Кулачок привода клапана

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в механизмах газораспределения две. Кулачок привода клапана содержит поверхности подъема и опускания, образованные кривой 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 и конце участка отрицательных значений, между участками положительных и отрицательных значений располагается участок нулевых значений второй производной, угловая протяженность ϕ₀ которого определяется по формуле

где ΔS - разность между значениями перемещения толкателя в конце участка положительных и начале участка отрицательных значений второй производной; S'_max - максимально допустимое значение первой производной. Технический результат: использование предлагаемого кулачка привода клапана позволяет увеличить площадь под кривой подъема толкателя при удовлетворении ограничения на первую производную перемещения толкателя. 3 ил.

 

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

Известен кулачок привода клапана (Корчемный Л.В. Механизм газораспределения автомобильного двигателя. - М.: Машиностроение, 1981, с.171-185), 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.

Известен также кулачок клапанного привода (а.с. СССР №335425, кл. F01L 1/08, БИ №13, 1972), имеющий поверхность подъема и поверхность опускания, каждая из которых образована второй производной перемещения толкателя по углу поворота кулачка, состоящей из участка положительных и участка отрицательных значений. При этом значения третьей производной непрерывно 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. Участок положительных значений второй производной имеет жестко заданную форму, так как описывается полуволной синусоиды. Это ограничивает возможности совершенствования процессов газообмена, так как, например, увеличение площади под кривой перемещения толкателя при неизменных фазах газораспределения или сужение фаз при неизменной площади под кривой перемещения может привести к значительному росту максимального значения второй производной и повышенным динамическим нагрузкам. Кроме того, невозможность варьирования в широких пределах формы кривой ускорения толкателя снижает полноту диаграммы его перемещения при учете ряда упомянутых выше требований к кулачку.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является кулачок клапанного привода (патент Российской Федерации №1740711, кл. F01L 1/08, БИ №22 1992), содержащий поверхности подъема и опускания, образованные второй производной перемещения толкателя по углу поворота кулачка и состоящие из участка положительных и отрицательных значений, причем 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 значение второй производной в точках стыка смежных отрезков по модулю максимальны при выполнении ограничений на производные второго и более высоких порядков. Кроме того, с целью увеличения площади под кривой подъема толкателя предусмотрен его верхний выстой.

Недостатком известного кулачка привода клапана является невозможность учета ограничения на первую производную перемещения толкателя углу поворота кулачка, определяющую максимальное смещение точки контакта кулачка с толкателем от оси последнего (Корчемный Л.B. Механизм газораспределения автомобильного двигателя. - М.: Машиностроение, 1981, с.6), которое определяет максимальный диаметр тарелки плоского толкателя. Вследствие этого возможно получение требуемого значения первой производной перемещения толкателя у известного кулачка путем ужесточения ограничений на производные второго и более высоких порядков, что снижает его эффективность, определяемую время-сечением клапана.

Задачей изобретения является повышение эффективности путем увеличения площади под кривой подъема толкателя при ограничении на первую производную перемещения толкателя.

Техническим результатом изобретения является увеличение площади под кривой подъема толкателя при заданном максимальном значении первой производной перемещения толкателя по углу поворота кулачка, определяющей диаметр тарелки плоского толкателя.

Это достигается тем, что у кулачка привода клапана механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания, содержащего 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 участки выполнены в виде кусочно-линейных функций угла поворота кулачка, содержащих конечное число участков с наперед заданными начальными условиями в начале участка положительных и конце участка отрицательных значений, согласно изобретению между участками положительных и отрицательных значений располагается участок нулевых значений второй производной, угловая протяженность ϕ₀ которого определяется по формуле:

где ΔS - разность между значениями перемещения толкателя в начале участка отрицательных и конце участка положительных значений второй производной;

S'_max - максимально допустимое значение первой производной.

На фиг.1 приведена кривая перемещения толкателя по углу поворота кулачка, образующая его профиль; на фиг.2 - кривая первой и второй производной перемещения толкателя по углу поворота кулачка, образующая его профиль; на фиг.3 - схема формирования закона движения толкателя.

Кулачок привода клапана механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания содержит поверхности подъема и опускания, образованные кривой второй производной перемещения толкателя по углу поворота кулачка и состоящие из участка 1, 2 положительных и участка 3, 4 отрицательных значений, при этом участки 1, 2, 3, 4 выполнены в виде кусочно-линейных функций угла поворота кулачка, содержащих конечное число участков с наперед заданными начальными условиями в начале участка 1, 2 положительных и конце участков 3, 4 отрицательных значений, причем между участками 1, 2 положительных и 3, 4 отрицательных значений располагается участок 5, 6 нулевых значений второй производной, угловая протяженность ϕ₀ которого определяется по формуле:

где ΔS - разность между значениями перемещения толкателя в начале участка отрицательных и конце участка положительных значений второй производной;

S'_max - максимально допустимое значение первой производной.

Значения второй производной в точках стыка смежных отрезков по модулю максимальны при выполнении ограничений на производные второго и более высоких порядков, которые определены соотношением

где S_i ^(k) - производная, k-го порядка (k>2) в i-й точке стыка отрезков;

S_i ^(k-1) и S_i-1 ^(k-1) - производные (k-1)-го порядка соответственно в i-й и (i-1)-й точках стыка отрезков;

ϕ_i и ϕ_i-1 - углы поворота кулачка соответственно в i-й и (i-1)-й точках стыка отрезков.

Пример выполнения профиля кулачка.

Кривая закона перемещения толкателя S, определяющая поверхность подъема и опускания, а также первая производная перемещения толкателя S' находятся путем численного интегрирования дискретно заданной кривой второй производной:

где S_i-1, S'_i-1, S"_i-1 - значения подъема первой и второй производной в (i-1)-й точке,

Si, S'i, S"i - значения подъема первой и второй производной в i-й точке.

Значение ΔS определяется путем алгебраического вычитания значений подъемов в конце участка положительных и начале участка отрицательных значений второй производной:

где S_B-, S_B+ - значения подъема толкателя в начале участка отрицательных и конце участка положительных значений второй производной (фиг 3в), определяющиеся по формуле (4).

Значение S'_max задается в исходных данных в качестве ограничения.

Исходя из полученных значений ΔS и S'_max между участками положительных и отрицательных значений располагается участок В₊В_- нулевых значений второй производной (фиг 3г) в пределах которого первая производная постоянна и равна S'_max, а перемещение толкателя по углу поворота кулачка изменяется линейно от S_B+ до S_B-, причем угловая протяженность ϕ₀ этого участка определяется по формуле

где ΔS - разность между значениями перемещения толкателя в начале участка отрицательных и конце участка положительных значений второй производной;

S'_max - максимально допустимое значение первой производной.

В рассматриваемом примере реализации при активном ограничении на первую производную перемещения толкателя S'_max=12,8 мм/рад угловая протяженность ϕ₀=9°.

Участок 1, 2 положительных и 3,4 отрицательных значений второй производной поверхности подъема толкателя представляют собой кусочно-линейные функции, сформированные из отрезков пошагово с достаточно малым шагом 0,5° по углу поворота кулачка, начиная соответственно от начала участка 1, 2 положительных и конца участка 3, 4 отрицательных значений для поверхности подъема толкателя, в которых заданы начальные условия: значениям подъема и их производным по углу поворота по n-1 порядок включительно, где n - наивысший порядок производной, на которую наложены ограничения (n≥1).

Максимизация площади под кривой перемещения толкателя достигается путем максимизации модулей значений второй производной в точках стыка смежных отрезков на участке 1, 2 положительных значений и участке 3,4 отрицательных значений второй производной с учетом ограничений на производные первого и более высоких порядков.

Участки АВ₊ положительных и СВ_- отрицательных значений второй производной образуются начиная соответственно от точек А и С (фиг 3а, б), в которых заданы начальные условия. Участки формируются одновременно пошагово при равенстве значений S' в текущих точках В₊ и В_- с требуемой степенью точности, определяемой величиной шага Δϕ, который может быть выбран достаточно малым. Значения S" на каждом шаге выбираются максимальными по модулю, допускаемыми ограничениями на производные первого и более высоких порядков. Если на текущем шаге невозможно удовлетворить ограничениям, осуществляется уменьшение модуля значения S" на одном из предшествующих шагов, ближайших к текущему, причем это уменьшение модуля значения S" на величину ΔS" на одной из предшествующих шагов, ближайших к текущему, причем это уменьшение должно допускаться имеющимися ограничениями на производные. Затем снова проверяется возможность формирования текущего шага и эта процедура повторяется до тех пор, пока на текущем шаге не будет выбрано значение S", удовлетворяющее ограничениям. При коррекции на величину ΔS" значения S" на данном шаге погрешность определения второй производной не превышает ΔS", третьей производной - ΔS"/Δϕ и производной n-го порядка - ΔS"/Δϕ^n-2.

Из фиг.3б видно, что при активном ограничении на первую производную перемещения толкателя производится уменьшение до нуля модулей значений S" в точках В₊ и В_-. Если это невозможно в силу ограничения на производные, то производится уменьшения модуля S" на величину ΔS" на одном из предыдущих шагов данного участка, ближайшем к текущему, причем это уменьшение должно допускаться имеющимися ограничениями на производные. Затем снова проверяется возможность уменьшения модуля S" на текущем шаге до нуля, и это повторяется до тех пор, пока значения S" в точках В₊ и В_- не станут равными нулю (фиг 3в). После этого образуется участок нулевых значений, где первая производная перемещения толкателя по углу поворота кулачка имеет максимально допустимое значение, а значение перемещения толкателя изменяется линейно (фиг 3г).

На чертеже (фиг.2) видно, что в диапазоне изменения угла поворота кулачка ϕ от - 67° до 76° ограничение на первую производную перемещения толкателя является активным для предлагаемого технического решения (сплошная линия), и значение первой производной (12,8 мм/рад) удовлетворяет требованиям получения максимального смещения точки контакта оси толкателя, определяющего максимальный диаметр тарелки плоского толкателя. В то же время у известного кулачка той же угловой протяженности выполнение ограничений на первую производную перемещения толкателя (штриховая линия) может быть достигнуто путем ужесточения ограничений на производные второго и более высоких порядков (фиг.2), что снизит площадь под кривой перемещения толкателя (фиг.1).

В результате у известного кулачка (штриховая линия) при заданной протяженности профиля площадь под кривой перемещения (фиг.1) меньше на 5% по сравнению с разработанным кулачком (сплошная линия) при удовлетворении ограничения на первую производную перемещения толкателя.

Таким образом, использование предлагаемого кулачка привода клапана позволяет увеличить на 5% площадь под кривой подъема толкателя при удовлетворении ограничения на первую производную перемещения толкателя.

Кулачок привода клапана механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания, 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 участки выполнены в виде кусочно-линейных функций угла поворота кулачка, содержащих конечное число отрезков с наперед заданными начальными условиями в начале участка положительных и конце участка отрицательных значений, отличающийся тем, что между участками положительных и отрицательных значений располагается участок нулевых значений второй производной, угловая протяженность ϕ₀ которого определяется по формуле:

где ΔS - разность между значениями перемещения толкателя в начале участка отрицательных и конце участка положительных значений второй производной;

S'_max - максимально допустимое значение первой производной.