областях проектирования систем двигателя (таких как характеристики цикла, конструкция кулачков и динамика клапанного механизма) функции, используемые для построения оптимизации, обычно представляют собой более сложные неявные функции. В-третьих, метод аналитического проектирования пружины дает пример использования методов графического проектирования для построения диаграмм проектирования с разверткой параметров. Эти типичные диаграммы параметров можно использовать для решения многомерных проблем проектирования, часто встречающихся при проектировании систем дизельных двигателей.
В конструкции клапанной пружины известные входные данные включают в себя следующее:
① Максимальный подъем клапана;
② Учитывая длину установки пружины;
③ Требуемая предварительная нагрузка пружины
④ Требуемая жесткость пружины. Следует отметить, что предварительная нагрузка и жесткость пружины являются расчетными параметрами на уровне системы двигателя, которые должны соответствовать требованиям максимально допустимой силы пружины и напряжения кулачка, не-плавающего выпускного клапана и не-плавающего механизма клапанного механизма. Существует тесная взаимосвязь между конструкцией клапанной пружины и конструкцией кулачка. Если при проектировании пружины найти решение сложно, эти входные данные необходимо изменить.
В конструкции клапанной пружины расчетными выходными данными являются следующие параметры:
① Основные или независимые параметры конструкции пружины (т. е. средний диаметр пружины, диаметр проволоки витка пружины, количество рабочих витков);
② Производные расчетные параметры (например, длина пружины в свободном состоянии, максимальная длина сжатия, длина в сжатом состоянии, свободный зазор между витками, сплошной зазор между витками при максимальном сжатии, собственная частота пружины и порядок флаттера, максимальная нагрузка пружины, максимальная сила кручения пружины). Основные параметры конструкции пружины определяют жесткость пружины.
Некоторые выходные параметры подлежат конструктивным ограничениям. Например, установочная длина и средний диаметр пружины ограничены упаковочным пространством. Напряжение скручивания пружины при максимальном сжатии пружины и сжатой длине ограничивается усталостной долговечностью пружины, ее прочностью и максимально допустимым пределом напряжения. Ограничения на защиту от флаттера пружины достигаются за счет контроля твердого зазора и собственной частоты пружины. Порядок флаттера пружины относится к отношению собственной частоты пружины к рабочей частоте двигателя. Для того, чтобы пружина не сильно трепетала во время работы. Собственная частота пружины клапана обычно должна быть как минимум в 13 раз больше рабочей частоты двигателя; то есть предполагается, что порядок флаттера пружины выше 13. Анализ собственной частоты пружины показывает, что если пружина очень чувствительна к одной из доминирующих гармоник профиля кулачка, существует тенденция к возникновению флаттера. В этом случае необходимо изменить конструкцию кулачка или пружины. Иногда можно использовать пружины переменной жесткости или вложенные пружины, чтобы изменить частоту пружины, чтобы облегчить проблему флаттера.
Проектирование Spring – это многомерная задача, связанная с параметрами-, которую можно решить графически, чтобы изучить тенденции чувствительности параметров. Целью оптимизации конструкции клапанной пружины является максимизация собственной частоты пружины для снижения вибрации пружины при соблюдении следующих ограничений:
① Предварительная нагрузка пружины и жесткость пружины клапана, требуемая системой двигателя;
② Максимально допустимое напряжение пружины;
③ Соответствующий физический зазор для контроля колебаний пружины.