Устройство для бесступенчатого принудительного изменения углового положения кулачкового вала при стендовых испытаниях двигателя
DEVICE FOR STEPLESS FORCED VARIATION OF ANGULAR POSITION OF CAM SHAFT DURING BENCH TESTS OF ENGINE

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для изменения углового положения кулачкового вала при испытании двигателя после модернизации газораспределительного механизма (ГРМ), при проведении стендовых испытаний на стадии доводки конструкции вновь разрабатываемых типоразмеров ДВС, при решении задач по форсированию или дефорсированию двигателя и др.
Известно устройство изменения углового положения кулачкового вала относительно коленчатого вала (В.Н. Степанов «Тюнинг автомобильных двигателей» СПб 2000 г.), представляющее собой составную шестерню привода распределительного вала, позволяющую изменять положение ее венца относительно ступицы (угловое положение кулачкового вала относительно коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания).
Известно также устройство (патент РФ №20630522 МПК, F01L 1/34) для установки фаз газораспределения двигателя внутреннего сгорания, содержащее звездочку цепного привода, установленного на носке кулачкового вала, и муфту с регулировочными отверстиями; при этом звездочка снабжена отдельным фланцем с регулировочными отверстиями. При регулировании поворачивают звездочку или кулачковый вал на необходимый угол и через совпадающие отверстия соединение фиксируют болтами.
Главным недостатком анализируемых устройств является отсутствие возможности изменения углового положения кулачкового вала на ходу (на работающем двигателе), большой временной разрыв между моментом изменения углового положения кулачкового вала и моментом определения результативности такого изменения.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство регулирования фаз газораспределения (патент РФ № 2323352 МПК, F01L 1/352), содержащее ведущий шкив и привод, с валом которого связан кулачковый вал механизма газораспределения, привод выполнен в виде двух планетарных с одинаковым передаточным числом передач, каждая из которых содержит центральный вал, кинематически связанный с центральным колесом через подвижно установленный в общем водиле сателлит, причем центральный вал одной из планетарных передач связан с ведущим шкивом механизма газораспределения, а центральное колесо ее - с поворотным исполнительным механизмом, при повороте этого центрального колеса происходит угловое смещение центральных валов и обеспечивается угловой сдвиг кулачкового вала. Данное устройство соответствует требованию изменения на заданную величину углового положения кулачкового вала на работающем двигателе.
Недостатком такого устройства является его сложность, существенны затраты на изготовление. Например, необходимо изготовить более десяти зубчатых колес повышенной точности, а компоновочная схема и размеры устройства таковы, что потребуются существенные дополнительные конструкторско-технологические работы для подключения его при стендовых испытаниях двигателя.
Задачей изобретения является упрощение конструкции, снижение габаритно-массовых показателей, снижение трудоемкости подключения устройства при стендовых испытаниях двигателя и возможность принудительного бесступенчатого изменения углового положения кулачкового вала на любом режиме испытания двигателя.
Решение поставленной задачи достигается тем, что устройство для бесступенчатого принудительного изменения углового положения кулачкового вала при стендовых испытаниях двигателя, содержащее кулачковый вал и размещенный соосно с кулачковым валом технологический привод (шестерня, звездочка), соединенный с коленчатым валом, в отличие от прототипа кинематическая цепь передачи движения от привода к кулачковому валу содержит обратимую винтовую пару и механизм принудительного изменения взаиморасположения элементов обратимой винтовой пары.
Винтовая пара выполнена преимущественно в виде обратимой шарико-винтовой передачи, включающей обойму, содержащую участок внутренних прямолинейных шлицев, жестко соединенную с приводом, сепаратор, соединенный с кулачковым валом двигателя, и вал с винтовой нарезкой и прямолинейными шлицами для осевого перемещения вала с винтовой нарезкой относительно обоймы, между сепаратором и валом в винтовых канавках расположены тела качения, предназначенные для передачи усилия с вала с винтовой нарезкой на сепаратор.
Для осевого перемещения винтового вала относительно сепаратора на хвостовике вала установлено устройство, содержащее подшипниковый узел и связанный с ним механизм изменения осевого взаиморасположения винтового вала и сепаратора резьбовым соединением, гайка резьбового соединения жестко соединена с корпусом, в котором размещены все детали устройства, а корпус закреплен на технологической крышке картера газораспределительного механизма.
В результате патентного поиска не выявлено технических решений, идентичных заявленному. Новая совокупность признаков, а именно, винтовая передача, встроенная между приводом кулачкового вала и кулачковым валом, ручной привод принудительного изменения взаиморасположения элементов винтовой пары и размещение устройства на технологической крышке картера механизма ГРМ позволяют получить новый технический результат - упрощение конструкции, уменьшение габаритно-массовых параметров, снижение трудоемкости и погрешности измерения параметров на всех режимах испытания двигателей, что подтверждает причинно-следственную связь новой совокупности признаков и достигаемого результата, которая не была известна из уровня техники до создания данного технического решения, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «изобретательский уровень».
Предлагаемое устройство может применяться в машиностроении (двигателестроении) при проведении НИОКР по модернизации газораспределительного механизма, форсированию и дефорсированию двигателей и на стадии доводки новых ДВС, что соответствует критерию «промышленная применимость».
Изобретение поясняется чертежом (Фигура), где представлена схема устройства для бесступенчатого принудительного изменения углового положения кулачкового вала при стендовых испытаниях двигателя. Устройство содержит технологический привод (шестерню, звездочку) кулачкового вала 10 (не содержит шпоночного соединения) и кулачковый вал 11, к ступице привода (шестерня, звездочка) прикреплена обойма 7 обратимой шарико-винтовой передачи, имеющая участок с внутренними прямолинейными шлицами 6, которые сочленяются с шлицевым участком вала с винтовой нарезкой 5; эти шлицы предназначены для передачи момента вращения от обоймы (привода кулачкового вала) к валу с винтовой нарезкой. Полупогруженные в винтовые канавки тела качения 9 (шарики) передают усилие вращения на сепаратор 8, жестко соединенный с кулачковым валом 11. На хвостовике винтового вала шарико-винтовой передачи у подшипниковой опоры 4 смонтирован подшипниковый узел 3 для передачи осевого усилия от механизма осевого перемещения 2 - «винт-гайка» на винтовой вал, при этом корпус подшипникового узла 3 при вращении рукоятки 1 может совершать только осевые перемещения совместно с валом 5 с винтовой нарезкой. Корпус, в котором размещены механизмы и детали устройства (кроме рукоятки управления) закреплен на технологической крышке картера газораспределительного механизма двигателя.
Устройство работает следующим образом. Двигатель монтируют на испытательный стенд, снабженный устройствами контроля угловой скорости коленчатого вала, крутящего момента, измерения углового положения кулачкового вала, расхода топлива и др. После установки (монтажа) устройства для принудительного бесступенчатого изменения углового положения кулачкового вала двигатель запускают, прогревают и устанавливают один из предусмотренных планом испытаний режим нагрузки. Вращением рукоятки управления 1 оператор перемещает вал с винтовой нарезкой 5 в осевом направлении, возникающая при этом тангенциальная составляющая силового взаимодействия тел качения 9 и винтовой канавки вала 5 поворачивает в тангенциальном направлении сепаратор 8 и связанный с ним кулачковый вал 11 на определенный угол относительно обоймы 7 и привода кулачкового вала 10.
Если коррекция углового положения кулачкового вала выполнена в благоприятном направлении, улучшающем наполнение и удаление отработавших газов, то угловая скорость коленчатого вала двигателя будет возрастать при неизменном цикловом расходе топлива, и ее (угловую скорость) следует вернуть в соответствие плану испытания уменьшением циклового расхода топлива. За наилучшее значение углового положения кулачкового вала для данного режима испытания принимают такое, при котором отклонения углового положения кулачкового вала в «плюс» или в «минус» ведут к снижению мощности при данном минимальном расходе топлива. Аналогичные действия выполняют на всех режимах, включенных в план испытаний, а полученная при реализации плана испытаний информация является основой технического задания на проектирование систем управления работой газораспределительного механизма двигателя.
Устройство обеспечивает возможность принудительного бесступенчатого изменения углового положения кулачкового вала на любом режиме испытания двигателя, упрощение конструкции, снижение габаритно-массовых показателей, снижение трудоемкости и погрешности измерения исследуемых параметров.