Кулачок привода клапана

 

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: 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 ограничения на коэффициент запаса усилия клапанных пружин. 2 ил.

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

Известен кулачок привода клапана, 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 время-сечением клапана. 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, 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 время-сечения клапана при неизменных фазах газораспределения или сужение фаз при неизменном время-сечении 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. 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.

Недостатком данного кулачка является невозможность учета ограничения на коэффициент запаса усилия клапанных пружин, обеспечивающих неразрывность звеньев клапанного механизма в процессе его работы. Вследствие этого при недостаточном значении этого коэффициента возможен разрыв кинематической цепи и неуправляемое движение клапана на участке отрицательного ускорения толкателя, в особенности при наличии колебательных процессов в механизме.

Следует отметить, что выполнение ограничения на коэффициент запаса усилия клапанных пружин 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 кулачкового привода и надежного силового замыкания его звеньев.

Техническим результатом изобретения является увеличение площади под кривой перемещения толкателя при удовлетворении ограничению на коэффициент запаса усилия клапанных пружин.

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 коэффициент запаса усилия клапанных пружин.

Данный технический результат достигнут за счет введения дополнительного по сравнению с прототипом ограничения на коэффициент запаса усилия клапанных пружин при максимизации модулей значений второй производной. Это позволяет получить такой закон движения толкателя, при котором ограничение на коэффициент запаса усилия клапанных пружин является активным на участке профиля кулачка значительной протяженности (т.е. этот коэффициент принимает здесь наименьшее допустимое значение).

В то же время у известного кулачка предельное допускаемое значение коэффициента запаса усилия клапанных пружин 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 подъема толкателя при той же протяженности рабочего участка профиля и заданных требованиях к запасу усилия клапанных пружин.

Приведенный анализ техники, включающий поиск по патентным и научным источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что 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, изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия 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 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, изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

На чертеже приведен пример реализации предлагаемого технического решения (сплошной линией кривой 1). На фиг.1 показана кривая второй производной от перемещения толкателя s'' по углу поворота кулачка ϕ образующая профиль его участка подъема; на фиг.2 соответствующие кривые подъема толкателя s и коэффициента запаса усилия клапанных пружин k по углу поворота кулачка ϕ Кроме того, здесь же для сравнения изображены штриховыми линиями (кривые 2) соответствующие зависимости для известного технического решения, обеспечивающего то же самое минимальное значение коэффициента запаса усилия клапанных пружин.

Кривая второй производной (фиг.1) состоит из участка положительных 1, 2 и участка отрицательных 3, 4 значений. Участки 1-4 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 и конце участка отрицательных значений 3, 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 коэффициент k запаса усилия клапанных пружин, вычисляемый по формуле k где с жесткость клапанных пружин; t передаточное число коромысла; Р_о начальное усилие клапанных пружин; М масса движущихся частей механизма, приведенная к клапану; ω угловая скорость вращения кулачка.

П р и м е р. Профилирование кулачка осуществлялось при следующих значениях параметров кулачкового привода: масса движущихся частей механизма, приведенная к клапану М 0,6 кг; суммарная жесткость клапанных пружин с 34300 Н/м; начальное усилие клапанных пружин Р_о399 Н; передаточное число коромысла t1,34; угловая скорость вращения распределительного вала ω 89,01 рад/с. Заданная угловая протяженность участка подъема составляла 72,2^о угла поворота кулачка.

В качестве ограничения на коэффициент запаса усилия клапанных пружин было принято
k ≥4,66.

Участки положительных 1, 2 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 и конца участка 3, 4 отрицательных значений, 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 в точке 1 участка 1, 2 были заданы следующие начальные условия: s 0,3 мм, s' 3 мм/рад, s'' 0 мм/рад², s''' 500 мм/рад³; а в точке 4 участка 3, 4 были заданы следующие начальные условия: s 10 мм, s' 0 мм/рад, s'' 25 мм/рад²; s''' 0 мм/рад³. При этом были наложены следующие ограничения на производные от перемещения толкателя по углу поворота кулачка:
-25 мм/рад² ≅ s'' ≅ 50 мм/рад²;
-500 мм/рад³ ≅ s''' ≅ 500 мм/рад³;
-3000 мм/рад⁴ ≅ s'''' ≅ 3000 мм/рад⁴.

Максимизация площади под кривой подъема 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 коэффициент запаса усилия клапанных пружин.

Из сказанного следует, что формирование профиля кулачка аналогично используемому в прототипе и отличается только учетом на каждом шаге ограничения на коэффициент запаса усилия клапанных пружин.

На фиг. 2 видно, что в диапазоне изменения угла поворота кулачка ϕ от 0 до -35,5^о ограничение на коэффициент запаса усилия клапанных пружин k является активным для предлагаемого технического решения (сплошная линия), и величина k является здесь предельно допускаемой (k 4,66).

В то же время у известного кулачка такой же угловой протяженности выполнение заданного ограничения на коэффициент k запаса усилия клапанных пружин 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 коэффициента запаса усилия клапанных пружин k достигается только в одной точке при ϕ -38 (см. фиг.2, штриховая линия), а на участке значительной протяженности -38 ≅ ϕ ≅ 0 отрицательное ускорение уменьшено по модулю, что при заданной угловой протяженности участка подъема 72,2^о приводит к необходимости уменьшения наибольшего подъема на вершине до 8,15 мм (см. фиг.2, штриховая линия) и общей площади под кривой подъема толкателя. В рассматриваемом примере реализации предлагаемый кулачок обеспечивает увеличение примерно на 18% площади под кривой подъема толкателя по сравнению с известным кулачком. Кроме того, важным положительным результатом следует считать выравнивание значений коэффициента запаса усилия клапанных пружин по углу поворота кулачка, что способствует соответствующему выравниванию условий работы механизма в динамическом отношении.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
средство, воплощающее изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в машиностроении;
для 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 изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, 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 в 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 коэффициент запаса усилия клапанных пружин.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2