Проектирование распределительного механизма обычно начинается с определения площади проходного сечения клапана. Величина этой площади для впускного клапана должна быть такой, чтобы коэффициент наполнения был максимальным.

Выбор площади проходного сечения клапана зависит от ряда факторов: диаметра и длины трубопроводов, геометрических размеров горловины и клапана, числа клапанов и фаз газораспределения. Величина этой площади ограничивается динамическими нагрузками в распределительном механизме.

Для упрощения площадь проходного сечения клапана обычно определяют, задаваясь постоянной скоростью газов, проходящих через это сечение, и допуская пропорциональность подъема клапана скорости поршня. Газ при этом считают несжимаемым.

Для современных двигателей на режиме максимальной мощности скорость прохода заряда для впускных клапанов ven= = 60-^-90 м/сек, что соответствует при площади проходного сечения клапана fen= 0,2 Fn(где Fn— площадь поршня) средним скоростям поршня vn= 8 -*- 15 м/сек. Для выпускных клапанов vmn= 80 — г — 120 м’сек.

Задаваясь скоростью прохода газа и числом одноименных клапанов и приняв значения Fnи Vппо конструктивным данным проектируемого двигателя, можно найти площадь проходного сечения клапана.

Для определения зависимости между высотой подъема hклапана и площадью проходного сечения клапана принимают, что она равна площади сечения горловины, при этом диаметром стержня клапана пренебрегают.

При открытии впускного клапана на величину hприближенно можно считать, что проходное сечение для горючей смеси в карбюраторных двигателях и воздуха в дизелях представляет собой поверхность усеченного конуса, образующая АВ которого является нормалью к опорной поверхности клапана и продолженной поверхности седла. Площадь этого проходного сечения

При построении профиля кулачка руководствуются следующими соображениями:

1)время открытия и закрытия клапана желательно сократить до минимальной величины, в этом случае при установленной продолжительности впуска в среднем получаются большие площади проходных сечений в клапане и, следовательно, большее наполнение цилиндра двигателя;

2)с уменьшением времени открытия и закрытия клапана его ускорения, а также силы инерции возрастают, поэтому время перемещения клапана должно быть достаточно велико, чтобы силы инерции не достигли величин, при которых механизм распределения трудно сделать достаточно надежным;

3) начало открытия клапана и особенно посадки его в седло должно осуществляться с небольшой скоростью, в противном случае появляется значительная ударная нагрузка, которая резко ухудшает надежность работы всего механизма.

Каждый цикл движения клапана можно разделить на четыре периода.

ШwK

направ-

Первый период — открытие клапана. Направления скорости vLи ускорения 1иг в этот период совпадают, а возникающая при этом движении клапа насила инерцииленная в сторону, противоположную ускорению, вместе с силой упругости пружины нагружает ее.

С момента достижения максимальной скорости начинается второй период (схема //), во время которого клапан движется замедленно, и в точке максимального подъема он останавливается. В этот период ускорение меняет знак и будет направлено в сторону, противоположную движению клапана. Направление силы инерции совпадает с направлением клапана, т. е. будет стремиться оторвать клапан от кулачка.

Для сохранения кинематической связи клапана с кулачком необходимо, чтобы сила упругости пружины, прижимающая клапан к кулачку (непосредственно или через промежуточные детали), была больше силы инерции.

После остановки клапана в положении максимального открытия начинается третий период (схема ///), во время которого клапан возвращается в первоначальное положение под действием силы упругости пружины. Движение клапана при этом будет ускоренным и направления скорости и ускорения клапана совпадают. Направление силы инерции сохранится таким, каким оно было при втором периодедвижения,т. е.сила инерции будетстремиться оторвать клапан от кулачка. В течение всего этого периода сила упругостипружиныдолжнабытьбольшесилыинерции.

С момента достижения максимальной скорости начинается четвертый период (схема IV), во время которого скорость убывает от максимума до нуля, а ускорение, меняя направление, создает силу инерции, прижимающую клапан к кулачку.

Из анализа цикла движения клапана следует, что для уменьшения размеров пружины желательно, чтобы сила инерции во втором и третьем периодах была как можно меньше и изменялась подобно изменению силы пружины, т. е. плавно увеличивалась бы с подъемом клапана.

В современных автомобильных двигателях применяются кулачки следующих профилей: 1) выпуклого; 2) вогнутого; 3) профиля, обеспечивающего безударную работу механизма газораспределения.

Выпуклый профиль образуется дугами различных радиусов. Примером кулачка с вогнутым профилем может служить кулачок постоянного ускорения. Кривые подъема и опускания клапана в этом кулачке состоят из дуг параболы.

Кулачок с выпуклым профилем обеспечивает наилучшее наполнение двигателя. Этот кулачок имеет сравнительно небольшие отрицательные ускорения и, следовательно, небольшие отрицательные силы инерции, стремящиеся оторвать клапан от кулачка. Эти силы воспринимаются клапанной пружиной, которая в случае выпуклого кулачка может быть более слабой, чем при кулачках других профилей. К недостаткам этого кулачка можно отнести значительные скорости и ускорения в начале подъема и в конце опускания клапана, что вызывает более сильные удары толкателя о клапан и клапана о седло в эти моменты. Дляуменьшения ударов необходимо правильно подбирать температурные зазоры в механизме газораспределения.

Кулачки с выпуклым профилем получили значительное распространение в карбюраторных двигателях с нижними клапанами, а также в тихоходных дизелях.

В быстроходных двигателях широко применяются безударные кулачки. Их профиль строится согласно заданному закону движения клапана (диаграмма ускорений клапана) как без учета, так и с учетом упругости механизма газораспределения.

К безударным кулачкам предъявляются следующие требования:

1) плавное изменение ускорений клапана; 2) возможно меньшие положительные и в особенности отрицательные ускорения;

3)отсутствие вибрации клапана и нарушения кинематической связи междудвижущимисядеталямимеханизмагазораспределения;

4)малая скорость толкателя и минимальное ее значение в момент соприкосновения клапана с толкателем (после устранения зазора), что необходимо для уменьшения удара клапана о седло; 5) сохранение принятых фаз газораспределения.

К числу кулачков, проектируемых без учета упругости деталей механизма газораспределения, относятся кулачки Курца. Эти кулачки при наличии симметричного профиля довольно часто применяют на автомобильных двигателях с числом оборотов п = = 3500 ч- 4500 об/мин. Кулачки Курца с несимметричным профилем могут применяться и для двигателей с несколько большим числом оборотов.

За последнее время все более широкое распространение получают методы проектирования безударных кулачков с учетом упругости деталей механизма газораспределения. Одним из таких методов является метод «полидайн». В случае кулачков, рассчитанных этим методом, движение толкателя в начале происходит с постоянным ускорением, а затем с постоянной скоростью. Резкое изменение ускорений в начале устранения зазора не является недостатком профиля, так как возникающие при этом силы инерции толкателя не влияют на работу механизма газораспределения.

Исследованиями установлено, что от скорости подъема и посадки клапана значительно зависит износ соприкасающихся поверхностей клапана и седла. Наблюдались случаи, когда при увеличении скорости в 2 раза износ этих поверхностей увеличивается в 8 раз. Однако посадка клапана с небольшой скоростью, при которой сбивается нагар с поверхностей седла и клапана и устраняется возможность их прогорания, весьма желательна.