Гидротолкатель клапанов. Устройство и принцип действия
Клапаны газораспределительного механизма приводятся в действие непосредственно кулачками распределительных валов через цилиндрические гидротолкатели (гидрокомпенсаторы зазора), которые расположены в направляющих отверстиях головки цилиндров по оси отверстий под клапана.
Благодаря гидротолкателям (гидравлическим толкателям) уменьшаются стуки, механизм работает более плавно и четко, устраняются неисправности двигателя, которые могли быть при нарушении зазоров (прогары клапанов, потеря мощности и т.п.). В связи с отсутствием зазора, не изменяются фазы газораспределения при износе деталей клапанного механизма. Кроме того, при техническом обслуживании автомобиля не требуется регулировать зазор в клапанном механизме.
Гидротолкатель состоит из корпуса толкателя 1, цилиндра 2, плунжера 5 и обратного шарикового клапана 3, который поджат к отверстию в поршне пружиной. Поршень и плунжер разжимаются возвратной пружиной 4, находящейся между ними.
Масло для работы гидротолкателей подводится из системы смазки по каналу Н, а затем по каналам, выполненным на нижней плоскости корпуса подшипников. По этим же каналам подводится масло и для смазки шеек распределительных валов. Кулачки валов смазываются маслом, находящимся в ваннах головки цилиндров под кулачками. В канале Н расположен обратный шариковый клапан 15, не допускающий слива масла из верхних каналов после остановки двигателя.
Рис. Гидротолкатель:
1 – корпус; 2 – цилиндр; 3 – шариковый клапан; 4 – пружина; 5 – плунжер; 6 – распределительный вал; 7 – жиклер; 8 – разрез головки блока; 9 – кулачок; 10 – гидротолкатель; 11 – клапанная пружина; 12 – направляющая втулка; 13 – клапан; 14 – головка блока; 15 – обратный шариковый клапан; а – накопительная камера; b – поршневая камера; c – рабочая камера; H – канал подачи смазки
Работа гидротолкателя
Когда клапан закрыт, масло из канала Н поступает в толкатель через канавку и отверстие в боковой поверхности. Масло проходит через паз, расположенный в верхней части толкателя и поступает в цилиндр толкателя. Пружина и масло, находящиеся между цилиндром 2 и плунжером 5, разжимает их и прижимает верхнюю плоскость корпуса толкателя 1 к кулачку, а нижнюю плоскость плунжера к торцу клапана, выбирая зазор в клапанном механизме. Жесткость этой пружины и давление масла намного меньше жесткости пружины клапана и поэтому клапан остается закрытым, когда толкатель касается затылочной части кулачка.
Рис. Принцип работы гидротолкателя
По мере дальнейшего поворота кулачка давление в камере «с» увеличивается и небольшая часть масла из камеры «с» перетекает в камеру «а» через зазор между поршнем и плунжером. Поэтому общая длина узла цилиндр-плунжер уменьшается, но не более, чем на 0,1 мм.
После закрытия клапана 13 начинается процесс выборки зазора в клапанном механизме. Силы от кулачка и клапана 15 уже не действуют на гидротолкатель. Возвратная пружина снова раздвигает цилиндр с плунжером, прижимая верхнюю плоскость корпуса толкателя 1 к кулачку, а нижнюю плоскость плунжера — к торцу клапана. При этом давление в камере «с» становится меньше, чем в камере «а», шариковый клапан открывается и в камеру «с» доливается масло из камеры «а».
Кроме чашечных гидротолкателей в двигателях могут применяться гидротолкатели 3, на которые воздействуют коромысла 4. Коромысла качаются на вставных осях 6. Гидротолкатель находится в каждом рычаге непосредственно над стержнем клапана. Масло подводится к гидротолкателю от вставной оси через продольное сверление 5 в рычаге клапана. Равномерное распределение давления в зоне контакта рычага с клапаном обеспечивается подпятником 2. Для уменьшения потерь на привод клапанов в указанном коромысле трение скольжения заменено трением качения, за счет применения ролика.
Рис. Гидротолкатель с коромыслом:
1 – стержень клапана; 2 – подпятник; 3 – гидротолкатель; 4 – коромысло; 5 – продольное сверление; 6 – ось
Принцип действия гидротолкателя с коромыслом аналогичен чашечному гидротолкателю.
Кулачковый механизм: схема, применение, эксцентриситет
Кулачковый механизм служит для преобразования вращательного движения в линейное перемещение малой амплитуды. Вращающаяся его деталь — диск с выступом, закрепленный на ведущем валу, называется кулачок при вращении выступ толкает либо толкатель, если необходимо получить поступательное перемещение, либо коромысло, если требуется качательное движение. Такие механизмы широко применяются в двигателях внутреннего сгорания, измерительных приборах, швейных машинках, различных регуляторах и многих других устройствах.
Кулачковые механизмы
Устройства применяются при необходимости преобразования вращения ведущего вала в линейное перемещение небольшой амплитуды. Основные элементы механизма следующие:
Фасонный диск (он называется также кулачком) – это активный элемент кинематической пары. Исполнительным элементом служит толкатель. Иногда движение передается через качающиеся на параллельном валу коромысло.
Одним из основных параметров у механизмов с толкателем является эксцентриситет — ось толкателя смещается относительно оси кулачка.
Принцип работы кулачкового механизма прост:
при вращении кулачка в плоскости толкателя он поворачивается своим сечением с большим радиусом, оказывая давление на толкатель и вынуждая его к линейному движению. Это перемещение происходит до тех пор, пока не будет достигнута вершина кулачка. После его прохождения давление на шток начинает ослабевать вплоть до достижения минимального радиуса диска. Шток возвращается обратно под действием пружины. Цикл повторяется.
Особенностью кулачковой пары является ее необратимость. Кривошипный механизм может преобразовывать движение в обе стороны. Так, в бензиновом или дизельном двигателе во время рабочего хода продольный ход поршня преобразуется во вращение коленвала. Во время такта выпуска накопленная инерция вращения маховика вращает коленвал, и кривошипный механизм превращает его в обратный ход поршня, вытесняющего остатки продуктов сгорания рабочей смеси из цилиндра.
Кулачковая пара такой обратимости не имеет, поскольку отсутствует жесткая связь между элементами. Толкатель совершает обратное перемещение под действием возвратной пружины.
Самым широко распространенным примером кулачкового механизма служит распределительный механизм в двигателе внутреннего сгорания. Кулачки распредвала напрямую или через коромысла открывают в определенном порядке клапаны цилиндров. Закрываются они возвратными пружинами.
Чтобы спроектировать действующее устройство, необходимо провести ряд расчетов, для синтеза кулачкового механизма построить передаточную диаграмму.
Виды кулачковых пар
Разработано множество различных видов кулачковых механизмов. Они объединяются по разным признакам.
По основной функции:
По пространственной конфигурации:
По типу толкательного механизма различают:
По траектории его движения:
По траектории кулачка:
Кулачковый механизм с роликовым толкателем по признаку смещения осей подразделяется на:
Дистанцию такого разнесения называют дезаксиалом (e).
Кулачковые регулировочные механизмы часто строятся по дезаксиальной схеме.
Достоинства кулачковых механизмов
Основным преимуществом устройства считается его способность реализовать весьма сложные пространственные траектории движения толкателя. Кроме того, движение можно строго регулировать по временным фазам, зависящим от угла поворота ведущего вала. При этом конструкция его весьма проста в работе и обслуживании.
Такой функциональности весьма сложно, а в ряде случаев- просто невозможно достичь с применением других типов механических конструкций.
Еще одним важным преимуществом конструкции над, скажем, электронными системами управления с электрическим или гидравлическим приводом, является ее исключительная надежность. Это очень важно в тех конструкциях, где требуется достичь точного многократного повторения одних и тех же движений, таких, как двигатель или швейная машинка.
Недостатки кулачковых механизмов
Самым заметным минусом служит сложность и высокая себестоимость производства деталей механизма. Наиболее трудоемким является изготовление управляющего профиля. Технологический процесс начинается с отливки заготовки из высокопрочных стальных сплавов, обладающих особой устойчивостью к переменным механическим напряжениям, истиранию и перепадам температуры. Далее требуется провести высокоточную механическую обработку с последующей шлифовкой и полировкой поверхностей. Упрочнение рабочей поверхности достигается термообработкой и цементацией. Такие распредвалы или кулачки привода масляного насоса обходятся дорого, но зато смогут отработать сотни тысяч километров пробега.
Еще одним минусом считается небольшая нагрузка, которую может толкнуть толкатель. Это происходит из-за большого трения в сопряжении пары, кроме того, возникают значительные боковые нагрузки на шток. Этот недостаток ограничивает мощностные возможности исполнительного органа устройства.
Для борьбы с этим недостатком используют роликовый толкатель, размещенный на шариковом или игольчатом подшипнике. Для крупных двигателей с большим диаметром клапанов и мощными возвратными пружинам используют коромысленную схему. Разная длина плеч коромысла работают как рычажная система, трансформируя больший ход на одном плече в большее усилие на другом.
Основные параметры кулачкового механизма
Наиболее важными параметрами устройства, определяющими его рабочие качества, служат:
Кроме того, в расчете участвуют и такие характеристики, как:
Фазовые углы различаются на следующие:
Если сложить все фазовые углы, должна получиться полная окружность
Θ = Θу + Θв.в + Θс + Θн.в =2π.
Рабочий ход складывается из первых трех фаз:
Холостой ход образуется из фазы нижнего стояния:
Каждой фазе работы ставится в соответствие один из профильных углов Σ: Σу; Σв.в; Σс; Σн.в.
Обычно фазовый и профильный угол для каждого состояния не равны между собой
Расчет кинематики кулачкового устройства базируется на линейных и угловых размерах его компонентов. Соотношение между ними называют законом выходного звена кинематической схемы.
Его выражают как функцию от текущего угла поворота вала, он учитывает все свойства структуры системы и ее проектных характеристик:
S =f(Θ), где Θ – угол поворота ведущего вала.
Закон выходного звена можно получить двумя методами:
Расчетно-аналитический способ существенно более точен, но требует сложных расчетов. Его используют как основной при проектировании ответственных механизмов.
Графоаналитический способ вычисления закона проще в исполнении и значительно более нагляден. Его используют для простых устройств и как способ предварительной оценки пред проведением расчетно- аналитических вычислений.
С развитием средств вычислительной техники и программного обеспечения сложности расчетно- аналитического метода отошли в прошлое. Средства трехмерного параметрического моделирования и кинематической симуляции, предлагаемые всеми ведущими производителями программных продуктов семейства CAD- CAE, позволяют одновременно проводить графическое моделирование и аналитические расчеты, существенно облегчая работу конструктора.
Классический графоаналитический способ реализуется:
Чертеж его представляет собой упрощенную модель, содержащую лишь низшие пары. Их отличительное свойство заключается в том, что они обладают в фиксированных положениях ведущего звена теми же значениями координат, скорости и ускорения, как и у моделируемых ими компонентов высшей пары.
Во время построения упрощенной модели следует следить за тем, чтобы сохранялись законы движения ведущего и ведомого элементов кулачкового устройства, а также относительное положение их осей.
Пара высшего порядка моделируется связанной двойкой низших пар. Вследствие этого в схеме возникает фиктивное третье звено, а вместо схемы кулачковых механизмов подставляют эквивалентную схему рычажной системы.
Обычно функция движения выходного звена имеет вид второй производной расстояния по углу положения вала либо по времени. Тогда она имеет физический смысл ускорения, и для графического моделирования применяют способ построения кинематических диаграмм.
Назначение и область применения
Кулачковый механизм превращает вращение в линейное перемещение малой амплитуды. На практике это короткое линейное движение используется для выполнения следующих операций:
Эти операции находят применение в следующих устройствах и системах:
Кроме того, широчайшая область использования кулачковых пар лежит там, где требуется не погасить, а, наоборот, создать вибрацию. Они находят применение в вибромашинах, служащих для уплотнения грунта или бетонных полов в строительстве. Горная техника, используемая при добыче рудных материалов, также производит сортировку тонких фракций на вибростолах, приводимых в движение кулачковыми парами.
Еще одна важная сфера применения – точные измерительные приборы и средства механической и электромеханической автоматизации. Контактный манометр и многие другие прецизионные приборы широко используют кулачковые пары для передачи вращения стрелки на шток, замыкающий контактные группы.
Используются кулачковые устройства в малых и средних металлообрабатывающих станках для переключения передач, периодического перемещения рабочих органов.
В производственных технологических установках в химической, пищевой и фармацевтической промышленности устройства используются для дозированной подачи сыпучего сырья к месту дальнейшей переработки.
Несмотря на стремительное совершенствование электронных средств управления, старая проверенная кулачковая пара уверенно удерживает свои позиции там, где требуется многократно повторять однообразные движения с высокой точностью.
Электромотор Чукреева с кривошипно-шатунным механизмом
В процессе поиска подходящего электродвигателя для моего Mercedes 190, пришла идея электродвигателя нового типа. Это классический ДВС, но вместо поршней используются электромагнитные линейные электродвигатели. Такой двигатель отлично подходит для установки в область под задним диваном в редуктор задней оси.
На идею натолкнули 2 видео.
Линейные двигатели устроены просто: внутри «ротора» (далее по тексту толкатели) металлической трубы из алюминия, или другого немагнитного материала, запрессованы неодимовые магниты. В «статоре» статичной части линейного двигателя находятся катушки индуктивности, которые включаются и выключаются в определенной последовательности, заставляя двигаться толкатель в нужном направлении. Современные линейные двигатели способны развивать силу порядка 2000 ньютон и высокую скорость возвратно-поступательных движений. На видео выше это видно.
В сравнении с 30 кН усилием, создаваемых поршнем во время детонации, у стандартного ДВС, 2 кН линейного кажутся смешными. Однако, в отличие от поршня ДВС, где работает только один такт из четырех, у линейного двигателя каждый такт рабочий. Следственно, 2 кН умножаются на 4 и в итоге получаем 8 кН без потерь возникающей в процессе работы ДВС (подача топлива, воздуха, удаление отработанных газов и тд.
В процессе аналитической работы над компьютерными моделями стало понятно, что придётся решить ряд вопросов:
1) При движении толкателей с магнитами внутри параллельно друг другу, магнитные поля начинают сильно взаимодействовать. Значит толкатели придётся располагать дальше друг от друга, что увеличит габариты двигателя.
2) Как охлаждать магниты внутри трубки толкателя, которые при сильном нагреве могут потерять магнитные свойства.
3) Как запрессовывать мощные магниты в трубку толкателя, ведь они будут направлены одинаковыми полюсами друг к другу.
4) Возникающие динамические нагрузки сильно ограничивают выбор материалов для трубки толкателя, нужны тонкие стенки из немагнитного материала с хорошим показателем сопротивления сжатию, растяжению и изгибу.
Оставляем магниты в сторону, думаем над реактивной тягой, то есть вместо стержня с магнитами будет металлическая болванка с зубьями — классическая реактивная электрическая машина.
Преимущества:
1) Нет магнитов. Те же тяговые характеристики при сопоставимых размерах.
2) Катушки обернуты электротехнической сталью и магнитные поля во время работы двигателей не мешают друг другу, что увеличивает плотность компонентов и уменьшает габариты.
3) Направляющая труба помогает эффективно работать с боковыми нагрузками, возникающими при толкании и втягивании толкателя.
4) Направляющая труба используется для отвода тепла воздухом либо жидкостью.
Недостатки:
1) Требуется много смазки. Это касается и первого варианта с магнитами.
2) Из-за направляющей трубы возникает потребность в двух шатунах на каждый толкатель.
3) Непонятно как изготавливать статоры из шихтованной стали.
4) Сложно крепить и удерживать обмотки.
Лучшим вариантом оказалось использование одного шатуна на 2 толкателя.
Следующий вариант это инвертированная реактивная машина. С катушками в середине и «ротором» снаружи.
Преимущества:
1) Конструкция двигателя стала меньше, чем предыдущая.
2) Нет проблем с намоткой катушек.
3) Можно эффективно охлаждать статор через трубу, на которую он прикреплен.
Недостатки:
1) В качестве направляющей для толкателя выступает его статор.
2) Смазка.
Вариант с плоскими линейными толкателями кажется наиболее перспективным. Его относительно легко изготовить, катушки располагаются на достаточном расстоянии от движущейся части и можно получить чуть большие показатели по сравнению с цилиндрическими машинами. Однако, есть проблемы с изгибом толкателя при работе.
У двигателей различных конфигураций, выдаваемая мощность была 70-120 кВт при крутящем моменте 500-800 Н/М.
Занимаемся этим двигателем с декабря прошлого года и интерес к нему потихоньку угасает, поэтому появилась потребность в комментариях, советах и конечно в «Вам что делать нечего? Купите асинхронник и не выпендривайтесь!1».
P.S.
Заявка на патент была подана в январе этого года.
Комментарии 17
Тема весьма интересная, и подход грамотный. Но как выше сказали КПД снизится из-за дополнительных пар трения и кривошипно-шатунного механизма. Хотя спорить не буду, пока нет работающего прототипа не понятно где будут больше потери — в кшм или редукторе. Пробуйте парни, воплощайте в жизнь идею)))
Есть какие новости по проекту? Очень интересно знать. Работаете над ним или забросили
Вот мне тоже интересен практический смысл.
Основные преимущества электродвигателя перед ДВС для автомобиля.
1. Компактность и меньший вес при равной мощности.
2. Малое количество пар трения (два подшипника на валу не требуют сложной системы смазки)
3. Крутящий момент не зависит от оборотов.
4. Отсутствие систем вентиляции и охлаждения.
Недостатки
1. Большой вес(компенсируется малыми размерами и весом самого двигателя) и изнашиваемость источника питания.
2. Долгий процесс «дозаправки» (зарядки).
3. Требует отдельной системы отопления салона.
Итого — ваш агрегат, имеет все недостатки ДВС (п.3 надо просчитать) и электродвигателя, но лишён преимуществ последнего (за исключением п.3)
Кроме того себестоимость вашего агрегата (по сравнению с аналогичным ДВС) кто-нибудь считал? Судя по количеству цветного металла, она вряд ли будет ниже.
Отвечаю
Плюсы:
1. Вы забыли учесть вес аккумуляторов, электроавтомобили весят существенно больше авто на ДВС
2. Есть несколько идей с «сухой» смазкой
3. Еще как зависит, изучите вопрос лучше
4. В двигателях более 30кВт она обязательно присутствует
Минусы
1. Тут вы опомнились
2. Прогресс в этой области еще не остановился
3. Это скорее плюс
Итого ваши аргументы не состоятельны.
Себестоимость агрегата в первую очередь зависит не от цены металла, это как-раз меньшая из затрат. Куда важнее техпроцесс изготовления он как-раз гораздо проще именно в моем двигателе.
1. Ваш двигатель объёмнее и тяжелее обычного электродвигателя, соответственно компенсировать массу и размер источника питания нечем.
2. Про крутящий момент я утрировал, но его диапазон позволяет отказаться от КПП на обычном электродвигателе.
3. Прогресс в области ускорения зарядки пока что ведёт к снижению количества циклов до смерти батареи.
4. Плюс в дополнительной системе отопления в чём? В том что снижается запас хода? При том что в холодное время ещё и ёмкость батарей снижается?
По вашим описаниям, понятно одно — преимущество вашей конструкции в том, что можно сделать электродвигатель внешне похожий на ДВС. Только вот 90% нынешних автовладельцев абсолютно пофиг как выглядит то, что у них под капотом, большинство туда только зимой заглядывает, чтобы незамерзайку залить.
1. Не факт.
2. В обычном электродвигателе всегда есть понижающий редуктор 10:1 так как номинальные обороты находятся в районе 3000 об/мин при более низких оборотах КПД электродвигателей стремится к нулю.
3. LTO батареи опровергают это утверждение
4. В том что она может быть компактнее и энергоэффективнее, использование тепла от ДВС это всего-лишь попытка использовать тепловые потери во благо. Речи об энергоэффективности тут быть не может.
Я не создал двигатель который решит проблемы всех людей в мире, это утопия. И да возможно вы точно описали мою целевую аудиторию^ которая по вашим подсчетам составляет 10%
1. Ваш двигатель объёмнее и тяжелее обычного электродвигателя, соответственно компенсировать массу и размер источника питания нечем.
2. Про крутящий момент я утрировал, но его диапазон позволяет отказаться от КПП на обычном электродвигателе.
3. Прогресс в области ускорения зарядки пока что ведёт к снижению количества циклов до смерти батареи.
4. Плюс в дополнительной системе отопления в чём? В том что снижается запас хода? При том что в холодное время ещё и ёмкость батарей снижается?
По вашим описаниям, понятно одно — преимущество вашей конструкции в том, что можно сделать электродвигатель внешне похожий на ДВС. Только вот 90% нынешних автовладельцев абсолютно пофиг как выглядит то, что у них под капотом, большинство туда только зимой заглядывает, чтобы незамерзайку залить.
Мотор-колёса работают с 1898 года.
Используют все преимущества элетродвигателей.
Отсутствуют промежуточные системы передачи мощности от силовой установки на колёса, дифференциал и все системы реализуются электронными компонентами не усложняя механику.
Недостаток — увеличение неподрессоренной массы снижается применением новых материалов и оптимизации под конкретные мощности.
Ну аккумуляторы — общее место но и к ним требования снижаются по сравнению с «классической» схемой.
А вообще это всё принципиально уже больше ста лет существует и доработки идут только на уровне рюшечек и полировки, впрочем как и весь автопром.
Почему то никто не пытается уйти от колеса?
возможно тут и антиграв не понадобится;-)
Каков основной недостаток колеса? Это потери энергии на преодоление сил трения. Однако эти же силы обеспечивают и курсовую устойчивость. При отсутствии контакта с поверхностью, возникает проблема стабилизации движения, любой порыв ветра приведёт к уходу с траектории. Пока что есть две реальные модели бесколёсных ТС — это суда на воздушной и поезда на магнитной подушках. Первые сложны в управлении, требуют дополнительной энергии на создание подушки и их применение ограничено рельефом (требуется достаточно ровная поверхность). Вторым, как и любому рельсовому транспорту требуется наличие ответной части движителя — рельса.
Что касается электромобилей. ИМХО существенного прогресса в их использовании можно добиться если применять универсальные сменные АКБ. Это решит основную проблему — запас хода и длительность зарядки. Электромобиль просто заезжает на зарядную станцию и меняет батареи за время сопоставимое с обычной заправкой топливом и едет дальше, а снятый модуль заряжается и используется другим по мере готовности. Но для этого нужно всех производителей привести к единому стандарту и на его основе повсеместно создать собственно инфраструктуру.
Касаемо идеи автора — она имеет право на существование, только помимо технической части надо рассчитать ещё и экономическую. Для успешного внедрения конструкция должна иметь преимущества перед существующими, тогда это имеет смысл.
Хорошо, летать пока подождём.
Можно суперконденсаторы в качестве накопителей использовать, но пока это дорого, а графеновые уже 15 лет обещают(
Потери в данной конструкции намного больше чем в «классических» электродвигателях, как на трение так и на разогрев «катушек»
Да малые обороты и бОльшая тяга плюс, но ценой усложнения конструкции, а значит снижения надёжности и технологичности.
А это удорожание и немалое, так что с точки зрения экономики тут только как «игрушки для богатых по индивидуальному заказу с прозрачными окнами для эстетического наслаждения»
Уже давно опробованы электромагнитые клапана для ДВС, но не прижились, дорого и ненадёжно.
а на сколько процентов выше крутящий по сравнению с обычными?
Красота это хорошо, но интересен практический смысл
Надо строить физическую модель и на стенде проверять, на бумаге все не так однозначно.