КЛАПАННЫЙ МЕХАНИЗМ С ПРУЖИНОЙ, ИМЕЮЩИЙ ВИТКИ РАЗЛИЧНОГО ДИАМЕТРА

Полезная модель относится к машиностроению, к системам управления, приводящим в действие запорный элемент клапана. В частности, полезная модель относится к механизмам управления центробежных клапанов ограничителей оборотов для двигателей внутреннего сгорания.
В настоящее время для регулирования частоты вращения коленчатого вала двигателя используется пневмоцентробежный ограничитель частоты, с центробежным датчиком, предотвращающим работу двигателя с частотой вращения коленчатого вала, превышающей номинальную, а, следовательно, и слишком быстрый износ деталей и поломку двигателя. При этом к центробежному датчику и в частности к его клапанному механизму предъявляются следующие требования:
Обеспечение достаточно точного ограничения максимальной частоты вращения коленчатого вала двигателя при любых режимах работы двигателя.
Стабильность работы, легкость регулирования и возможность настройки на разную частоту вращения вала.
В настоящее время в России наиболее широко распространены центробежные датчики ограничителя оборотов коленчатого вала двигателя, которые применяются на восьмицилиндровых двигателях ГАЗ и ЗИЛ для грузовых автомобилей и автобусов (Двигатели внутреннего сгорания: Системы поршневых и комбинированных двигателей. Учебник для вузов. Под ред. А.С.Орлина, М.Г.Круглова. - Третье изд. - Москва: Машиностроение, 1985, стр.105, 106).
Клапанный механизм центробежного датчика расположен внутри полого ротора, имеющего возможность свободного вращения внутри полого статора. В состав клапанного механизма входит установленный в полости ротора регулировочный винт с надетой и закрепленной на нем винтовой пружиной. Цилиндрическая винтовая пружина закреплена на регулировочном винте и имеет отгиб, препятствующей ее проворачиванию при сборке и регулировке клапана. Противоположный конец пружины прикреплен с помощью зацепа к запорному элементу клапана, имеющему возможность перемещения в седле клапана, установленного внутри ротора. В седле клапана имеется отверстие. Через отверстие в седле клапана полость статора соединена с полостью ротора. Это отверстие при достижении установленной частоты вращения вала двигателя и соответствующем растяжении цилиндрической пружины клапанного механизма перекрывается запорным элементом и приводит к срабатыванию датчика.
Конструкция выше указанного клапанного механизма имеет следующие недостатки: при неизменных габаритах клапанного механизма в нем возможно использовать только короткий регулировочный винт (использование длинного винта невозможно из-за применения цилиндрической винтовой пружины с постоянным диметром витков, не позволяющим регулировочному винту свободно проходить сквозь них), что резко сокращает возможность регулировки клапанного механизма и уменьшает диапазон настройки датчика на различные величины частот ограничения работы двигателя. Применение короткого винта при работе клапанного механизма, в свою очередь, не препятствует возникновению относительно больших поперечных колебаний пружины, отрицательно влияющих на стабильность работы датчика, что будет приводить к снижению точности срабатывания датчика и сокращению срока его эксплуатации.
При настройке клапанного механизма вращение винта приводит к линейному перемещению цилиндрической пружины вдоль оси регулировочного винта, при этом меняется количество витков, которыми пружина надета на регулировочный винт и количество свободных рабочих витков, определяющих жесткость пружины, что дополнительно усложняет настройку датчика, так как существенно резко возрастает чувствительность регулировочного винта (нелинейно увеличивается значение регулируемой частоты при том же повороте регулировочного винта).
Таким образом, задачей данной полезной модели является создание клапанного механизма с увеличенной точностью срабатывания центробежного клапана при достижении заданной частоты вращения, с более стабильной работой клапана и с расширением диапазона величин регулируемых частот срабатывания.
Поставленная задача решена путем создания клапанного механизма, расположенного внутри полого ротора, перпендикулярно оси его вращения, включающего в себя установленный в роторе по оси клапанного механизма регулировочный винт с одетой и закрепленной на нем винтовой пружиной с возможностью корректировки ее положения относительно регулировочного винта. Винтовая пружины закреплена на регулировочном винте и имеет отгиб, а противоположный конец винтовой пружины снабжен зацепом, с помощью которого винтовая пружина прикреплена к запорному элементу клапана, имеющему возможность перемещения в седле клапана.
Предложенный клапанный механизм характеризуется тем, что часть винтовой пружины со стороны своего прямого конца выполнена цилиндрической, имеющей витки одного диаметра, которыми она надета и закреплена на регулировочном винте, а оставшаяся часть винтовой пружины имеет витки увеличенного диаметра, сквозь которые свободно проходит регулировочный винт.
Исполнение винтовой пружины, имеющей часть витков увеличенного диаметра, позволяет увеличить длину регулировочного винта (при этом регулировочный винт имеет возможность свободно проходить сквозь витки увеличенного диаметра), что обеспечивает плавную регулировку работы клапанного механизма, с высокой точностью ограничения максимальной частоты вращения. Кроме того, увеличение длины регулировочного винта позволяет расширить рабочий диапазон датчика. При настройке датчика с помощью регулировочного винта, количество витков пружины воспринимающей нагрузку от растяжения не меняется, что делает жесткость пружины независящей от положения пружины относительно регулировочного винта и упрощает процесс регулирования. Длинный регулировочный винт служит так же направляющей, ограничивающей поперечные колебания пружины, и обеспечивает стабильную работу клапанного механизма.
Предпочтительно часть винтовой пружины увеличенного диаметра выполнять цилиндрической, что упрощает изготовление данной детали и последующую регулировку клапанного механизма.
Выполнение винтовой пружины с отношением внутреннего диаметра цилиндрической части пружины увеличенного диаметра к наружному диаметру резьбы регулировочного винта находится в диапазоне от 1,05 до 1,35, позволят достичь эффективной работы цилиндрической части пружины без ее зацеплений и трения о направляющий винт, одновременно без существенного увеличения размеров полости ротора и соответственно габаритов ротора.
Исполнение винтовой пружины с отношением величины шага резьбы регулировочного винта к диаметру проволоки пружины в диапазоне от 0,7 до 1, при высоте профиля резьбы составляет не менее 0,5 диаметра проволоки, позволяет улучшить зацепление между регулировочным винтом и винтовой пружиной.
Выполнение винтовой пружины с отношением внутреннего диаметра витков пружины, с помощью которых пружина крепится на регулировочном винте и наружного диаметра резьбы регулировочного винта в диапазоне от 0,88 до 0,98, при направление навивки пружины соответствующем направлению резьбы регулировочного винта так, же способствует улучшению зацепление между регулировочным винтом и винтовой пружиной.
Число витков, с помощью которых пружина крепится на регулировочном винте наиболее оптимально выбирать в диапазоне от 6 до 10, что обеспечивает достаточную жесткость крепления пружины к винту без существенного увеличения длинны части пружины с помощью которой она крепится на регулировочном винте.
Возможно исполнение пружины с переходом за один виток от витков, с помощью которых пружина крепится на регулировочном винте, к виткам большего диаметра.
Клапанный механизм так же может выполняться с отношением длины стержня регулировочного винта к длине всей винтовой пружины с зацепом находящимся в диапазоне от 1,0 до 1,4.
На Рис.1 изображен поперечный разрез ротора с клапанным механизмом.
Описание предпочтительного варианта исполнения полезной модели.
Внутри полого ротора 1, перпендикулярно оси его вращения N расположен клапанный механизм, включающий в себя установленный в роторе 1 по оси М клапанного механизма регулировочный винт 2 с одетой и закрепленной на нем винтовой пружиной 3. Пружина 3 одета на регулировочный винт 2 и закреплена на нем цилиндрической частью меньшего диаметра 4. Цилиндрическая часть винтовой пружины 3 меньшего диаметра 4 имеет прямой отгиб 5, перпендикулярный оси клапанного механизма, препятствующий поворачиванию пружины 3 при вращении регулировочного винта 2. Цилиндрическая часть меньшего диаметра 4 имеет 8 витков. Цилиндрическая часть меньшего диаметра 4 винтовой пружины 3 за один виток переходит в цилиндрическую часть большего диаметра 6. За зацеп 7 винтовая пружина 3 прикреплена к запорному элементу клапана 8, имеющему возможность перемещения в седле клапана 9.
Клапанный механизм работает следующим образом: при вращении ротора 1 перпендикулярно к оси N запорный элемент клапана 8 под воздействием центробежной силы перемещается в седле клапана 9 и при достижении установленной частоты вращения вала двигателя достигает дна 10 седла клапана 9 и перекрывает расположенное в нем отверстие 11.
Настройка клапанного механизма происходит следующим образом. Поворотом регулировочного винта 2 добиваются такого положения пружины 3, при котором запорный элемент 8 перекрывает отверстие 11 в дне седла клапана 9 с необходимой степенью герметичности при заданной с требуемой точностью частоте вращения ротора 1. Настройка клапанного механизма производится на специальном стенде.
При проведении настройки и испытаний пневмоцентробежных ограничителей частоты с клапанным механизмом, выполненным в соответствии с предлагаемой полезной моделью, было установлено, что использование винтовой пружины имеющей витки различного диаметра позволило:
расширить диапазон регулировок скорости вращения ротора центробежного датчика от 1400 до 2000 об/мин;
увеличить точность срабатывания центробежного датчика до 1.2% от установленной номинальной частоты;
увеличить срок эксплуатации датчика, обеспечивая девяностопроцентный ресурс датчика до списания при эксплуатации не мене 250000 км;
упростить регулировку и сократить не менее чем в 2 раза время настройки датчика при массовом производстве.
Клапанный механизм, с пружиной, имеющей витки различного диаметра в соответствии с настоящей полезной моделью внедрен заявителем при производстве центробежных клапанов ограничителей оборотов для двигателей внутреннего сгорания.