Метод на проектиране на клапанна пружина

Конструкцията на пружината на клапана е толкова важна за работата на системата на двигателя, колкото и конструкцията на гърбицата. Функциите на пружината на клапана включват предотвратяване на изплуването на клапана от леглото на клапана при натоварвания под налягане на газ и контролиране на движението на клапана, за да се предотврати отделяне на клапанния механизъм. Дизайнът на пружината на клапана влияе върху напрежението на гърбицата, триенето на клапанния механизъм и трептенето на пружината. Клапанните пружини на двигателя обикновено са отворени-спирални спирални компресионни пружини със затворени краища. Повечето двигатели използват пружини с постоянна-честота, въпреки че някои използват пружини с променлива-честота. За дизелови двигатели с по-ниска скорост обикновено е достатъчна конструкция с единична пружина, но понякога е необходима конструкция с двойна пружина с амортизираща пружина или вътрешна пружина, за да се намали силата на трептене на пружината на клапана. Дизайнът на пружината на клапана е много сложна задача. Той служи като пример за илюстриране на принципите на проектиране на двигателната система по две или три причини. Първо, методът за аналитичен дизайн на пружината показва връзката между параметрите на дизайна на компонентите и параметрите на дизайна на системата. Второ, аналитичният метод на проектиране на пружината показва, че един и същ проектен проблем може да бъде формулиран по два различни начина: единият е да се третира като детерминистично решение, а другият е да се реши като проблем за оптимизация. В математическото конструиране на задачата за оптимизация както целевата функция, така и ограничителната функция са посочени като примери за изрични функции. Трябва да се отбележи, че в други области на проектиране на двигателната система (като производителност на цикъла, дизайн на гърбицата и динамика на клапанния механизъм), функциите, използвани за конструиране на оптимизация, обикновено са по-сложни имплицитни функции. Трето, аналитичният метод на проектиране на пружината дава пример за използване на методи за графичен дизайн за конструиране на диаграми за проектиране на параметри. Тези типични диаграми на параметри могат да се използват за справяне с много-дименсионални дизайнерски проблеми, често срещани при проектирането на системи за дизелов двигател.
При конструкцията на пружината на клапана известните входни данни включват следното:
① Максимално повдигане на клапана;
② Предвид монтажната дължина на пружината;
③ Необходимо предварително натоварване на пружината
④ Необходима твърдост на пружината. Трябва да се отбележи, че предварителното натоварване и твърдостта на пружината са конструктивни параметри на ниво система на двигателя, които трябва да отговарят на изискванията за максимално допустима сила на пружината и напрежение на гърбицата, не-плаващ изпускателен клапан и не-летящ клапанен механизъм. Има силно взаимодействие между дизайна на пружината на клапана и дизайна на гърбицата. Ако е трудно да се намери решение в пружинния дизайн, тези входни данни трябва да бъдат променени.
При конструкцията на пружината на клапана следните параметри са изчислени изходни данни:
① Основни или независими конструктивни параметри на пружината (т.е. среден диаметър на пружината, диаметър на телта на пружинната намотка, брой работни намотки);
② Изведени конструктивни параметри (напр. свободна дължина на пружината, максимална дължина на компресия, уплътнена дължина, свободна междина между намотките, плътна междина между намотките при максимално компресиране, естествена честота на пружината и ред на трептене, максимално натоварване на пружината, максимална сила на усукване на пружината). Основните конструктивни параметри на пружината определят твърдостта на пружината.
Някои изходни параметри са предмет на проектни ограничения. Например дължината на монтажа и средният диаметър на пружината са ограничени от пространството на опаковката. Напрежението на усукване на пружината при максимално компресиране на пружината и при уплътнена дължина е ограничено от живота на умора на пружината, якостта и границата на максимално допустимото напрежение. Ограниченията на защитата от трептене на пружината се постигат чрез контролиране на плътната междина и естествената честота на пружината. Редът на трептене на пружината се отнася до съотношението на естествената честота на пружината към работната честота на двигателя. За да се гарантира, че пружината не трепти силно по време на работа. Естествената честота на пружината на клапана обикновено трябва да бъде най-малко 13 пъти работната честота на двигателя; това означава, че се надяваме, че редът на трептене на пружината е по-висок от 13. Анализът на естествената честота на пружината показва, че ако пружината е много чувствителна към един от доминиращите хармоници на профила на гърбицата, има тенденция за възникване на трептене. В този случай конструкцията на гърбицата или пружината трябва да бъде модифицирана. Понякога променлива твърдост или вложени пружини могат да се използват за промяна на честотата на пружината, за да се облекчи проблемът с трептенето.
Пружинният дизайн е много{0}}проблем с параметри, който може да се обработва по графичен начин, за да се изследват тенденциите в чувствителността на параметрите. Целта на оптимизирането на дизайна на пружината на клапана е да се увеличи максимално собствената честота на пружината, за да се намалят вибрациите на пружината, като същевременно се спазват следните ограничения:
① Предварително натоварване на пружината и твърдост на пружината на клапана, изисквани от системата на двигателя;
② Максимално допустимо напрежение на пружината;
③ Подходящо физическо разстояние за контролиране на трептенето на пружината.