CC BY
52
УДК 621:534.833; 621.432(075.8)
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ МЕХАТРОНИКИ ПРИ АНАЛИЗЕ
ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО МЕХАНИЗМА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
В.И. Кычкин, Н.К. Иванов, И.Э. Шаякбаров
Представлен способ применения структурной схемы ГРМ ДВС как аналога системы дифференциальных уравнений, описывающих механизмы преобразования движения от вращательного для коленчатого вала до возвратно-поступательного для клапанов. Показана возможность исследовать основные параметры ГРМ при различных режимах работы ДВС в лабораторном практикуме студентов-бакалавров в составе специальных дисциплин, определяющих профиль обучающихся по эксплуатации автотранспортных средств, включая и дистанционную форму обучения. Получены и исследованы резонансные зоны работы ГРМ. Приведен пример имитационного моделирования ГРМ ДВС. Результаты работы позволяют в дальнейшем использовать предложенный способ для автоматизации диагностических процедур ДВС в режиме реального времени.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, виртуальные узлы и механизмы, мехатроника, газораспределительный механизм, программное обеспечение, взаимодействие деталей узла при работе, фазы газораспределения.
Современные проблемы системы высшего образования, в особенности организация и проведение лабораторных работ, свидетельствуют о необходимости разработки виртуальных форм учебных занятий при обязательном учете снижения трудоемкости экспериментальных исследований в целях практической реализации условий достижения необходимых компетенций бакалавров. Государственные образовательные стандарты указывают на увеличение учебного времени практических и лабораторных занятий [1].
Внедрение виртуальных лабораторных работ имеет преимущества в обеспечении дистанционных форм обучения, касающихся, прежде всего, студентов заочной формы обучения [2,3].
Авторами статьи предлагается методика по основам изучения работы газораспределительного механизма (ГРМ) на базе виртуальной модели и вычислительных средств. Цель достигается путем ознакомления студентов с особенностями конструкции ГРМ, порядком его работы и ресурсами вычислительных процедур.
Двигатели внутреннего сгорания большинства автотранспортных средств (АТС) относятся к двигателям внутреннего смесеобразования. В состав двигателя внутреннего сгорания (ДВС) входит механизм газораспределения для обеспечения своевременного впуска горючей смеси в цилиндры ДВС и выпуска отработавших газов с помощью клапанов.
Законы движения механизмов ГРМ задаются кулачками распределительного вала ДВС. Для качественного выполнения функций клапанов и стабильности переходных процессов в режиме «открыт - закрыт» необхо-
287
димо тщательное регулирование зазоров в клапанном механизме и фаз газораспределения. Наличие зазоров компенсирует изменение размеров металлических деталей при нагревании и является обязательным условием нормальной работы ДВС. Необходимо отметить, что при малых зазорах клапаны и их седла подгорают, при больших зазорах снижается мощность двигателя. Это ведет к уменьшению эффективности работы ДВС и срока службы деталей.
Кроме того, несоответствие зазоров их нормам ведет к перегреву двигателя, к появлению на поверхности перегревов распределительного вала раковин, следов износа, глубоких рисок. В свою очередь, износ и задиры рабочего элемента клапанов, определяемых механическим воздействием и высокими температурами в пятнах контакта «кулачок - коромысло - клапан», способствуют развитию процессов микроконтактного схватывания [4].
Временной режим «открыт - закрыт» клапанов ГРМ формируется фазами газораспределения, выраженных в градусах угла поворота коленчатого вала относительно мертвых точек. Для лучшего наполнения цилиндров горючей смесью выпускные клапаны открываются с опережением, до подхода поршня к верхней мертвой точке (ВМТ) в такте выпуска, а закрываются с запаздыванием после прохождения поршня в нижней мертвой точки (НМТ) в такте сжатия.
Функционирование ГРМ с большим основанием следует считать динамическим состоянием механической колебательной системы. Динамическое состояние такого узла ДВС по существу представляет собой специализированную систему автоматического управления. В такой механической системе, имеющей звенья и устройства, управляющие воздействия формируются с использованием внешних источников, а параметры процессов в колебательной системе являются информацией о состоянии механизма, т.е. являются основой задачи диагностики ГРМ. В практических случаях динамики ГРМ для преобразования движения применяют рычажные механизмы, возвратно-поступательные системы в сочетании с быстродействующими средствами вычислительной техники (ВТ) [5].
Рассматриваемая механическая система является замкнутой системой автоматического управления (САУ), на вход которой подается задающее воздействием Хв, а выходная величина объекта - Х. Величина Хв, управляющего воздействием, устанавливает требования к величине Х, а информация о текущем значении Х обеспечивает необходимое соответствие между Х и Хв путем воздействия на механизм. Такой процесс обеспечивается регулировкой фаз ГРМ.
При тождестве систем дифференциальных уравнений, описывающих объект при обычном подходе теоретической механики, структурная модель обладает рядом преимуществ, особенно при поиске новых конструктивно-технических решений [6, 7].
Траектории движения элементов структуры ГРМ представлены в таблице.
Траектории движения элементов ГРМ
Состав динамической системы Траектории движения
Кулачок Вращательное
Коромысло Качание
Клапан Возвратно-поступательное
Структурная схема ГРМ приведена на рис. 1.
1/
X
Рис. 1. Структурная схема механизма газораспределения: 1 - зона контакта кулачка с коромыслом; 2 - коромысло; 3 - пружины;
4 - клапан; А - зазор
Механизм работает в определенном порядке, называемом фазами газораспределения. Один цикл работы проходит за поворот коленчатого вала на 720 градусов (2 оборота).
Обеспечение работоспособности ГРМ - это согласование фаз состояния элементов при их движении. В технической литературе, как правило, фазовое состояние иллюстрируется круговыми диаграммами [8]. Однако круговые диаграммы исключают время нахождения каждого из элементов ГРМ в необходимой фазе состояния. Представление фазового состояния в виде линейной диаграммы с учетом параметра времени приведено на рис. 2.
Особенностью движения клапанов заключается в периодическом характере изменения кинематических параметров, а не в гармоническом. Решение задач в первом случае возможно с использованием разложения функции воздействия в ряд Фурье. Однако такое решение достаточно сложное и в ряде случаев неэффективное [9].
289
Рис. 2. Фазы газораспределения с указанием возможных
значений углов
Математическая модель ГРМ в соответствии со структурной схемой представлена системой дифференциальных уравнений в режиме собственных колебаний без учета сил сопротивления:
ту + КУ ~ КкФ = °> (!)
]ф-к111у + <р(}с111 + к211) = Ъ, где т - масса клапана, кг; к± - приведенная жесткость пружин ГРМ, Н/м; к2 - жесткость контакта «кулачок - коромысло», Н/м; ] - момент инерции коромысла, кг-м2; у - перемещение клапана, м; и 12 - плечи коромысла, м; (р - угол качания коромысла, рад.
Зануляя инерционный момент, т.е. ф = 0, запишем [10]
^ кг11+к21% у '
С учетом (2) первое уравнение системы (1) представляем так:
ту + кру = 0, (3)
где
ь = к12м| 2. (4)
Решение уравнения (3) имеет вид
у = С± со5(<1>£) + С2 5ш(<1>£), (5)
где со - частота колебаний, = п - число оборотов распредели-
тельного вала в минуту); £ - время процесса, с; Сг и С2 - постоянные интегрирования.
Выражение (5) представим в виде
у = A sin((jdt + (р0),
(6)
где
A = JcfTcl,tg<Po = r = ^.
Сг
с2 Уо
Если принять, что при t = 0, то у = Уо и у = 0. Тогда
А =
N
Собственная частота системы находиться по формуле
kr
<^соб —
N
р
т
N
k1k2l2
m{k1ll + k2ll)'
Разработка программного модуля (ПМ) осуществляется в среде MS Excel, большую часть которого составляет графический интерфейс пользователя. Алгоритм функционирования цифровой модели ГРМ представлен на рис. 3.
Рис. 3. Блок-схема цифровой модели ГРМ
Программный модуль обеспечивает расчет собственной частоты системы, углы поворота коленчатого вала, углы поворота распределительного вала, положения клапана в зависимости от времени.
291
В качестве примера реализации цифровой модели ГРМ были приняты следующие данные: т=0,05 кг, к1=5000...14100 Н/м (принимаем по рекомендации [11]), к2=20000 Н/м, 11=0,05 м, 12=0,03 м.
Результаты расчета в режиме свободных колебаний представлены на рис. 4. Точка М показывает зону перехода от высокой степени чувствительности к почти постоянной частоте собственных колебаний пружин при изменении к1.
Рис. 4. График собственных частот системы
Изменения угла поворота коленчатого вала при п=3000 об/мин во времени приведены на рис. 5, 6. При этом начальные данные 1=0, ф0=90°, А=1.
Рис. 5. График зависимости угла поворота коленчатого вала от времени при п=3000 об/мин, Тк.в. - период процесса
По результатам вычислений видно, что Ткв=0,5Тр.в, т.е. на 1 оборот распределительного вала коленчатый вал совершает 2 оборота, при этом имея сдвиг по фазе.
Расчетное положение клапана выпуска приведено на рис. 7.
292
Рис. 6. График зависимости угла поворота распределительного вала от времени при п=3000 об/мин, Тр в - период процесса
Рис. 7. Положения клапана по времени, Тр в - период процесса
Расчет перемещений клапанов выполняем по зависимостям: у = А■ + ср), 0 <t<T-f,
У = о, ^<и<тр„
где а)I - круговая частота, соответствующая числу оборотов распределительного вала.
Цифровая модель ГРМ в сочетании с ознакомлением со структурной схемой объекта и процессом функционирования его составных элементов создает условия для качественной самоподготовки при дистанционной форме обучения и рационального использования времени при изучении технической дисциплины и получению основных компетенций профессионального образования по профилю специальных дисциплин.
293
Предложенный метод подтверждает возможность исследования ГРМ цифровым методом. Полученные зависимости кинематических параметров механизма от числа оборотов коленчатого вала позволяют характеризовать качество функционирования системы и исследовать влияние состояния фаз на работоспособность ДВС.
Авторы выражают глубокую признательность и благодарность Ша-якбарову Адыпу Лябибовичу, преподавателю Уинского филиала Черну-шинского механико-технологического техникума за поддержку исследований и помощь в подготовке и редактировании статьи, за методические рекомендации и опыт проведения лабораторных работ со студентами.
Список литературы
1. Бессонов А.С., Колбас С.С. Применение технологии виртуальных приборов при создании лабораторных практикумов для изучения сложных технических объектов // Открытое образование. № 6. 2010. С. 26-34.
2. Родина Е.В. Управление формированием практических умений и навыков студентов на основе лабораторно-практических занятий // Инновации в образовании. № 2. 2011. С. 98-112.
3. Вопросы для программированного контроля знаний по устройству и технической эксплуатации автомобилей КамАЗ. Методическая разработка / под ред. Яресько П.С. Ярославль; Учебно-производственная фирма «КамАЗ», 1989. 144 с.
4. Швеёв И. А. Об износостойкости поверхности износа рабочего элемента толкателя клапана // Автомобильная промышленность. № 3. 2016. С. 29-31.
5. Соснин Д.А., Яковлев В.Ф. Новейшие автомобильные электронные системы: учеб. пособие. М.: СОЛОН-Пресс, 2005. 240 с.
6. Левитская О.Н., Левитский Н.И. Курс теории механизмов и машин: учеб. пособие. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1985. 279 с.
7. Елисеев С.В., Резник Ю.Н., Хоменко А.П. Мехатронные подходы в динамике механических систем. Новосибирск: Наука, 2011. 394 с.
8. Шароглазов Б.А., Фарафонтов М.Ф., Клементьев В.В. Двигатели внутреннего сгорания: теория, моделирование и расчёт процессов / под ред. проф. Б.А. Шароглазова Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2004. 197 с.
9. Пановка Я.Г. Введение в теорию механических колебаний. М.: Изд-во «Наука», 1971. 240 с.
10. Бидерман В.Л. Прикладная теория механических колебаний: учеб. пособие для вузов. М.: Высш. школа, 1972. 410 с.
294
11. Землянушнова Н.Ю., Порохня А.А., Землянушнов Н.А. Исследование напряженно-деформированного состояния пружины клапана автомобильного двигателя при пластическом упрочнении // Вестник машиностроения. 2016. №4. С. 48-52.
Кычкин Владимир Иванович, канд. техн. наук, доц., kychkin.atm@yandex.ru, Россия, Пермь, Пермский национальный исследовательский политехнический университет,
Иванов Никита Константинович, студент, nikitaivanov59@mail. ru, Россия, Пермь, Пермский национальный исследовательский политехнический университет,
Шаякбаров Ильнур Эльмарович, студент, schayakbaroff.iln@yandex. com, Россия, Пермь, Пермский национальный исследовательский политехнический университет
APPLICATION OF METHODS OF MECHATRONICS IN THE ANALYSIS OF DIGITAL MODEL OF THE GAS DISTRIBUTION MECHANISM OF THE INTERNAL COMBUSTION
ENGINE
V.I. Kichkin, N.K. Ivanov, I.E. Shayakbarov
The method of application of the block diagram of GDM of the ICE as analog of system of the differential equations describing gears of transformation of the movement from rotary for a bent shaft to reciprocating for valves is presented. An opportunity to investigate critical parameters of GRM at various modes of behavior of DVS in a laboratory practical work of students bachelors as a part of the special disciplines defining a cross-section of the vehicles studying on operation is shown, including also remote form of education. Resonant zones a job of GRM are got and investigated. The example of imitating modeling of GRM DVS is given. Results of work allow to use further the offered mode for automation of the DVS diagnostic procedures in real time.
Key words: the internal combustion engine, virtual knots and gears, mechatronics, a gas distribution mechanism, the software, interaction of details of knot during the work, gas distribution phases.
Kichkin Vladimir Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, kychkin. atm@yandex. ru, Russia, Perm, State National Research Polytechnical University of Perm,
Ivanov Nikita Konstantinovich, student, nikitaivanov59@mail. ru, Russia, Perm, State National Research Polytechnical University of Perm,
Shayakbarov Ilnur Elmarovich, student, schayakbaroff.iln@yandex.com, Russia, Perm, State National Research Polytechnical University of Perm
