СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ МУФТЫ ОПЕРЕЖЕНИЯ ВПРЫСКА ТОПЛИВА

Настоящая полезная модель относится к устройствам для испытания, регулировки и обкатки узлов топливоподающей аппаратуры двигателя внутреннего сгорания, в частности муфты опережения впрыска топлива (МОВТ).
Испытание МОВТ состоит в определении угла разворота полумуфт при различной частоте вращения кулачкового вала [1]. Обкатку МОВТ выполняют при тех же постоянных частотах, т.е. при фиксированных положениях грузов, что является недостатком, поскольку отсутствует перемещение подвижных частей МОВТ.
Известен стенд для испытания МОВТ, содержащий в приводе вращения испытываемой МОВТ возбудитель крутильных колебаний в виде спаренного кулачкового механизма, включающего закрепленный на столе стенда цилиндрический корпус с крышкой, в корпусе на подшипниках установлен ведущий полувал, один конец которого связан с приводом стенда, другой, располагаемый в полости корпуса, снабжен сепаратором, в радиальных пазах которого размещены толкатели с роликами на их обоих концах, в крышке корпуса на одной оси с ведущим полувалом установлен на подшипниках ведомый полувал, на конце которого, обращенном к сепаратору с роликами, размещены по касательной к окружности сечения ведомого полувала лопатки, взаимодействующие с толкателями в сепараторе, а также связанные, для силового замыкания, с телом сепаратора через посредство упругих элементов, на другом конце ведомого полувала крепится испытываемая МОВТ, в корпусе возбудителя крутильных колебаний, соосно полувалам ведущему и ведомому, установлена с охватом сепаратора вкруговую программирующая шайба с внутренними кулачками заданной высоты таким образом, что по ее рабочей поверхности с кулачками прокатываются внешние ролики толкателей и через посредство толкателей одновременно с вращением полувалов возбуждают крутильные колебания ведомого полувала [2].
Недостатком такого стенда является нерациональное соотношение размеров составных частей (деталей и элементов) возбудителя крутильных колебаний, приводящее к необоснованному завышению габаритных размеров и металлоемкости возбудителя и стенда в целом.
Целью разработки настоящей полезной модели является уменьшение габаритных размеров и снижение металлоемкости путем оптимизации хода толкателей и высоты кулачков программирующей шайбы возбудителя крутильных колебаний. Оптимизация выполнена с помощью специального критерия, разработанного авторами.
Сущность новшества поясняется ниже следующими схемами и теоретическими выкладками.
На фиг.1 представлена принципиальная схема стенда для испытания МОВТ; на фиг.2 - кинематическая схема спаренного кулачкового механизма; на фиг.3 - схема возбудителя крутильных колебаний ведомого полувала; на фиг.4 - график целевой функции оптимизации размеров возбудителя.
Стенд для испытания МОВТ (фиг.1) содержит привод с вариатором 1, возбудитель крутильных колебаний, имеющий установленный на столе 2 стенда цилиндрический корпус 3 с крышкой 4, в которых на подшипниках 5 и 6 установлены ведущий полувал 7, связанный с приводом и снабженный сепаратором 8 с толкателями 9, имеющими на концах внутренние 10 и внешние 11 ролики, и ведомый полувал 12 с поворотными лопатками 13, связанными через упругие элементы 14 с телом сепаратора 8, что обеспечивает необходимое замыкание в кулачковых механизмах возбудителя крутильных колебаний. В корпусе 3 с охватом сепаратора вкруговую закреплена программирующая шайба 15 с выполненными на ее внутренней поверхности, являющейся рабочей дорожкой для внешних роликов 11, кулачками заданной высоты для сообщения ведомому полувалу 12 необходимой амплитуды колебаний.
Испытываемая МОВТ 16 закрепляется на свободном конце ведомого полувала 12.
В режиме, например, обкатки (приработки) МОВТ стенд работает следующим образом. С помощью вариатора 1 устанавливают требуемую угловую скорость вращения ведущего полувала 7 (она является постоянной) и включают привод стенда. Вместе с полувалом 7 во вращение (фиг.2) приходит сепаратор 8, который увлекает за собой толкатели 9 с роликами 10 и 11. В результате набегания роликов 11 на кулачки программирующей шайбы 15 толкатели 9 перемещаются к центру вращения и, воздействуя на поворотные лопатки 13 роликами 10, поворачивают ведомый полувал 12 с испытываемой МОВТ 16 дополнительно на некоторый угол по направлению вращения, тем самым увеличивая угловую скорость вращения на некоторую величину, достаточную для того, чтобы подвижные элементы испытываемой МОВТ пришли в движение и в ее сопряжениях возникло трение движения. После перехода роликов 11 во впадины программирующей шайбы 15 толкатели перемещаются от оси вращения к периферии и разгружают от своего воздействия ведомый полувал 12, в результате под усилием упругих элементов 14 и сил сопротивления в подшипниках 6 угловая скорость вращения испытываемой МОВТ снижается и ее подвижные элементы вновь приходят в движение, но в другом от середины направлении - так осуществляется процесс приработки МОВТ без изменения скорости вращения ведущего полувала 7. На фиг.3 представлен кулачковый механизм возбудителя крутильных колебаний стенда в наиболее характерных позициях: а - положение ВМТ, когда внешний ролик 11 толкателя 9 располагаются на наибольшем расстоянии от центра вращения ведущего полувала, или во впадине между кулачками программирующей шайбы 15; б - положение НМТ, когда внешний ролик 11 толкателя 9 располагается на наименьшем расстоянии от центра вращения, или на вершине кулачка шайбы 15.
Схема на фиг.3 в описывает промежуточное положение толкателей и используется для получения целевой функции оптимизации размеров механизма. Для удобства анализа на фиг.3 вращение ведущего вала стенда заменено на вращение программирующей шайбы 15, что допустимо при анализе и синтезе кулачковых механизмов.
a
н
т
max
min
к
к
a
в
в
к
max
Как следует из фиг.3, габаритные размеры возбудителя крутильных колебаний зависят от размеров: R - радиуса окружности впадин программирующей шайбы 15, ρ - радиуса роликов 10 и 11 толкателя 9, r - радиуса ведомого полувала 12 (половины расстояния между лопатками 13), 1 - длины толкателя 9 и S - величины замыкающего звена размерной цепи в момент нахождения толкателя 9 в ВМТ (фиг.3а), при этом в положении НМТ (фиг.3б) должно выполняться условие S≥0, чтобы предотвратить заклинивание и повреждение механизма. Отсюда следует, что ход толкателей 9 и следовательно, высота h кулачка программирующей шайбы 15 (h=R-R, где R -радиус окружности вершины кулачков фиг.3а) зависит от величины S, т.е. h≤S.
a
н
Размеры ρ и R могут быть установлены из условия обеспечения необходимой контактной прочности или приняты по аналогии с кулачковыми механизмами дизельной топливной аппаратуры [3, 4], длина толкателя - как удвоенная величина радиуса ρ ролика толкателя, радиус r ведомого полувала - по передаваемому моменту.
к
Выбор величины хода толкателя (соответственно, h или S) лишен такой определенности и нуждается в разработке и использовании специального критерия. В тоже время ход толкателя определяет амплитуду крутильных колебаний ведомого полувала с испытываемой МОВТ, т.е. динамику режимов испытания.
1
Рассмотрим схему на фиг.3 в, где представлено некоторое промежуточное положение нижнего ролика 10 толкателя 9 между ВМТ и НМТ (фиг.3 а и б). Остаточная величина опускания ролика 10 до соприкосновения с поверхностью ведомого полувала в т. А составляет величину S. Здесь символом «d» обозначено направление движения вниз центра О ролка 10, символом «Р» - направление поворота ведомого полувала 12 под воздействием ролика 10. Соответствующая указанному положению и величине S («запасу» высоты кулачка программирующей шайбы 15) угловая координата полувала 12 обозначается символом «Ψ».
Очевидно, что длина отрезка mn равна:
mn=S=mc+cn,
(1)
1
Из рассмотрения прямоугольных треугольников OAC и ОВС следует, что
∠O<sub>1</sub>CA=∠OCB=Ψ,
(2)
O<sub>1</sub>C=ρ/sinΨ,
(3)
OC=r<sub>н</sub>/sinΨ,
(4)
mc=O<sub>1</sub>C-O<sub>1</sub>m=ρ/sinΨ-ρ=ρ(1/sinΨ-1),
(5)
Cn=ОС-On=r<sub>H</sub>/sinΨ-r<sub>H</sub>=r<sub>H</sub>(1/sinΨ-1),
(6)
S=mn=ρ(1/sinΨ-1)+r<sub>н</sub>(1/sinΨ-1)=(r<sub>н</sub>+ρ)(1/sinΨ-1),
(7)
Преобразуем выражение (7) относительно Ψ и получим:
к
к
В выражении (8) величина S обеспечивает свободный ход толкателя в пределах, задаваемых высотой h кулачка программирующей шайбы 15, поэтому h=S или
к
к
н
Величина ξ является безразмерной характеристикой (параметром) кулачкового механизма возбудителя крутильных колебаний стенда и при существовании оптимума может использоваться для выбора h при заданных ρ и r.
Перепишем выражение (8), с учетом (9), в виде:
и найдем первую производную
к
Для нахождения оптимума функции (10) приравняем первую производную Ψ'=-1, как это обычно делается для подобных функций [5], и решим полученное уравнение относительно ξ:
Выполним замену z=(ξ<sub>к</sub>+1)<sup>2</sup>,
(12)
Возьмем во 2-ю степень, чтобы избавиться от знака квадратного корня:
или .
Окончательно имеем:
z<sup>2</sup>-z-1=0,
(13)
После решения уравнения (13) получим z≅1,618, затем это значение подставим в выражение (12):
к
2
1,618=(ξ+1)
к
1,272=(ξ+1);
к опт
к
Тогда имеем ξ=0,272. В процессе решения другие корни отбрасывались, как дающие отрицательные значения ξ.
к опт
Подставив полученное ξ в выражение (9), найдем оптимальное соотношение
Которое необходимо использовать для определения высоты кулачка программирующей шайбы и назначения свободного хода толкателя от ВМТ до НМТ, что позволяет оптимизировать габаритные размеры возбудителя крутильных колебаний.
к опт
н
В качестве примера определим h для случая, когда r=16 мм и ρ=10 мм [3]:
к опт
h=0,272·(16+10)=0,272·26=7,072 мм.
к опт
Округление выполним в сторону уменьшения результата, поэтому окончательно можно принять h=7 мм.
к
На фиг.4 приведен пример графического определения оптимального значения ξ по данным нижеследующей таблицы, полученной по выражению (10):
ξ<sub>к</sub>
0
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
Ψ, рад.
1,571
1,261
1,141
1,054
0,985
0,927
0,878
0,834
0,796
0,761
(град)
(90)
(72,3)
(65,4)
(60,4)
(56,5)
(53,1)
(50,3)
(47,8)
(45,6)
(43,6)
к
к
На графике т. А получена как точка касания кривой Ψ=f(ξ) с прямой M'N', тангенс угла наклона которой к оси ξ (аналог первой производной Ψ') равен (-1). Прямая M'N' параллельна прямой MN.
к
опт
к
Исследование окрестностей т. А показывает, что для ξ можно установить допустимые пределы, как ξ=0,264…0,280 - в этом случае угол Ψ будет изменяться примерно в пределах ±0,01 рад. (или ±0,5°), что согласуется с погрешностью измерения, например, угла начала подачи топлива в дизелях [1].
н
к
к
Расчеты по формуле (8) при r=16 мм, ρ=10 мм и h=7 мм показывают, что амплитуда колебаний ведомого полувала 12 будет составлять: 90°-52°=38° (0,664 рад.). Уменьшение высоты кулачка h будет уменьшать амплитуду возбуждаемых колебаний. Частота колебаний определяется числом кулачков на программирующей шайбе.
Использованные источники информации:
1. Загородских Б.П., Лялякин В.П., Плотников П.А. Ремонт и регулирование топливной аппаратуры автотракторных и комбайновых дизелей. - М: ФГНУ «Росинформагротех», 2006. - С.185, 193.
2. А. с. СССР №757904. Стенд для испытания муфты опрережения впрыска топлива. Бюл. №31, 23.08.80. Прототип.
3. Файнлейб Б.Н. Топливная аппаратура автотракторных дизелей: Справочник. - М.: Машиностроение, 1974. - С.203…216.
4. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. - М.: Наука, 1975. - С.507…548.
5. Экономика и организация ремонта оборудования в США./Под ред. М.Л.Шухгальтера. - М.: Прогресс, 1969. - С.120.