Центробежный корректор углового положения кулачкового вала двигателя внутреннего сгорания
CENTRIFUGAL CORRECTOR FOR ANGULAR POSITION OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE CAMSHAFT

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для коррекции углового положения кулачкового вала относительно коленчатого при модернизации существующих и разработке новых конструкций двигателей внутреннего сгорания (ДВС) машин, для которых не предусматриваются бортовые компьютеры с программой управления и контроля систем двигателя.
Используемые в сельском хозяйстве ДВС отечественного производства не имеют устройств коррекции углового положения кулачкового вала относительно коленчатого; угловое положение кулачкового вала предусмотренное конструкторской документацией, обеспечивает приемлемые эффективные показатели работы двигателя только на одном режиме (например, в дизель-электрической установке), а выполнение операций в полевых условиях характеризуется тем, что загрузка двигателя мобильных машин (тракторы, комбайны, автомобили) существенно изменяется на длительное (значимое) время так, что при этом эффективные показатели работы двигателя снижаются.
Известны устройства регулирования фаз ГРМ, основанные на принципе работы центробежного регулятора, выполненного по классической схеме (патент США №4522085 МПК F01L 1/34 от 11.06.1985, патент РФ №2330169 МПК F02Д 13/02). Такие устройства не могут быть использованы для целей модернизации, так как габаритно-массовые размеры таких устройств потребуют изменения конструкции сопряженных деталей, в том числе базовых, а наличие упругих элементов (возвратные пружины) и старение материала этих элементов неизбежно приводит к изменению кинематических характеристик центробежного устройства.
Лучшими характеристиками обладает работающее на описанном принципе устройство (патент РФ №2634345 МПК F01L 1/34), но изготовление такого устройства сопряжено с технологическими трудностями при формировании поверхности переменной кривизны на базовой детали устройства, неодинаковая чувствительность к изменению скоростного режима на начальном и конечном этапе диапазона рабочих режимов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому техническому решению является устройство коррекции углового положения кулачкового вала двигателя внутреннего сгорания описанное в патенте (№2684856 от 25.06.2018 года МПК F01L 1/34) (прототип), которое содержит соосно размещенные плиту, ведущий и ведомый элементы кинематической цепи передачи крутящего момента от коленчатого вала на кулачковый вал, связанные между собой двумя динамически уравновешенными центробежными механизмами, смонтированными на плите, каждый из которых содержит рычаг, соединенный с центробежной массой, при этом плита жестко соединена с ведомым элементом, каждый смонтированный на ней центробежный механизм содержит двуплечий рычаг, одно плечо которого посредством зубчатого или цевочного зацепления, или гибкой связи соединено с ведущим элементом, а второе плечо посредством гибкой связи соединено с наименьшим по массе элементом из пакета активной массы центробежного механизма, причем все элементы пакета установлены с возможностью перемещения по направляющим радиально и прямолинейно. Величина перемещения каждого элемента пакета активной массы ограничивается устройством для последовательного (поочередного) прекращения силового взаимодействия элемента с гибкой связью, начиная с наибольшего по массе и ближайшего к оси вращения элемента.
Устройство обеспечивает соответствие «скоростной режим - заданное значение углового положения кулачкового вала», оно компактно, не требует существенного изменения сопряженных с ним деталей, улучшает технико-экономические показатели работы двигателя. Однако, использование гибкой связи в силовой кинематической цепи сопряжено с ее удлинением, влияющим на угловое положение вала, появлением неопределенности величины углового положения при возможном обратном вращении коленчатого вала в момент пуска, например, на раннем зажигании бензинового двигателя; не предусмотрена возможность регулирования углового положения с целью компенсации износа элементов кинематической цепи «шестерня коленчатого вала - клапан»; система перевода элементов пакета из активного состояния в пассивное предусматривает установку для каждого элемента пакета дополнительного останова, что усложняет конструкцию.
Задачей предлагаемого изобретения является создание более надежного и простого в технологическом отношении устройства, обеспечивающего необходимую коррекцию углового положения кулачкового вала в диапазоне рабочих режимов двигателя, в результате чего достигается улучшение технико-экономических показателей работы двигателя.
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом центробежном корректоре углового положения кулачкового вала ДВС, содержащем соосно размещенные плиту, ведущий и ведомый элементы кинематической цепи передачи крутящего момента от коленчатого вала на кулачковый вал, связанные между собой двумя динамически уравновешенными центробежными механизмами, смонтированными на плите, плита жестко соединена с ведомым элементом, каждый смонтированный на ней центробежный механизм содержит двуплечий рычаг, одно плечо которого посредством зубчатого зацепления соединено с ведущим элементом, в отличие от прототипа, второе плечо рычага посредством зубчатого зацепления связано с зубчатой рейкой с размещенными на ее хвостовике элементами пакета активной массы центробежного механизма, причем все элементы пакета активной массы установлены с возможностью перемещения по направляющим совместно с рейкой радиально и прямолинейно только в активном состоянии, прекращение силового взаимодействия элементов массы с рейкой поочередное, начиная с наиболее удаленного от оси вращения, его перемещение ограничено остановочным устройством, а каждый неактивный элемент, утративший силовое взаимодействие с рейкой служит остановом для смежного с ним активного элемента. Для регулирования углового положения кулачкового вала при установке зубчатый сектор, закрепленный на ведущем элементе, выполнен с возможностью регулирования положения в тангенциальном направлении.
При этом сумма произведений массы каждого активного элемента пакета на расстояние от центра его массы до оси вращения должна быть достаточной для начала действия устройства или его продолжения при любой назначенной разработчиком угловой скорости кулачкового вала.
Количество элементов пакета активной массы определяет разработчик на основании данных технического задания по экспериментально определенному значению эффективного углового положения кулачкового вала, обеспечивающего наибольший из возможных цикловой расход через впускной тракт на каждом заданном скоростном режиме, включая холостой ход, номинальный (максимальный) и несколько промежуточных.
Технический результат от использования предлагаемого центробежного корректора заключается в изменении углового положения кулачкового вала относительно коленчатого при изменении скоростного режима работы двигателя с использованием центробежного устройства с переменной активной массой, расположенной на хвостовике зубчатой рейки. Заданная разработчиком величина перемещения ограничивается только одним устройством для последовательного прекращения силового взаимодействия элементов с рейкой, а каждый неактивный элемент, утративший силовое взаимодействие с рейкой служит остановом для смежного активного элемента. Прямолинейное перемещение элементов пакета активной массы и зубчатой рейки упрощает задачу расчета и изготовления устройства.
Использование исключительно зубчатой передачи в кинематике двуплечного рычага повышает стабильность углового положения кулачкового вала и надежность работы центробежного устройства.
Наличие устройства регулирования в тангенциальном направлении положения ведущей части зубчатой передачи относительно ведущего элемента в кинематической цепи (шестерня кулачкового вала) позволяет устранить суммарные монтажные тангенциальные зазоры в кинематической цепи «шестерня коленчатого вала - кулачковый вал», восстановить начальное углового положение кулачкового вала, нарушенное вследствие эксплуатационного износа рабочих поверхностей деталей кинематической цепи.
Новая совокупность признаков, а именно, смонтированные на плите, центробежные устройства с переменной активной массой, каждый содержит в своей кинематической цепи зубчатую рейку для передачи управляющего усилия через рычаг на кулачковый, вал; элементы пакета активной массы располагаются на хвостовике зубчатой рейки; последовательное прекращение силового взаимодействия элементов с зубчатой рейкой начинается с наиболее удаленного от оси вращения после достижения им остановочного устройства; наличие устройства для изменения в тангенциальном направлении положения ведущей части (сектора) зубчатой передачи при ее креплении на шестерне кулачкового вала позволяют получить новый технологический эффект - упрощение конструкции, упрощение расчета и технологии изготовления, восстановление начального углового положения кулачкового вала при его изменении вследствие изнашивания рабочих поверхностей элементов кинематической цепи «коленчатый вал - кулачковый вал», улучшение технико-экономических параметров работы двигателя.
Предлагаемый центробежный корректор может применяться в двигателестроении и при модернизации газораспределительного механизма двигателя.
Принципиальная схема центробежного корректор представлена на Фиг. 1: а - при исходном положении элементов масс; б - после окончания коррекции, на Фиг. 2 представлено расположение элементов пакета активных масс на хвостовике зубчатой рейки в исходном положении.
Центробежный корректор углового положения кулачкового вала при изменении режима работы двигателя (Фиг. 1 «а» и «б») содержит соосно размещенные плиту 1, ведущий элемент 2 (шестерня кулачкового вала) и ведомый (кулачковый вал) 3 связанные между собой двумя динамически уравновешенными центробежными механизмами, смонтированными на плите 1, жестко соединенной с ведомым элементом 3. Двуплечий рычаг 4 центробежного механизма (предпочтительно равноплечий), расположенный на оси 6, закрепленной на плите 1 посредством зубчатого сектора 5, соединен с ведущим элементом 2, а другим плечом - с зубчатой рейкой 7 с размещенными на ее хвостовике элементами 9 пакета активной массы центробежного механизма; зубчатая рейка и размещенные на ее хвостовике элементы пакета активной массы установлены с возможностью перемещения по направляющим 11 совместно с рейкой. Перемещение наиболее удаленного от оси вращения элемента активной массы ограничено остановочным устройством 8, зубчатый сектор 5 закреплен на ведущем элементе 2 с возможностью регулирования в тангенциальном направлении.
Направляющая 11 для прямолинейного перемещения пакетов активной массы закреплена на плите 1 так, что центры масс элементов располагаются на прямой, проходящей через ось вращения кулачкового вала. Элементы пакета размещены на хвостовике рейки (Фиг. 2) с заданным интервалом.
Устройство работает следующим образом. При работе двигателя в режиме пуска и холостого хода усилие на прокручивание кулачкового вала передается через ведущий элемент 2 привода и зубчатый сектор 5 на двуплечий рычаг 4 и через зубчатую рейку 7 на ближайший к оси вращения элемент пакета 9, прижимая его к упору 10. В таком положении усилие на прокручивание от рычага 4 передается через ось 6 на ведомый элемент - кулачковый вал 3; вся система вращается как единое целое с установленным эффективным угловым положением пока угловая скорость вала не превысит значения, при котором центробежная сила Fц активных элементов пакета масс, действуя на двуплечий рычаг через зубчатое зацепление с рейкой, создаст момент относительно точки полюса зубчатого зацепления на зубчатом секторе 5, превышающий значение силы сопротивления Fс на прокручивание кулачкового вала относительно той же точки. Рычаг 4 при этом поворачивается относительно зубчатого зацепления 5 привода, поворачивая ось 6 совместно с плитой 1 и кулачковым валом 3 в направлении рабочего вращения кулачкового вала, увеличивая, тем самым, его угловое положение относительно коленчатого вала.
Когда наиболее удаленный от оси вращения элемент пакета активной массы 9 при перемещении рейки 7 достигает остановочного устройства 8, он прекращает силовое взаимодействие с рейкой и переходит в пассивное состояние.
Если в этот момент силовое взаимодействие Fц оставшихся активными элементов пакета достаточно для перемещения рейки, то перемещение рейки продолжается если перемещение рейки достигло предельного значения, то коррекция углового положения прекращается, и угловое положение остается неизменным при увеличении угловой скорости. Если изменяется режим работы двигателя так, что Fц становится меньше Fс, то перемещение рейки происходит обратно в сторону оси вращения.
Амплитуда перемещения зубчатой рейки (ход рейки) задана разработчиком. Элементы пакета активной массы размещены на хвостовике рейки (Фиг. 2) с заданным интервалом, и в активном состоянии перемещаются только совместно с рейкой при превышении некоторого значения угловой скорости вращения кулачкового вала до момента прекращения силового взаимодействия с рейкой поочередно, начиная с наиболее удаленного от оси вращения элемента.
Центробежный корректор обеспечивает коррекцию углового положения кулачкового вала при изменении скоростного режима работы двигателя; позволяет улучшить технико-экономические показатели работы двигателя; изменяемая по величине активная центробежная масса снижает нагрузку рабочих поверхностей и позволяет приблизить выходную функцию к заданным разработчиком значениям; использование зубчатой рейки в кинематической цепи передачи управляющего усилия повышает надежность и жесткость кинематической цепи, упрощает технологию изготовления устройства, а наличие регулируемого положения ведущей части зубчатого зацепления на шестерне кулачкового вала (ведущий элемент) облегчает установку и регулирование начального углового положения кулачкового вала при монтаже устройства и для компенсации суммарного износа рабочих поверхностей кинематической цепи «коленчатый вал - кулачковый вал».