Кулачок механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в механизмах газораспределения двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Задача изобретения - достижение оптимальных геометрических, кинематических и динамических параметров кулачкового механизма путем прямого задания профиля кулачка в аналитическом виде, с использованием простых функций, в частности степенных полиномов. Профиль поверхности кулачка выполнен в виде кривой подъема плоского толкателя, содержащей не менее 4 участков, каждый из которых описывается выражением где h_i - высота подъема плоского толкателя на i-м участке; Φ - текущее значение угла поворота кулачка, а_io...a_in - коэффициенты, определяемые из граничных условий. С целью достижения оптимальных параметров кулачкового механизма на всем рабочем диапазоне число участков и число членов степенного полинома, описывающего подъем плоского толкателя на каждом из них, находятся в пределах i≥4, n≥8. Преимущественная область применения - легковые автомобили. 3 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в механизмах газораспределения двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Известен профиль кулачка, выполненный по методу "полидайн", предложенному У.Дадли (Dudley W.) в 1958 г., и усовершенствованному позже Т.Сореном, В. С. Бениовичем и др., и имеющему по признанию ряда авторов наиболее широкое распространение. В частности, в ОАО "АВТОБАЗ" в настоящее время при новом проектировании также применяется метод "полидайн". Метод описан, например, в Л. В. Корчемный, Механизм газораспределения двигателя. Кинематика, динамика, расчет на прочность, М., Машиностроение, 1964 г., стр. 138...147 [1].

Подъем плоского толкателя при расчете по методу "полидайн" описывается выражением где H_k - максимальный подъем плоского толкателя; Φ - текущий угол поворота кулачка (начало отсчета от вершины кулачка); Ф - угол профиля кулачка (от конца сбега до вершины); k, р, q, r - последовательные четные числа; C₂, C_k, C_p, C_q, C_r - коэффициенты, определяемые из граничных условий.

Практическое использование данного метода выявило следующие его недостатки.

Граничные условия для определения коэффициентов полинома выбираются из условия оптимальности динамических параметров механизма при работе на отдельных скоростных режимах. При этом, как указывается, например в [1], стр. 146-147, на других режимах кулачок, рассчитанный по данному методу, вызывает колебания большей амплитуды, чем другие "некоррегированные" кулачки. Из-за того, что весь профиль подъема плоского толкателя описывается одним полиномом, задание различных по форме и значению граничных условий для отдельных участков профиля либо невозможно, либо существенно ограничено их взаимной зависимостью. Так как указанный полином содержит всего 5 неизвестных коэффициентов, то соответственно при расчете профиля кулачка возможно задание лишь 5-ти граничных условий для всей его поверхности. Это существенно ограничивает возможность варьирования кинематическими и динамическими параметрами профиля в целом и на отдельных его участках в частности.

В авторском свидетельстве СССР N 1539346, МПК 01 L 1/08, публ. БИ 4/90, описывается по существу овальный (два радиуса) симметричный кулачок. Другими словами, профиль описан тремя функциями второго порядка типа F(x², y²) = A, причем две из них - симметричны.

По классу МПК 01 L 1/08 приведены различные известные профили кулачков привода клапанов ДВС, защищенные авторскими свидетельствами СССР N N 1237778, публ. БИ 22/86; 1539346, БИ 4/90; 1751367, БИ 28/92; 1740710, БИ 22/92; 1624195, БИ 4/91, 1740711, БИ 22/92, 1738096, БИ 20/92; 1617163, БИ 48/90; 1575629, от 27.11.84 г.; патентом России N 2001291, БИ 37-38/93. В данном случае речь идет не о прямом аналитическом описании профиля, а об отыскании его по задаваемой различными способами производной второго или 3-4 порядков.

В качестве прототипа принят кулачок для привода толкателя, описанный в авторском свидетельстве СССР N 1575629, МПК F 01 L 1/08, БИ 24/95, профиль рабочей поверхности которого выполнен в виде кривой, выраженной соотношением , где h - высота подъема толкателя;
а - радиус начальной окружности кулачка;
b - сумма радиуса начальной окружности кулачка и максимальной высоты подъема толкателя;
p - константа, определяющая угол поворота;
α - текущее значение угла поворота кулачка;
k, m, i, t, - показатели степени.

В прототипе речь идет о прямом задании профиля кулачка в аналитическом виде. Весь профиль рабочей поверхности кулачка описан одной, достаточно сложного вида (с точки зрения анализа, дифференцирования и интегрирования) функцией, что не позволяет использовать различные граничные условия на каждом из участков отдельно и находить, соответственно, наиболее оптимальные решения для каждого из них с помощью более простой функции.

Решение рассматриваемой технической задачи направлено на достижение оптимальных геометрических, кинематических и динамических параметров кулачкового механизма путем прямого задания профиля кулачка в аналитическом виде, с использованием более простых функций, в частности степенных полиномов.

Решение технической задачи заключается в том, что в известном кулачке механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания профиль поверхности кулачка выполнен в виде кривой подъема плоского толкателя, состоящей из не менее чем 4-х участков, каждый из которых описывается выражением
,
где h_i - высота подъема плоского толкателя на i-ом участке;
Φ - текущее значение угла поворота кулачка;
a_io ... a_in - коэффициенты, определяемые из граничных условий.

С целью достижения оптимальных параметров кулачкового механизма на всем рабочем диапазоне, число участков и число членов степенного полинома, описывающего подъем плоского толкателя на каждом из них, находятся в пределах
i ≥ 4
i ≥ 8 .

С целью достижения оптимальных геометрических, кинематических и динамических параметров кулачкового механизма, значения коэффициентов степенных полиномов "a_in" для каждого из участков определяются из граничных условий имеющих вид
h_i = H_ij
,
где k - порядок производной;
H_ij и A_ij - значения подъемов и производных k-го порядка заданных для j-ой точки i-го участка.

Причем число граничных условий выбирается таким образом, чтобы при соблюдении условий i ≥ 4 и n ≥ 8, как минимум, было определено равенство значений подъемов, первой, второй и третьей производных на граничных точках соседних участков и на крайних точках всего профиля, и чтобы их было достаточно для отыскания значений всех коэффициентов "а_in".

Оптимальные значения геометрических, кинематических и динамических параметров кулачкового механизма на каждом из участков в отдельности достигаются с помощью задания их в виде граничных условий для отыскания коэффициентов степенных полиномов.

Таким образом, предлагаемое техническое решение задачи предусматривает прямое задание профиля кулачка в аналитическом виде. При этом, в сравнении с прототипом, различны функции и вместо описания всего профиля рабочей поверхности одной (достаточно сложного вида) функцией предлагается использовать более простые (с точки зрения анализа, дифференцирования и интегрирования) функции - степенные полиномы, но не менее четырех, для описания всего профиля. Это позволяет использовать различные граничные условия на каждом из участков отдельно и находить, соответственно, наиболее оптимальные решения для каждого из них с помощью более простой функции.

Преимущество предлагаемого технического решения в сравнении с известным решением заключается в том, что в зависимости от поставленной задачи конкретные кинематические или динамические параметры (подъем, скорость, ускорение или производные более высоких порядков) вводятся в граничные условия прямой задачи, и отыскивается необходимое решение (вид профиля).

Например: с точки зрения акустики важно снизить скорость посадки клапана в седло, - значит, на соответствующем участке в качестве граничного условия задается скорость опускания плоского толкателя, причем не в одной какой-то точке, а с учетом технологических допусков, износов, теплового состояния и др. скорость поддерживается постоянной в необходимом диапазоне по высоте подъема. Аналогичным образом на каждом из участков конструктор указывает и другие необходимые ему условия.

Практически на дату оформления материалов заявки:
Составлена программа, реализующая предлагаемый способ в виде приложения (макроса) к программе ф. Microsoft "Excel".

Разработано около 10-ти профилей кулачков для спортивных двигателей и около 8-ми профилей кулачков для автомобилей серийного производства.

Многие из них находятся на испытании в составе двигателей.

Формула изобретения

1. Кулачок механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания, отличающийся тем, что профиль рабочей поверхности кулачка выполнен виде кривой подъема плоского толкателя, состоящей из не менее чем 4 участков, каждый из которых описывается выражением

где h_i - высота подъема плоского толкателя на i-м участке;
Φ - текущее значение угла поворота кулачка;
a_io ... a_in - коэффициенты определяемые из граничных условий.

2. Кулачок по п.1, отличающийся тем, что число участков и число членов степенного полинома описывающего подъем плоского толкателя на каждом из них находятся в пределах: i ≥ 4, n ≥ 8.

3. Кулачок по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что значения коэффициентов степенных полиномов a_in для каждого из участков определяются из граничных условий имеющих вид
h_i = H_ij,

где k - порядок производной;
H_ij и A_ij - значения подъемов и производных k-го порядка заданных для j-й точки i-го участка;
причем число граничных условий выбирается таким образом, чтобы при соблюдении условий i ≥ 4 и n ≥ 8, как минимум, было определено равенство значений подъемов, первой , второй и третьей производных на граничных точках соседних участков и на крайних точках всего профиля, и чтобы их было достаточно для отыскания значений всех коэффициентов a_in.

4. Кулачок по пп.1 - 3, отличающийся тем, что оптимальные значения геометрических, кинематических и динамических параметров кулачкового механизма на каждом из участков в отдельности достигаются с помощью задания их в виде граничных условий для отыскания коэффициентов степенных полиномов.