Чайнов Н.Д. - Конструирование двигателей внутреннего сгорания (1037884), страница 67
Текст из файла (страница 67)
Силы, действующиев механизме газораспределенияПри нижнем расположении распределительного вала и подвесныхклапанах движение последним сообщается с помощью плоского механизма. Схема такого механизма спрямолинейным движением нижi0,1 - hx sin(h 0 - g 0 - x 0 )a sin 2 x 0 sin(h 0 - g 0 )(8.43)где i0 = asinx0 /[bsin(h0 - g0)] – передаточное отношение в момент начала подъема клапана; h0 – угол наклона плеча коромысла к оси толкателя; x0 – угол наклона плеча коромысла к оси клапана; g0 – угол наклона штанги к оси толкателя в момент начала подъема (рис.
8.6).Передаточное отношение приподъеме клапана возрастает на 3–5 %. Учитывая, что практически h0 - g0 » x0, при расчетах обычно принимаютi » i 0 = a b.(8.44)Следует заметить, что неучет деформаций при нагружении элементов привода на кинематику МГРзначительно сильнее влияния изменения передаточного отношения.На детали механизма газораспределения действуют: сила давления газов на клапан; силы инерциидвижущихся деталей МГР; усилияклапанных пружин; усилие кулачкана толкатель; силы трения и вес деталей МГР. В быстроходных двигателях с относительно небольшимдиаметром цилиндра двумя последними силами часто пренебрегают.324Рис. 8.41. Изменение действующих на детали механизма газораспределения сил в зависимости от угла поворота распределительного валаНа рис.
8.41 показано изменение сил Рг от давления газов, Рппружины и Pj инерции в зависимости от угла j поворота распределительного вала. Суммарные ординаты заштрихованы. В момент началаоткрытия клапана указанные силысоответственно равны Рг0, Рп0, Рj0.Полная сила, нагружающая детали механизма на первом участкепрофиля кулачка АВ,P = Pг + Pп + P j .(8.45)При движении толкателя на втором участке ВС сила инерции иусилие пружины направлены в разные стороны.При расчете деталей МГР напрочность действующие силы следует приводить к оси клапана (прирасчете пружины – участок ВС)или к оси толкателя (при расчетештанги, толкателя и других деталей, испытывающих наибольшуюнагрузку на участке АВ, см.рис. 8.6. В первом случае для определения сил инерции Pj МГР массавсех его подвижных элементов заменяется из условия равенства моментов сил инерции масс относительно оси вращения рычага приведенной массой mк, сосредоточенной на оси клапана и перемещающейся по закону движения клапана.
Применительно к схеме МГР,показанной на рис. 8.6, приведенная масса mк определяется по формулеmп+ m тар + m зам +32æ b ö Ip(8.46)+ (m т + m ш ) ç ÷ + 2 ,èaø am сум = m к +где mк, mп, mтар, mзам, mт, mш – массасоответственно клапана, пружины,тарелки, замка, толкателя и штанги; Ip – момент инерции коромысла относительно оси вращения.Приведенная к оси клапана силаинерцииP jк = - m сум.к j x .(8.47)При расчете распределительноговала, штанги и толкателя при определении сил инерции МГР массавсех его подвижных элементов заменяется приведенной массой mсум.т,сосредоточенной на оси толкателя иперемещающейся по закону движения толкателя,mæm сум = m т + m ш + ç m к + п +3è2ö æ a ö Ip+ m тар + m зам ÷ ç ÷ + 2 .÷èbø bø325(8.48)Приведенная к оси толкателясила инерцииP j т = - m сум.т j тх .(8.49)Приведенные к оси толкателясилы давления газа Pг¢ и пружиныР п¢ определяют по формуламPг¢ = Pг i ; üýPп¢ = Pп i .þ(8.50)При верхнем расположении распределительного вала и непосредственном приводе клапана (см.рис.
8.7) закон движения клапанасовпадает с законом движения толкателя. Толкатель и клапан начинают двигаться после выборки теплового зазора. При верхнем расположении распределительного валаи рычажном приводе клапана возрастание усилий в кулачковорычажном механизме характеризуетсякоэффициентом k, равным отношению нормальной силы S на поверхности контакта рычага и кулачка и осевой силы Р на поверхности контакта рычага и клапана.Для обеспечения высокой жесткости привода клапана значение kдолжно быть не более 1,5.8.3. Моделирование тепловогои напряженнодеформированногосостояний деталей механизмагазораспределения8.3.1. КлапаныКлапаны являются наиболее теплонапряженными деталями поршневого двигателя.
При работе двигателя клапаны воспринимают тепловые и механические нагрузки (отсил давления горячих газов, силэлементов привода, сил инерции).Вследствие нестационарности действующих нагрузок клапаны могутиспытывать поперечные колебания, которые, в свою очередь, могут быть причиной усталостногоразрушения стержня клапана.По форме клапаны являются телами вращения, поэтому при определении теплового и напряженнодеформированного состояния следует использовать осесимметричные модели. Применявшиеся впрошлом аналитические одномерные модели с использованием теории круглых пластин переменнойтолщины являются чрезмерно упрощенными и их использованиенецелесообразно.В настоящее время расчет теплового и напряженнодеформированного состояния клапана следуетпроводить с помощью численныхметодов, в частности, метода конечных элементов.8.3.1.1.
Определение тепловогосостояния клапановСложность расчета температурного поля клапана заключается в задании правильных условийтеплообмена по контуру меридионального сечения клапана.При применении осесимметричной конечноэлементной моделитребуется оценить локальныезначения коэффициента теплоотдачи и результирующую температуру среды, омывающей клапан.Со стороны камеры сгорания коэффициент теплоотдачи aг исредняя результирующая температура в первом приближенииопределяется, как и для днищапоршня или головки цилиндра, споследующим осреднением в течение рабочего цикла двигателя.Теплота, воспринимаемая головкой клапана от горячих газов, отводится, главным образом, в головку (крышку) цилиндров.
При326этом значительная доля теплотыотводится в закрытом состоянииклапана через его фаску в седло.Специальные исследования теплообмена на посадочной поверхности головки клапана показаливысокую интенсивность теплоотдачи на фаске клапана. Поскольку давление в цилиндре переменно и вызывает изменение усилийв контакте, то изменяется и интенсивность контактного теплообмена, которая также зависитот состояния и качества поверхностей, свойств контактирующих материалов, свойств межконтактной среды, наличия пленок и отложений на поверхности. При вычислении коэффициент теплоотдачи при контактномтеплообмене можно определитьпо формуле (4.12).
При этом индекс "к" следует отнести к параметрам, характеризующим клапан, а индекс "п" заменить наиндекс "c", который здесь характеризует параметры седла головки (крышки) цилиндров. Средниезначения коэффициентов контактного теплообмена aк составляют 9000–10 000 Вт/(м2×К) дляфаски впускного клапана и 3000–3500 Вт/(м2×К) для фаски выпускного клапана.На опорной поверхности приоткрытом клапане теплообменпроисходит в условиях вынужденного турбулентного движения газов в кольцевой щели с переменной скоростью и параметрами газа.
В этот период тепловой потокнаправлен к фаске клапана, температура которой увеличивается. После посадки клапана на седло направление теплового потока изменяется на противоположное, таккак обычно седло имеет более низкую температуру.Используемые при расчете коэффициенты теплоотдачи относятся ко всему рабочему циклу двигателя, поэтому требуется приведениевеличины aк, с учетом продолжительности закрытия впускного клапана в течение [4p - (a1 + a2 + p)]радиан угла поворота коленчатоговала, а выпускного клапана в течение [4p - (a3 + a4 + p)] радиан (вслучае четырехтактного двигателя).В остальное время рабочего циклаголовка впускного клапана омывается свежим зарядом, а головка выпускного клапана – горячими газами. Этим объясняется существенное различие температур головоквпускных и выпускных клапанов.Теплообмен на боковой поверхности клапанов в газовоздушных каналах головки (крышки) цилиндровимеет сложный характер и зависитот положения клапанов (открытыили закрыты).
При открытом выпускном клапане его боковая поверхность омывается высокоскоростным потоком горячих газов. При закрытом клапане в канале головкицилиндров имеют место колебаниямассы газа, оказывающие влияниена процесс теплообмена. Во впускном канале отмеченные процессыпроисходят между свежим зарядоми боковой поверхностью впускногоклапана. Обычно средний коэффициент теплоотдачи составляет 300–600 Вт/(м2×К).Интенсивность теплоотдачи отстержня клапана к втулке зависит восновном от значения зазора d между стержнем и втулкой и коэффициента теплопроводности средыlср, заполняющей зазор. Коэффициент теплоотдачи от стержня квтулке можно ориентировочно определить по формуле327a вт = l cp d .(8.51)Коэффициент теплоотдачи отстержня клапана за пределами направляющей втулки к окружающейсреде в крышке головки цилиндраневелик и может быть принят равным 60–70 Вт/(м2×К).При наличии у клапана полости, частично заполненной жидким теплоносителем, интенсивность переноса теплоты от тарелки клапана к его стержню определяется или расчетом температурыжидкого теплоносителя и коэффициентов теплоотдачи по внутренней поверхности полости, илимоделированием процесса передачи теплоты за счет теплопроводности среды с условной проводимостью.Обычно в качестве теплоносителя используют натрий, которыйпри работе двигателя нагревается,расплавляется и, находясь в поледействия знакопеременных инерционных сил, перемешивается своздухом и переносит теплоту с более нагретой поверхности головкив стержень клапана.Условный коэффициент теплопроводности lусл, определяющийэффективность переноса теплоты оттарелки в стержень, для клапановлежит в пределах 200–400 Вт/(м ×К).Анализ расчетных исследованийпоказал, что параметры теплообмена оказывают локальное влияние натемпературу клапана.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
