Визначення розмірів і запасу міцності клапанної пружини

Для розрахунку береться пружина впускного клапана як більш навантажена, оскільки діаметр впускного клапана і його маса звичайно більше.

Максимальну Р_{ПР. mах} і мінімальну Р_{ПР. min} сили, H, що діють на пружину на ділянці з негативним прискоренням, визначають за формулами:

(5.15)

(5.16)

де m_кл.мех – маса клапанного механізму, що приведена до клапана, кг;

a, r ₀, r ₂ – параметри кулачка (див. вище), мм;

k – коефіцієнт запасу, для бензинових двигунів k = 1, 45…1, 70; для дизелів k = 1, 32…1, 50.

Приведена маса клапанного механізму m_кл.мех, кг, визначається за формулою:

(5.17)

де m_кл.мех '– конструктивна маса клапанного механізму, кг/м². Обирається за статистичними даними:

- для механізмів з верхнім розташуванням клапанів і розподільного вала:

- для механізмів з верхнім розташуванням клапанів і нижнім розташуванням розподільного вала:

Для перевірки надійності закриття клапана визначають силу Р^’_{ПР. min}, Н, що діє на закритий випускний клапан при найбільшому розрідженні в циліндрі, за формулою:

. (5.18)

Для розрахунку приймається більше із значень: Р_{ПР. min} чи Р ^' _{ПР. min}.

У випадку, якщо на клапан установлюється по дві пружини, зусилля Р_{ПР. mах} і Р_{ПР. mіn} розподіляються між внутрішньою і зовнішньою пружинами в межах:

Р_{ПР ВНУТР} = (0, 35…0, 45) Р_ПР,

Р_{ПР ЗОВН} = Р_ПР - Р_{ПР ВНУТР}.

Середній діаметр пружини (зовнішньої при наявності двох пружин) D_ПР, мм, приймається з умови:

D_ПР = (0, 8…0, 9) d_{Г. ВП}.

Діаметр проволоки пружини d, мм, приймають у діапазоні d =3, 5…6, 0 мм, відповідно до стандартних значень сортаменту: 2, 8; 3, 0; 3, 2; 3, 5; 3, 8; 4, 0; 4, 2; 4, 4; 4, 8; 5, 0; 5, 5; 6, 0.

При наявності двох пружин на одному клапані діаметр проволоки внутрішньої пружини приймається у межах d_В = 2, 2…4, 5 мм, а її середній діаметр D_{ПР ВНУТР}, мм:

D_{ПР ВНУТР} = D_ПР - 2 d - 2. (5.19)

Перш ніж визначати інші розміри пружини, необхідно перевірити її запас міцності (при наявності двох пружин, відповідно, подальший розрахунок проводиться для кожної окремо).

Максимальне і мінімальне напруження в пружині t, МПа:

(5.20)

(5.21)

де k ' – коефіцієнт, що враховує нерівномірний розподіл напружень по поперечному перерізу витка пружини і залежить від відношення D_ПР / d. Значення k ' наведені в таблиці 5.2.

Максимальне напруження не має перевищувати [ t ] = 350…600 МПа.

Середні напруження t_ср і амплітуда напружень t_а, МПа:

(5.22)

(5.23)

Запас міцності пружини n_t:

(5.24)

де t_{- 1} – межа утомлення при крученні, t_{- 1} = 300…400 МПа;

k_t – коефіцієнт концентрації напружень;

e_t – технологічний коефіцієнт;

α _t – коефіцієнт приведення.

При симетричному циклі напружень: k_t / e_t = 1, 0; a _t = 0, 1.

Запас міцності має перевищувати [ n_t ]=1, 2…1, 4.

Таблиця 5.2 – Значення коефіцієнту нерівномірного розподілу напружень k'

Твердість пружини С, Н/мм, обчислюється з вираження:

(5.25)

Число робочих витків пружини і_Р:

(5.26)

де G – модуль пружності другого роду, МПа, для пружинних сталей G =(8¸ 8, 3)·10⁴ МПа.

Звичайно у відомих конструкціях двигунів i_Р = 5…12.

Повне число витків пружини i_П приймають як:

і_П = i_Р + 2. (5.27)

Деформація пружини при закритому клапані h_{ПР. 0}, мм, складає:

(5.28)

Максимальна деформація пружини при повністю відкритому клапані h_{ПР. mах}, мм:

(5.29)

Довжина пружини у вільному стані L_ПР, мм:

(5.30)

де D_min – мінімальний зазор між витками пружини при повністю відкритому клапані, м, D_min = 0, 5…0, 9 мм.