Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> Повышение износостойкости кулачковой пары на основе численного формирования закона движения толкателя

Повышение износостойкости кулачковой пары на основе численного формирования закона движения толкателя

В статье представлен доработанный авторами численный метод синтеза закона движения толкателя и профиля кулачка газораспределения ДВС, позволяющий повысить как долговечность сопряжения кулачоктолкатель, так и эффективность газораспределения на основе ограничения в процессе профилирования интенсивности изнашивания. Приведены некоторые результаты применения предлагаемого метода.

Профилирование кулачков механизма газораспределения является актуальной и одной из наиболее сложных и трудоемких задач, решаемых разработчиками ДВС. При проектировании необходимо добиться высокого качества процессов газообмена путем увеличения времясечения клапана и выполнить многочисленные ограничения на кинематические, динамические, прочностные, газодинамические и технологические характеристики, от которых зависит надежность сопряжения кулачоктолкатель и механизма газораспределения в целом.
Долговечность работы механизма газораспределения определяется износостойкостью его деталей, в частности кулачков распределительного вала. Износ профилей кулачков уменьшает средний подъем клапанов, что приводит к уменьшению их времясечения и увеличению гидравлического сопротивления на впуске и выпуске, смещению фаз газораспределения, а также повышению динамических нагрузок в приводе клапанов. Все это ухудшает мощностные, экономические и экологические характеристики ДВС, а также снижает его надежность. Установлено, что с износом кулачков снижение мощности достигает 8 % при малых частотах вращения коленчатого вала и 9,2 % на режимах, близких к номинальным, а при износе кулачков до 1,2 мм количество углеводородов в отработавших газах увеличивается на средних и максимальных нагрузках на 14...26 % [1].
При углубленном изучении условий работы сопряженных деталей установлено существенное влияние контактно-гидродинамических условий смазки пары на скорость изнашивания кулачка и толкателя [2, 3].
В результате сопоставления различных характеристик сопряжения сделан вывод о том, что наблюдаемый характер износа кулачка может быть объяснен только на основе эластогидродинамической теории смазки [2]. Известно, что существенное улучшение контактно-гидродинамических условий смазки сопряжения может быть достигнуто путем рационального выбора профиля кулачка. Однако при использовании традиционных методов профилирования гидродинамика смазки, как правило, не рассматривается, либо учитывается приближенно.
В связи с этим большое распространение получают методы проектирования кулачков с учетом гидродинамических условий смазки сопряжения кулачок — толкатель [4]. Но эти методы имеют очевидные недостатки, связанные с низкой точностью расчета гидродинамических характеристик вследствие использования упрощенных зависимостей, с ограниченностью выбора конструктивной схемы клапанного механизма, а также с фиксированной задаваемой формой кривой ускорения толкателя. При этом не обеспечиваются равные гидродинамические условия по всей длине профиля, а заранее заданный способ аналитического описания функции ускорения толкателя по углу поворота кулачка не позволяет варьировать в широких пределах закон движения толкателя в целях получения кулачков предельной эффективности при выполнении ряда ограничений, связанных с работоспособностью и надежностью клапанного привода.
Устранение перечисленных выше недостатков возможно при использовании обобщенного численного метода профилирования кулачков [5, 6]. Метод пошагового численного синтеза закона движения позволяет на базе единого подхода формировать характеристики газораспределения ДВС в соответствии с теми или иными предъявляемыми к ним требованиями. В целях получения наибольшей эффективности работы механизма газораспределения следует максимизировать площадь под кривой перемещения толкателя Fs , связанную с величиной времясечения клапана. При этом необходимо обеспечить выполнение ряда ограничений, связанных с требованиями по работоспособности и надежности системы газораспределения. К числу основных ограничений относятся следующие:

где D— диаметр ролика или шлифовального круга; k— коэффициент запаса усиления клапанных пружин; hmin— минимальная толщина масляной пленки в сопряжении, рассчитываемая по формулам контактной гидродинамики.

Наряду с (1) при синтезе характеристик движения толкателя обеспечивается выполнение ограничений на высшие производные от его перемещения sпо углу поворота кулачка, определяющие плавность закона движения и динамические качества клапанного привода [7]:

где m — порядок производной;Smin(m) и Smax(m)соответственно минимальная и максимальная допускаемые величины производной S(m).
Однако недостатком данного метода является то, что в составе ограничиваемых параметров (1) присутствуют лишь отдельные показатели, в той или иной степени связанные с износостойкостью сопряжения кулачок—толкатель (например, hmin ). Поэтому в статье предлагается при формировании закона движения ввести ограничение непосредственно на величину интенсивности изнашивания за один цикл нагружения:

Для расчета интенсивности изнашивания Jh используют зависимость, включающую произведение двух комплексов триботехнических инвариант [8]. Первый комплекс отвечает требованию имманентности процесса изнашивания и учитывает влияние на него напряженного состояния поверхностного слоя при действии нормального и касательного усилий, а также прочностных свойств материала. Этот комплекс имеет вид — максимальное касательное напряжение, действующее на поверхности контакта по направлению касательной силы; НВ — твердость материала. Второй комплекс оценивает влияние смазочного слоя. Таким образом, используемая зависимость имеет вид:

 

где k— коэффициент, определяемый экспериментально; fmaxнаибольшее значение коэффициента трения при данных условиях работы; fсц—коэффициент сцепления; hгр — толщина граничной масляной пленки; Ra1, Ra2средние арифметические отклонения профилей шероховатости поверхностей; Rnpприведенный радиус кривизны; Nnудельная нагрузка (нагрузка на единицу длины контакта); Vk иVck -скорость соответственно качения и скольжения; Ре1,2 — среднее число Пекле.
Применение величины интенсивности изнашивания Jh, позволяет легко вычислить линейный износ за цикл нагружения:

где Sтр — путь трения скольжения за время одного цикла.
Таким образом, ограничение (3) использовано в сочетании с реализацией принципа численного пошагового синтеза закона движения толкателя. Этот синтез осуществляется так, что обеспечивается максимум площади Fs при выполнении также ограничений (2) без предварительного описания закона движения толкателя какими-либо заранее заданными зависимостями. Это обеспечивает, с одной стороны, требуемую износостойкость профиля кулачка и выравнивание характеристик изнашивания по углу его поворота, так как ограничение (3) может быть активно (Jh = [Jhmax]) не в одной точке, а на участке профиля значительной протяженности. С другой стороны, обеспечивается предельно высокая эффективность работы механизма с позиции организации газообмена в двигателе.

Рис. 1. Аналог ускорения s``и перемещение s толкателя по углу поворота кулачка:
7 - известный кулачок; 2 — разработанный кулачок

В качестве примера рассмотрим схему с рычажным толкателем, имеющим цилиндрическую поверхность контакта [7]. Профилирование кулачка осуществляется при следующих значениях параметров кулачкового привода: радиус начальной окружности кулачка 15 мм, расстояние между осями вращения кулачка и рычажного толкателя 46 мм, расстояние между осью вращения рычажного толкателя и осью его цилиндрической поверхности контакта с кулачком 39 мм, радиус цилиндрической поверхности толкателя, контактирующей с кулачком, 25 мм, масса движущихся частей механизма, приведенная к клапану, 0,3 кг, суммарная жесткость клапанных пружин 31719 Н/м, начальное усилие пружин 419 Н. Заданная угловая протяженность участков подъема и опускания составляет 143° угла поворота кулачка. Величина ограничения
Jhmax = 1,22*10-8 выбрана исходя из требуемой долговечности работы сопряжения кулачок—толкатель.
На рис. 1 представлены участки положительных (точки 1, 2) и отрицательных (точки 3, 4) значений второй производной s" от перемещения толкателя по углу его поворота на стороне подъема толкателя, а также соответствующие участки положительных (точки 5, 6) и отрицательных (точки 7, 8) значений s" на стороне опускания толкателя. Эти участки представляют собой кусочно-линейные функции, сформированные из отрезков пошагово с достаточно малым шагом 0,5° по углу поворота кулачка. Участки положительных и отрицательных значений s" формируются соответственно от точек 1 и 4 для поверхнсти подъема и 5, 8 для поверхности опускания, в которых заданы начальные условия: значения перемещения s и его производных по углу поворота по (п — 1) порядок включительно, где п > 2 — наивысший порядок производной, на которую наложены ограничения (2). Максимизация Fs обеспечивается выбором на каждом шаге наибольшего по модулю значения s", допускаемого имеющимися ограничениями на производные второго и более высоких порядков, а также приведенного выше ограничения на интенсивность изнашивания.
На рис. 2 видно, что в диапазоне изменения угла поворота кулачка от -39 до 53° ограничение по величине интенсивности изнашивания Jh является активным (кривая 2), и величина интенсивности изнашивания является здесь предельно допускаемой Jhmax = 1,22-108. В то же время у кулачка с той же самой угловой протяженностью, спрофилированного ранее известным методом [6], выполнение заданного ограничения на величину интенсивности изнашивания Jh может быть достигнуто использованием ограничения по толщине масляной пленки hmin > 0,04911 мкм (кривая 7 на рис. 1—3).

Рис. 2. Интенсивность изнашивания Jhпо углу поворота кулачка:
1 — известный кулачок; 2 — разработанный кулачок

При этом предельно допускаемое значение интенсивности изнашивания Jh для кривой 1 достигается только в одной точке — при φ = -13° (рис. 2), а на участке значительной протяженностью от -39 до 53° отрицательное ускорение уменьшено по модулю, что при заданной суммарной угловой протяженности участков подъема и опускания 143° приводит соответственно к снижению уровня положительного ускорения и площади по кривой перемещения толкателя Fs.

Рис. 3. Толщина масляной пленки hmin по углу поворота кулачка:
1 — известный кулачок; 2 — разработанный кулачок

Таким образом, в приведенном выше примере рекомендуемый кулачок дает существенный прирост времясечения клапана по сравнению с известным ранее кулачком при том же самом предельно допускаемом значении интенсивности изнашивания. Выполненные расчеты показывают, что также легко может быть спрофилирован кулачок, обеспечивающий, наоборот, заметно меньшую интенсивность изнашивания при том же самом значении площади под кривой перемещения толкателя Fs , что и у известного ранее кулачка.
Выводы. Разработан численный метод синтеза закона движения толкателя и профиля кулачка газораспределения ДВС, позволяющий повысить как долговечность сопряжения кулачок—толкатель, так и эффективность газораспределения на основе ограничения в процессе профилирования интенсивности изнашивания.
Так, выполненные расчеты позволяют сделать вывод, что предлагаемый метод обеспечивает увеличение на 5 % площади под кривой перемещения толкателя по сравнению с известным ранее методом при равенстве предельно допускаемых значений интенсивности изнашивания Jh. Кроме того, выравнивание Jh , по углу поворота кулачка обеспечивает более равномерное изнашивание профиля.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Т02-06.7—2703 Министерства образования Российской Федерации.

Литература

1. Жолобов Л.А., Панов Ю.М. Влияние износа механизма газораспределения на выходные показатели двигателя // Совершенствование эксплуатационных качеств тракторов и автомобилей и использование машинно-тракторного парка. Сб. науч. тр. / ГСХИ. Горький, 1986. С. 3-9.
2. Yu H., Zhan X., Huang Y. The computation of unsteadily loaded EHL film thickness and other lubrication parameters of cam-tappet pairs of 1C engines and analysis of their performance // Developments in Numerical and Experimental Methods Applied to Tribology: Proc. 10-th Leeds-Lyon Symp. Tribol. Lyon, 6-th - 9-th Sept., 1983. London, 1984. P. 171-183.
3. Takagi M., Aoki H. Recent studies on lubrication and wear of marine diesel engines: on cam and tappets // J. Jap. Soc. Lubr. Eng. 1987. Vol. 32, 11. P. 781-785.
4. Deschler G., Wittmann D. Nockenauslegung fur Flachstopel unter Beachtung elastohydrodynamischer Schmierung // MTZ. 1978. Vol. 39, 3. S. 123-127.
5. Е.А. Григорьев, А.В. Васильев. Патент РФ № 1740711, 5F 01 L 1/08. Кулачок привода клапана; Заявлено 23.02.90; Опубл. 15.06.92, Бюл. № 22. С. 128.
6. Васильев А.В., Григорьев Е.А. Обобщенный численный метод профилирования кулачков // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 1999. № 2. С. 15—18.
7. Корчемный Л.В. Механизм газораспределения автомобильного двигателя: Кинематика и динамика. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1981. 191 с.
8. Дроздов Ю.Н., Павлов В.Г., Пучков В.Н. Трение и износ в экстремальных условиях: Справочник. М.: Машиностроение, 1986. 224 с.

Справочник инженерный журнал №7 (2005г.)

стр.32-35 А.В. Васильев, Д.В.Попов

Статьи партнеров