КУЛАЧОК ПРИВОДА КЛАПАНА
VALVE DRIVE CAM

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.171-174), 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. Сбег образован полуволной косинусоиды.
Недостатком такого кулачка является разрыв третьей производной перемещения толкателя в сопряжении сбега с рабочим участком. При этом происходит резкий скачок ее на границе сбега и рабочего участка, что приводит к повышению динамических нагрузок клапанного привода.
Известен кулачок привода клапана (В.С.Бениович. О профилировании кулачков. газораспределения для упругого клапанного привода. // Автотракторные двигатели внутреннего сгорания. Исследование рабочих процессов систем топливоподачи и газораспределения. / Под ред. чл.-корр. АН СССР Н.Р.Брилинга. - Москва, МАДИ, 1960, с.237-262), профиль которого на всем рабочем участке образован полиномом. При этом в таких кулачках применяют как изогнутый сбег, так и дающий постоянную скорость подъема. Подъем изогнутого сбега определяется по следующей формуле:
с
где y - подъем сбега;
x - текущее значение угла поворота кулачка;
c
a - протяженность сбега;
c
h -величина теплового зазора и деформации привода.
У сбега, дающего постоянную скорость подъема, скорость перемещения толкателя, претерпевает разрыв на границе сбега с начальной окружностью кулачка. Этот разрыв устраняется введением дополнительного участка с постоянным ускорением. При этом желательно, чтобы высота участка с ускорением была не меньше зазора. Тогда в процессе компенсации последнего детали нагружаются небольшой силой инерции и прижимаются к кулачку, снижая шумность работы механизма.
Недостатком такого кулачка, имеющего изогнутый сбег, является очень медленно изменяющийся подъем на вершине сбега при быстром изменении скорости и ускорении. Поэтому незначительное отклонение в зазоре или жесткости деталей механизма газораспределения приводят к заметному смещению точек открытия и посадки клапана и к высоким скоростям и ускорениям открытия и посадки клапана. Все это приводит к увеличению шумности и повышению динамических нагрузок клапанного привода. Недостатком кулачка, имеющего сбег, дающий постоянную скорость подъема, является значительная его протяженность. Это связано с наличием участка постоянной скорости подъема. Для уменьшения протяженности сбега необходимо увеличивать скорость на данном участке, что приводит к увеличению ускорения на ускоряющем участке. При этом в точке стыка данных участков может значительною возрасти сила инерции, что приводит к повышению динамических нагрузок клапанного привода.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является кулачок привода клапана механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания (патент Российской Федерации №1740711, кл. F01L 1/08, бюл. №22, 1992), содержащий поверхности подъема и опускания, образованные кривой 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 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.
Недостатком такого кулачка является то, что компенсация теплового зазора и посадка клапана на седло происходит на участке положительных значений. В этот момент скорости и ускорения деталей могут оказаться весьма высокими, что приведет к повышению динамических нагрузок клапанного привода.
Техническим результатом изобретения является снижение динамических нагрузок клапанного привода путем обеспечения плавного сопряжения участка сбега и участка положительных значений при выполнении условия неразрывности третьей производной перемещения толкателя.
Это достигается тем, что 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 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 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, при этом перед участком положительных значений расположен участок сбега, образованный кривой третьей производной перемещения толкателя с наперед заданными значениями подъема, первой производной перемещения толкателя в начале и значениями подъема, первой, второй производной перемещения толкателя в конце участка сбега, причем при выполнении условия неразрывности третьей производной перемещения толкателя ее значение в конце участка сбега и начале участка положительных значений равно нулю, а значения третьей производной перемещения толкателя S'" на участке сбега определяются по формуле:
где а - коэффициент, определяемый по формуле
сб
S′′ - заданные значения аналога скорости и ускорения толкателя в конце участка сбега и начале участка положительных значений;
φ - текущее значение угла поворота кулачка;
сб
Ф - протяженность участка сбега.
На фиг.1 приведен пример реализации кулачка привода клапана; на фиг.2 - кривая второй производной перемещения толкателя разработанного кулачка и прототипа.
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 1, 2 и отрицательных значений 3, 4, 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 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, при этом перед участком положительных значений расположен участок сбега 5, 6, образованный кривой третьей производной перемещения толкателя с наперед заданными значениями подъема, первой производной перемещения толкателя в начале и значениями подъема, первой, второй производной перемещения толкателя в конце участка сбега, причем при выполнении условия неразрывности третьей производной перемещения толкателя ее значение в конце участка сбега и начале участка положительных значений равно нулю, а значения третьей производной перемещения толкателя S′′′ на участке сбега определяются по формуле:
где a - коэффициент, определяемый по формуле
сб
S′′ - заданные значения аналога скорости и ускорения толкателя в конце участка сбега и начале участка положительных значений;
φ - текущее значение угла поворота кулачка;
сб
Ф - протяженность участка сбега.
Пример выполнения профиля кулачка
Проинтегрировав (1), получим
1
2
3
где С, С, C - постоянные интегрирования, определяемые по приведенным ниже формулам (10), (8), (9).
сб
1
2
3
Определим значения параметров а, Ф, С, С, С с учетом граничных условий в начале и в конце участка сбега
сб
сб
сб
где S, S′, S″ - заданные значения перемещения толкателя, аналога его скорости и ускорения в конце участка сбега и начале участка положительных значений.
1
Выразив из (5) С и подставив в (6) с учетом (8), получим
сб
Подставив (8), (9), (10), (11) в (7), получим выражение для определения протяженности участка сбега Ф
1
2
3
Подставив a, С, С, С в (1), (2), (3), (4) получим
сб
Из фиг.1 видно, что зависимость (1) обеспечивает нулевые значения третьей производной S″′ в начале и в конце участка сбега. Следует отметить, что характер изменения S″′ позволяет получать участок сбега небольшой протяженности, причем легко обеспечивается не только непрерывность, но и гладкость ускорения на всем протяжении профиля, так как кривые S″ на участке сбега и участке положительных значений могут быть плавно сопряжены. При этом возможно получение ненулевого значения ускорения в конце участка сбега и начале участка положительных значений (задание значения S″), что способствует росту общего уровня положительного ускорения толкателя и повышению эффективности характеристик механизма газораспределения.
сб
сб
сб
2
На участке сбега 5, 6 заданы начальные условия: значения перемещения S=0,28 мм, скорости S′=2,7 мм/рад и ускорения толкателя S″=5 мм/рад в конце участка сбега и начале участка положительных значений.
Из фиг.2 видно, что при выполнении условия неразрывности третьей производной перемещения толкателя происходит плавное сопряжение участка сбега с участком положительных значений (кривая 7). В результате этого снижаются динамические нагрузки клапанного привода. В прототипе отсутствие участка сбега (кривая 8) приводит к тому, что скорости и ускорения деталей в момент компенсации зазора и при посадке клапана на седло могут оказаться весьма высокими, что приведет к повышению динамических нагрузок и снижению надежности клапанного привода. Следует отметить, что в прототипе предусмотрена возможность плавного изменения второй производной перемещения толкателя в начале участка положительных значений путем обеспечения нулевого значения третьей производной в начале участка положительных значений.
Таким образом, использование предлагаемого кулачка позволяет формировать профиль с участком сбега, удовлетворяющий предъявляемым к нему требованиям по снижению динамических нагрузок клапанного привода путем плавного сопряжения его с участком положительных значений.