Описание задачи
Газораспределительный механизм (ГРМ) обеспечивает своевременное открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов двигателя внутреннего сгорания. От согласованности параметров его элементов зависят надежность работы двигателя, величина контактных нагрузок, износ деталей и возможность работы на высоких частотах вращения.
При увеличении частоты вращения двигателя возрастают инерционные силы, изменяются контактные нагрузки между кулачком и толкателем, увеличиваются деформации элементов механизма и повышается вероятность возникновения ударных режимов работы.
В данном примере рассматривается моделирование газораспределительного механизма автомобиля с целью оценки согласованности параметров его основных компонентов и анализа работы при различных частотах вращения двигателя.
Цели анализа
В процессе моделирования необходимо:
- оптимизировать параметры жесткости клапанной пружины;
- подобрать рациональную массу клапана;
- оптимизировать профиль кулачка;
- снизить контактные нагрузки;
- уменьшить ударные воздействия;
- снизить износ элементов газораспределительного механизма;
- обеспечить устойчивую работу механизма во всем диапазоне рабочих оборотов двигателя.
Объект моделирования
Объектом исследования является клапанный механизм двигателя внутреннего сгорания.
Модель включает распределительный вал с кулачком, толкатель, клапан, клапанную пружину и элементы, обеспечивающие направленное движение клапана.
Рисунок 1 – Модель клапанного механизма
Расчетная модель
Для решения задачи разработана математическая модель газораспределительного механизма автомобиля.
Модель включает основные элементы клапанного механизма:
- распределительный вал с профилем кулачка;
- толкатель;
- клапан;
- клапанную пружину;
- направляющую клапана;
- упругие элементы конструкции;
- направляющие скольжения;
- контактные пары;
- датчики перемещений и контактных усилий.
При моделировании учитываются упругие свойства элементов конструкции, движение клапанного механизма, взаимодействие между контактирующими поверхностями, а также влияние трения и зазоров в направляющих.
Контактная модель позволяет рассчитывать:
- упругую деформацию контактирующих поверхностей;
- силы нормального давления;
- силы трения;
- контактные напряжения;
- изменение площади контактного взаимодействия.
Помимо кинематических параметров модель обеспечивает расчет следующих характеристик:
- нормального усилия на кулачок;
- тангенциального усилия;
- максимального контактного напряжения;
- эквивалентного напряжения в наиболее нагруженной области;
- деформации контактной поверхности;
- фактической контактной деформации;
- минимальной толщины смазочной пленки.
Такой подход позволяет одновременно анализировать кинематику газораспределительного механизма, динамические нагрузки и процессы контактного взаимодействия между его элементами, что дает возможность оценивать влияние конструктивных параметров на надежность, износостойкость и ресурс механизма.
Рисунок 2 – Расчетная модель газораспределительного механизма
Результаты моделирования
Нормальное усилие на кулачок
На рисунке представлены зависимости нормального контактного усилия между кулачком распределительного вала и толкателем при различных частотах вращения двигателя.
По оси X откладывается угол поворота кулачка.
По оси Y — нормальное усилие, Н.
Расчет выполнен для четырех режимов работы двигателя:
- 2000 об/мин;
- 3000 об/мин;
- 4000 об/мин;
- 5200 об/мин.
Рисунок 3 – Нормальное усилие на кулачок при различных частотах вращения двигателя
Анализ результатов
При частотах вращения 2000 и 3000 об/мин изменение контактного усилия происходит плавно. Максимальное усилие составляет порядка 1200–1300 Н, а форма кривых остается практически одинаковой, что свидетельствует о стабильном контакте между кулачком и толкателем.
При увеличении частоты вращения до 4000 об/мин возрастает влияние инерционных сил движущихся деталей. На графике появляются дополнительные локальные максимумы, а изменение контактного усилия становится менее равномерным.
Наиболее выраженные изменения наблюдаются при 5200 об/мин. Для этого режима характерны:
- увеличение скорости изменения контактного усилия;
- появление резких локальных максимумов;
- рост динамических нагрузок;
- увеличение вероятности возникновения ударного контакта между элементами механизма.
Максимальное контактное усилие достигает приблизительно 1350 Н, что свидетельствует о существенном увеличении нагрузок на детали газораспределительного механизма.
Полученные результаты показывают, что при высоких частотах вращения параметры клапанной пружины, массы клапана и профиля кулачка должны подбираться совместно, поскольку изменение любого из этих параметров оказывает влияние на характер контактного взаимодействия и величину динамических нагрузок.