Konstruktionsmethode der Ventilfeder

Die Gestaltung der Ventilfedern ist für die Leistung des Motorsystems ebenso wichtig wie die Gestaltung der Nocken. Zu den Funktionen der Ventilfeder gehört es, das Abheben des Ventils vom Ventilsitz unter Gasdruckbelastungen zu verhindern und die Ventilbewegung zu steuern, um eine Trennung des Ventiltriebs zu verhindern. Die Konstruktion der Ventilfeder beeinflusst die Nockenspannung, die Reibung des Ventiltriebs und das Flattern der Feder. Bei den Ventilfedern eines Motors handelt es sich üblicherweise um offene -Schraubendruckfedern mit geschlossenen Enden. Die meisten Motoren verwenden Federn mit konstanter-Stufe, obwohl einige auch Federn mit variabler-Stärke verwenden. Bei Dieselmotoren mit niedrigerer Drehzahl ist in der Regel eine Einzelfederkonstruktion ausreichend, manchmal ist jedoch eine Doppelfederkonstruktion mit einer Dämpfungsfeder oder Innenfeder erforderlich, um die Schwere des Ventilfederflatterns zu reduzieren. Die Konstruktion von Ventilfedern ist eine sehr komplexe Aufgabe. Es dient aus zwei oder drei Gründen als Beispiel zur Veranschaulichung der Prinzipien des Motorsystemdesigns. Zunächst zeigt die analytische Federentwurfsmethode den Zusammenhang zwischen Komponentenentwurfsparametern und Systementwurfsparametern. Zweitens zeigt die analytische Federentwurfsmethode, dass dasselbe Entwurfsproblem auf zwei verschiedene Arten formuliert werden kann: Zum einen wird es als deterministische Lösung behandelt, zum anderen wird es als Optimierungsproblem gelöst. In der mathematischen Konstruktion des Optimierungsproblems werden sowohl die Zielfunktion als auch die Einschränkungsfunktion als Beispiele für explizite Funktionen aufgeführt. Es ist zu beachten, dass in anderen Bereichen des Motorsystemdesigns (z. B. Zyklusleistung, Nockendesign und Ventiltriebdynamik) die für die Optimierungskonstruktion verwendeten Funktionen normalerweise komplexere implizite Funktionen sind. Drittens gibt die analytische Federentwurfsmethode ein Beispiel für die Verwendung grafischer Entwurfsmethoden zur Erstellung von Parameter-Sweep-Entwurfsdiagrammen. Diese typischen Parameterdiagramme können verwendet werden, um mehrdimensionale Konstruktionsprobleme zu lösen, die häufig bei der Konstruktion von Dieselmotorsystemen auftreten.
Zu den bekannten Eingangsdaten bei der Ventilfederauslegung gehören:
① Maximaler Ventilhub;
② Angesichts der Federeinbaulänge;
③ Erforderliche Federvorspannung
④ Erforderliche Federsteifigkeit. Es ist zu beachten, dass die Federvorspannung und -steifigkeit Konstruktionsparameter auf Motorsystemebene sind, die die Anforderungen der maximal zulässigen Federkraft und Nockenspannung, des nicht-schwebenden Auslassventils und des nicht-fliegenden Ventiltriebs erfüllen müssen. Es besteht eine starke Wechselwirkung zwischen der Ventilfederkonstruktion und der Nockenkonstruktion. Wenn es schwierig ist, bei der Federkonstruktion eine Lösung zu finden, müssen diese Eingabedaten geändert werden.
Bei der Ventilfederkonstruktion werden folgende Parameter als Ausgangsdaten berechnet:
① Grundlegende oder unabhängige Federkonstruktionsparameter (z. B. durchschnittlicher Federdurchmesser, Federwindungsdrahtdurchmesser, Anzahl der Arbeitswindungen);
② Abgeleitete Designparameter (z. B. freie Länge der Feder, maximale Kompressionslänge, komprimierte Länge, freier Spalt zwischen Spulen, fester Spalt zwischen Spulen bei maximaler Kompression, Eigenfrequenz und Flatterordnung der Feder, maximale Federlast, maximale Federtorsionskraft). Grundlegende Federkonstruktionsparameter bestimmen die Steifigkeit der Feder.
Einige Ausgabeparameter unterliegen Designbeschränkungen. Beispielsweise sind die Einbaulänge und der durchschnittliche Federdurchmesser durch den Bauraum begrenzt. Die Torsionsspannung der Feder bei maximaler Federkomprimierung und komprimierter Länge wird durch die Ermüdungslebensdauer, die Festigkeit und die maximal zulässige Spannungsgrenze der Feder begrenzt. Die Einschränkungen für den Schutz vor Federflattern werden durch die Steuerung des Festkörperspalts und der Eigenfrequenz der Feder erreicht. Die Reihenfolge des Federflatterns bezieht sich auf das Verhältnis der Eigenfrequenz der Feder zur Betriebsfrequenz des Motors. Damit die Feder im Betrieb nicht stark flattert. Die Eigenfrequenz der Ventilfeder sollte in der Regel mindestens das 13-fache der Betriebsfrequenz des Motors betragen; Das heißt, man hofft, dass die Ordnung des Federflatterns höher als 13 ist. Die Analyse der Eigenfrequenz der Feder zeigt, dass eine Tendenz zum Auftreten von Flattern besteht, wenn die Feder sehr empfindlich auf eine der dominanten Harmonischen des Nockenprofils reagiert. In diesem Fall muss das Nocken- oder Federdesign geändert werden. Manchmal können variable Steifigkeits- oder geschachtelte Federn verwendet werden, um die Frequenz der Feder zu ändern und so das Flatterproblem zu lindern.
Das Federdesign ist ein mehrdimensionales Parameterproblem, das auf grafische Weise behandelt werden kann, um Parametersensitivitätstrends zu untersuchen. Das Ziel der Optimierung des Ventilfederdesigns besteht darin, die Eigenfrequenz der Feder zu maximieren, um Federvibrationen zu reduzieren und gleichzeitig die folgenden Einschränkungen zu erfüllen:
① Vom Motorsystem geforderte Federvorspannung und Ventilfedersteifigkeit;
② Maximal zulässige Federspannung;
③ Angemessener physischer Abstand zur Kontrolle des Federflatterns.