CC BY
45
-\-
УДК 656.021.1
Н.Г. Фаталиев, А.Г. Баламирзоев
КЛАПАНЫ МЕХАНИЗМА ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ СО СФЕРИЧЕСКИМИ КОНТАКТНЫМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ
В статье рассматривается конструкции механизма газораспределения (МГР), в частности формы поверхности контакта «клапан - седло» двигателей внутреннего сгорания. Отмечается, что в современных двигателях из-за простоты конструкции и изготовления, широкое применение нашли клапаны с плоскими (тарельчатыми) головками. Перспективными являются клапаны и другие детали МГР из керамики, так как они отличаются большей износостойкостью. Авторы статьи предлагают изготавливать контактные поверхности пары «клапан - седло» сферической формы вместо применяемого усеченного конуса. Приводят преимущества сферической формы поверхностей клапана и седла, а также возможный экономический эффект от внедрения таких клапанов.
Ключевые слова. Конструкция, клапан, форма, механизм, газораспределение, седло, керамика, углы, фаска, нагар, самопритирка, износ, герметичность.
В современных четырехтактных автотракторных двигателях внутреннего сгорания широкое распространение получили клапанные механизмы газораспределения (МГР).
Механизм газораспределения в основном выполняются по двум конструктивным схемам: с верхним и нижним расположением клапанов. Большинство современных двигателей имеет верхнее расположение клапанов.
Механизм газораспределения необходим для впуска в цилиндры свежего заряда (горючей смеси или воздуха) и выпуска из них отработавших газов. Эти процессы должны протекать в определённые промежутки времени.
Следовательно, механизм газораспределения служит для эффективного газообмена в двигателях, который характеризуется коэффициентом наполнения с учётом равномерности наполнения отдельных цилиндров.
При конструировании механизмов газораспределения необходимо учитывать получение максимальных проходных сечений, обеспечивающих хорошее наполнение и очистку цилиндра, а также сокращение до минимума массы подвижных деталей для уменьшения инерционных нагрузок.
Поэтому основными требованиями, предъявляемыми ко всем видам МРГ, являются: простота конструкции, малая стоимость изготовления и ремонта, хорошее уплотнение камеры сгорания, надежность этих элементов, обеспечение наиболее эффективного процесса газообмена для получения оптимального соотношения между мощностными, экономическими и экологическими показателями двигателей.
В зависимости от формы головки клапаны бывают плоские, выпуклые и тюльпанообразные.
Головки плоских (тарельчатых) клапанов наиболее просты при изготовлении и отличаются сравнительно большой толщиной головки, малым радиусом перехода от стрежня в головке и плоским торцом головки (рис. 1).
Выпуклая форма головки характерна для выпускных клапанов. С вогнутой (тюльпанообразной) формой головки выполняются впускные клапаны, снижающие гидравлические потери при поступлении свежего заряда в цилиндр.
Угол фаски для выпускных клапанов выполняют в 45°, а для впускных - 30° и 45°. Угол фаски головки клапана выполняются на 0,5... 1° меньше угла фаски седла, что обеспечивает контакт между клапанами и седлом по наружной кромке фаски и гарантирует быструю притирку и плотное прилегание клапана к седлу. Со стороны
-\-
стержня головки клапана придается коническая форма. Угол при основании конуса (у
фаски) 12... 15°. Для выпускных клапанов этот угол ближе к 20...250.
Рис. 1 Конструкция клапана в форме усеченного конуса поверхностей контакта «клапан- седло»
Седла клапанов работают в условиях, во многом сходных с работой головок клапанов. На рабочие поверхности седел выпускных клапанов наносят слой тугоплавкого материала. Уплотняющий поясок седла имеет 45° и ширину около 2 мм.
Перспективным является также широкое внедрение керамики в МГР, в которой используются высокочистые окислы, нитриды, карбиды металлов (алюминия, циркония, титана).
Существенный эффект получится, если в паре «клапан - седло» применить контактную поверхность сферической формы (рис.2) вместо применяемого усеченного конуса.
Сферическая форма позволяет контактировать клапану с седлом по поверхности очень малой ширины, что снижает износ между ними, гидравлическое сопротивление и накопление нагара. При этом повышается герметичность пары «клапан-седло» и ускоряется процесс поступления горючей смеси в цилиндры из-за снижения гидравлического сопротивления.
В процессе износа сферические поверхности клапана и седла примут форму конусных поверхностей, как у обычных пар «клапан-седло».
Нагарообразование на контактируемой сферической поверхности практически можно свести на нет, если использовать механизм (устройство) для поворота клапанов при их открытии и закрытии.
Это способствует удалению нагара и притирке клапанов с седлами в процессе работы двигателя.
Самопритирка клапанов с седлами в процессе работы практически исключает ремонтные работы в паре «клапан - седло» до очередного капитального ремонта двигателя.
-\-
Клапанные пружины служат для удержания клапанов в закрытом состоянии и для
поддержания постоянной кинематической связи между деталями газораспределительного механизма. Появление в клапанном узле увеличенных зазоров приводит к работе со стуками в клапанах, а поверхности пары кулачок - толкатель быстро изнашиваются.
Рис. 2 Предлагаемая конструкция клапанов со сферическими поверхностями контакта «клапан- седло»
Обычно в клапанном узле применяется одна или две цилиндрические пружины, в последнем случае направление их навивки делается разным для устранения заклинивания при поломке одной из пружин. С целью устранения возникновения резонансных явлений шаг навивки пружин делается переменным. Для пружин применяются стали 50ХФА, 50ХГА, 65Г. Расчет механизма газораспределения, начинают с определения проходных сечений в горловине и в седле впускного клапана. Рассмотрим методику расчета основных параметров деталей клапанного узла, согласно предлагаемым схемам.
Площадь проходного сечения в клапане определяется при условии неразрывности потока несжимаемого газа по условной средней скорости в сечении седла при максимальном подъёме клапана [2,3] на режиме номинального числа оборотов по формуле:
Ркл = ип.ср.' Гп /(¡кл'Ювп), см2, (1)
где ипср - средняя скорость поршня, м/с;
г1 2
гп - площадь поршня см ;
1кл - число одноимённых клапанов;
твп - скорость газа в проходном сечении клапана (для впускного клапанов должна быть равна или меньше скорости, принятой в тепловом расчёте при определении потерь давления на впуске Лра), м/с.
Проходное сечение в горловине должно обеспечивать пропускную способность впускного или выпускного тракта. С учётом площади сечения стержня, проходящего через горловину, площадь сечения горловины принимают равной:
¥гор = (1,1 ... 1,2) Гкл. (2)
Тогда диаметр горловины можно определить по формуле:
ёгор = 10 •
4 F
гор
(3)
ж
Величина максимального диаметра горловины ограничивается с учётом размещения клапанов в головке блока при заданном диаметре цилиндра О, конструктивной схемы газораспределения и типа камеры сгорания.
Поэтому значение диаметра горловины йгор впускного клапана, вычисленное по формуле (3) не должно быть больше:
ёгор = (0,38 ...0,42)П - при нижнем расположении клапанов; ^гор = (0,35 ...0,52)В - при верхнем расположении клапанов; ёгор = (0,35 ...0,40)П - для вихрекамерных и предкамерных дизелей; ^гор = (0,38 ...0,42)П - для дизелей с непосредственным впрыском; ёгор = (0,42 ...0,46)П - для дизелей с клиновидной и плоскоовальной камерами сгорания;
ёгор = (0,46 ...0,52)В - для двигателей с полусферическими камерами сгорания. Диаметры горловин выпускных клапанов принимаются на 10 ... 20% меньше йгор впускных клапанов.
Проходное сечение клапана с конической формой усеченного конуса при высоте
подъёма клапана Нш определяется по формуле
2 2
Fкл = п• Иш (dгop•cosa + Ькл ^та св8 а), см (4)
где dгор = d1 - диаметр горловины, равный малому диаметру посадочного конуса клапана (при dгор > d1 площадь Fкл определяется по формулам для двух участков подъёма клапана), см;
а - угол фаски клапана (у современных двигателей а = 450 для выпускных
клапанов, а = 450 и реже а = 300 для впускных клапанов);
2 2 0
Fкл = 2,72• dгор• Ъкл + 1,18• Иш, см при а = 30 ; (5)
2 2 0
Fкл = 2,22• dгор• Ъкл + 1,11 , см при а = 45 . (6)
Максимальная высота подъёма клапана (см) при определённых значениях ¥кл и а определяется по уравнениям:
Ик
Ик
V
V
7,4 • dlp + ^^ -dгop при а = 300 (7)
4 44F
4,93 • d2op + - dгop при а = 450 (8)
2,22
Значение максимальной высоты подъёма клапана в автомобильных двигателях изменяется в пределах:
Ькл.тах = (0,18 .■■0,3)'dгop,
а в тракторных двигателях:
Ькл.тах = (0,16 ...0,24)^гор.
Когда угол а = 450 величину Нкжтах берут по верхнему пределу.
Завершающая проверка расчётных значений диаметра горловины и высоты подъёма клапана, а также выбранных в тепловом расчёте фаз газораспределения проводится по условной скорости со\п потока.
По завершении расчётов площадей проходных сечений в горловине и седле впускного клапана, а также диаметров их сечений определяются параметры остальных деталей и элементов механизма газораспределения, которые в основном зависят от диаметра горловины клапана.
Максимальный диаметр тарелки (головки) йгол клапана принимается в зависимости от диаметра горловины впускного клапана, т.е.
dгoл = 1,1^гор, см.
Минимальный диаметр тарелки (головки) ^ клапана принимается из соотношения
di
0,95 ёгор, см.
Ширина фаски b тарелки (головки) клапана при угле фаски седла 0 = 30 принимается равной
b = 0,1dZap, см.
Диаметр стержня впускного клапана dem принимается
dem = 0,18 dZap, СМ.
Толщина головки клапана h1 принимается равной
h2 = 7 ... 9 мм.
Ширина пояска головки клапана hz принимается
Иг = 1.2 мм.
Подъём толкателя hm.max принимается из соотношения
hm.max = (0,15 ... 0,25>( dгор /iкл), мм.
В предлагаемой конструкции механизма газораспределения применяются клапаны и сёдла со сферическими поверхностями контакта «клапан- седло». Поэтому сферическая контактная поверхность клапана будет характеризоваться не только параметром ширины фаски b тарелки клапана, но и радиусом r1 закругления головки клапана и толщиной h1 головки клапана, а сферическая контактная поверхность седла будет характеризоваться не только параметром ширины фаски e седла, но и радиусом r2 закругления седла и толщиной he седла. Радиусы закругления контактных поверхностей «клапан- седло» r1 и r2 необходимо выбрать таким, чтобы по мере износа этих поверхностей форма контакта головки клапана и седла постепенно приближалась к традиционной в виде усечённого конуса. Это может обеспечить герметичность сопряжения тарелки (головки) клапана с седлом на протяжении всего периода эксплуатации двигателя при условии выполнения всех требований завода - изготовителя по своевременному проведению работ по диагностированию и техническому обслуживанию.
Рис. 3 Схема радиусов закруглений поверхностей контакта «клапан - седло»
Радиусы закруглений контактных поверхностей «клапан- седло» тг и т2 можно определить по формулам, выведенным согласно методике предложенной [3] для расчёта радиусов профиля кулачка распределительного вала механизма газораспределения.
Для этого необходимо провести некоторые преобразования и допущения в расчётных формулах для радиусов профиля кулачка распределительного вала механизма газораспределения получим формулы для определения радиусов тг закругления головки клапана и т2 закругления седла:
и2 и
и - 0,5 • к - 0,5-^
Г и
cos2 а
cosа
cosа
+ И
г =■
cosа
(9)
и2
cos2 в
- 0,5 • к -0.5! - 0,5
И2 Г и
в
cosв
+ к
г =■
1,5
к
(10)
cosв
С учётом углов а и в, которые могут принять значения 300 и 450 радиусы Г1 и г2, будут иметь разные результаты.
Исследования показали, что радиус закругления поверхностей контакта «клапан-седло» зависит как от толщины к головки (тарелки) клапана, так и от толщины кс седла.
Проведённые макетные исследования показали, что для равномерного износа обоих поверхностей клапана и седла целесообразно радиусы их сферических поверхностей принимать следующими соотношениями:
- радиус сферической поверхности головки клапана г1 = (1,4...1,8) И1, мм.
- радиус сферической поверхности седла г2 = (1,4...1,8) Ис, мм.
Анализ показывает, что предлагаемая конструкция пары «клапан - седло» со сферической контактирующей поверхностью по сравнению с применяемой парой «клапан - седло» формы усеченного конуса имеет следующие преимущества:
- снижается износ клапана и седла из-за малой ширины контактной поверхности;
- снижается гидравлическое сопротивление вследствие плавного перехода контактирующих поверхностей клапана и седла;
- ускоряется поступление горючей смеси в цилиндры за счёт уменьшения гидравлических сопротивлений между клапаном и седлом;
- практически устраняется образование нагара на контактирующих поверхностях клапана и седла вследствие поворота клапанов при их открытии и закрытии;
- повышается герметичность пары «клапан-седло» вследствие самопритирки;
- увеличиваются сроки проведения технических обслуживаний и ремонта двигателя за счёт повышения надежности и долговечности механизма газораспределения.
Экономический эффект от применения пары «клапан-седло» со сферическими контактирующими поверхностями может составить на 10-15%.
Библиографический список:
1. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 2. Динамика и конструирование: Учебник для вузов / В.Н. Луканин, И.В. Алексеев, М.Г. Шатров и др.; Под ред. В.Н. Луканина и М.Г. Шатрова. - 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Высш. шк.2005.-400 с.: ил.
2. Пузанков А.Г. Автомобили: Конструкция, теория и расчёт: учебное пособие. / А.Г. Пузанков. - М.: Издательский центр «Академия», 2007.-544с.: ил.
3. Колчин А.И. Расчёт автомобильных и тракторных двигателей: Учеб. Пособие для вузов. /А.И. Колчин, В.П. Демидов - 3 - е изд. перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2002. -496 с.: ил.
N.G. Fataliev, A.G. Balamirzoev
Considering of mechanism designs spherical form of surfaces of the valve.
In article it is considered mechanism designs gazoraspredelenija, in particular forms of a surface of contact, the valve, a saddle, internal combustion engines. It is noticed that in modern engines because of simplicity the game-struktsii and manufacturing, wide application was found by valves with flat (tarelchaty) heads. Valves and other details МГР from ceramics as they differ bigger wear resistance are perspective. The author of article suggests to make contact surfaces of pair, the klasir - a saddle, the spherical form instead of at, the changed truncated cone. Results advantages of the spherical form of surfaces of the valve and a saddle, and also possible economic benefit of introduction of such valves.
Keywords: A design, the valve, a saddle, the form, the mechanism, keramika, corners, a facet, a deposit, self-grinding in, deterioration, tightness.
Фаталиев Навруз Гусейнбекович (р. 1948) профессор ДГСХА, доктор технических наук (2003), окончил Азербайджанский политехнический институт (1972). Область научных интересов - автомобилестроение; Автор 120 научных публикаций.
Баламирзоев Абдул Гаджибалаевич (р. 1958) профессор МФ МАДИ (ГТУ), доктор
технических наук (2006), окончил МГУ (1984).
Область научных интересов - моделирование на автотранспорте.
Автор 80 научных публикаций.
