Совершенствование математической модели динамики и снижение нагруженности механизма газораспределения ДВС тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, кандидат технических наук Сидоров, Дмитрий Владимирович

• Сидоров, Дмитрий Владимирович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сидоров, Дмитрий Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Анализ влияния динамики МГР на его нагруженность, работоспособность и надежность.

1.2 Динамические модели МГР поршневого двигателя.

1.3 Влияние закона движения толкателя на динамику МГР ДВС.

1.4 Основные цели и задачи исследования.

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ МГР НА ОСНОВЕ ОБОБЩЁННОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ С УЧЕТОМ ПЕРЕМЕННОСТИ ПАРАМЕТРОВ МЕХАНИЗМА

2.1 Разработка методики моделирования динамики рычажного клапанного привода с учетом смещения точки контакта по рычагу.

2.2 Моделирование динамики МГР автомобильного двигателя. Определение структуры и идентификация модели по экспериментальным данным.

2.3 Влияние смещения точки контакта по рычагу на динамику МГР. Оценка адекватности математической модели динамики МГР.

2.4 Результаты и выводы.

ГЛАВА 3. МЕТОД ПОШАГОВОГО ЧИСЛЕННОГО СИНТЕЗА ЗАКОНА ДВИЖЕНИЯ ТОЖАТЕЛЯ С УЧАСТКОМ ПОСТОЯННОЙ СКОРОСТИ

3.1 Постановка задачи, система ограничений, алгоритм метода.

3.2 Влияние на закон перемещения толкателя ограничения его первой производной.

3.3 Влияние закона движения толкателя с участком постоянной скорости на нагруженность и динамику МГР.

3.4 Результаты и выводы.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МГР

4.1 Задачи и методика проведения эксперимента.

4.2 Описание экспериментальной установки.

4.3 Измерение усилия в приводе клапана МГР.

4.4. Обработка результатов экспериментального исследования.

4.5 Оценка воспроизводимости эксперимента.

4.6 Результаты и выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование математической модели динамики и снижение нагруженности механизма газораспределения ДВС»

Механизм газораспределения (МГР) является одним из наиболее ответственных и нагруженных устройств двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Разработка конструкции клапанного механизма ДВС и оценка его на-груженности представляет собой сложную задачу в связи с работой его при постоянно изменяющихся скоростных и нагрузочных режимах. Кроме того, наличие упругих звеньев в кинематической цепи привода, деформирующихся при передаче движения клапану, а также переменный характер их нагруже-ния способствуют искажению закона движения клапана, что может привести к ухудшению протекания процессов газообмена.

Для определения работоспособности и нагруженности МГР широко используется математическое моделирование его динамики. Это позволяет с минимальными затратами времени и средств выбирать оптимальные значения конструктивных, технологических параметров и характеристик МГР при его проектировании и доводке. Однако существующие математические модели не в полной мере отражают особенности работы ряда клапанных механизмов, в частности переменность их параметров. Это приводит к снижению адекватности моделей и точности получаемых результатов.

Одним из резервов снижения нагруженности МГР является совершенствование закона движения толкателя, задаваемого профилем кулачка. Следует отметить, что, несмотря на многообразие существующих методов профилирования кулачков МГР, исследователями не уделялось внимание ограничению максимальной скорости толкателя, от которой в ряде случаев зависят угол давления и усилие в контакте. Все сказанное выше определяет актуальность выполненных исследований.

Основные научные результаты диссертации, выносимые на защиту:

1) Разработан метод моделирования динамики МГР, учитывающий переменности жесткости привода по углу поворота кулачка.

2) С использованием предложенного метода выявлено существенное влияние на динамику привода смещения по рычажному толкателю точки его контакта с кулачком, а также достигнуто повышение адекватности математической модели. 3) Усовершенствован численный метод профилирования кулачка путём введения дополнительного ограничения скорости толкателя. Показано, что предложенный метод позволяет снизить нагруженность клапанного привода и повысить его эффективность.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1) Разработаны алгоритм и программное обеспечение, реализующие предложенный метод моделирования динамики МГР со смещением точки контакта по рычагу.

2) На примере моделирования динамики МГР двигателя ВАЗ показано, что учет переменности жесткости рычага позволяет повысить достоверность получаемых динамических характеристик клапанного привода.

3) Разработаны алгоритм и программное обеспечение для формирования профилей кулачков с участком постоянной максимальной скорости движения толкателя на базе обобщённого численного метода.

4) Разработана методика экспериментального исследования динамики рычажного клапанного привода при изменении его жёсткости по углу поворота кулачка.

Основные положения работы докладывались на XI региональной конференции молодых исследователей волгоградской области, (Волгоград, 2006); на 44, 45, 46 ежегодных научно-практических конференциях ВолгГТУ (Волгоград, 2007, 2008, 2009); на Международном научно-техническом семинаре «Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания» (Саратов, 2007, 2008); на Международной научно-практической конференции «Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности» (Саратов, 2007); на Международной конференции «Двигатель - 2007», посвященной 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2007); на Международной научнотехнической конференции «Авто НН 08. Автомобильный транспорт в XXI веке» (Нижний Новгород, 2008).

По материалам работы опубликовано 9 печатных работ, включая 2 статьи, входящих в перечень изданий, рекомендуемых ВАК РФ по кандидатским и докторским диссертациям. Кроме того, получен патент Российской Федерации на изобретение.

Заключение диссертации по теме «Тепловые двигатели», Сидоров, Дмитрий Владимирович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработан обобщенный метод моделирования динамики МГР с учетом смещения по рычажному толкателю точки его контакта с кулачком и, как следствие, переменности жесткости привода по углу поворота кулачка. Предложены также алгоритм и программное обеспечение, реализующие предложенный метод.

2. С использованием данного метода разработана адекватная математическая модель динамики клапанного привода двигателя ВАЗ, идентифицированная по экспериментальным данным в широком диапазоне скоростных режимов, а также при изменении зазора в механизме. Выявлено, что учёт смещения точки контакта при моделировании динамики МГР позволяет существенно повысить точность получаемых результатов. Так, уточнение средней пиковой силы в колебательном процессе в диапазоне частоты вращения распределительного вала п=150-2100 об/мин составляет 6%.

3. Разработана методика и проведено экспериментальное исследование динамики рычажного клапанного привода двигателя ВАЗ при изменении частоты вращения распределительного вала 150-2100 об/мин и зазора в механизме 0-0,15 мм. Экспериментально установлен и количественно оценён рост динамической нагруженности клапанного привода двигателя ВАЗ при увеличении скоростного режима работы двигателя и зазора в МГР.

4. Экспериментально установлено увеличение частоты колебаний в приводе на стороне открытия клапана и уменьшение ее при закрытии клапана вследствие изменения жёсткости привода. Учет смещения точки контакта по рычагу при моделировании динамики МГР позволил воспроизвести данную закономерность расчётным путём, что обеспечило соответствие расчетных диаграмм экспериментальным.

5. Усовершенствован численный метод профилирования кулачка путём введения дополнительного ограничения скорости толкателя. Предложены соответствующий алгоритм и программное обеспечение.

6. Выявлено, что ограничение максимальной скорости толкателя может способствовать снижению нагруженности МГР (до 10 % по действующим силам) и повышению время-сечения клапана (до 5 %). Следует отметить, что при увеличении частоты вращения распределительного вала нагруженность МГР с предлагаемым кулачком, имеющим участок постоянной скорости, растёт быстрее в связи с интенсивными колебательными процессами. Таким образом, кулачок с участком постоянной скорости рекомендуется применять для двигателей низкой и средней быстроходности.

7. Предложенный метод профилирования кулачка с участком максимальной скорости толкателя позволил получить кулачок привода клапана газораспределения ДВС, защищенный патентом РФ № 2338074 на изобретение.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сидоров, Дмитрий Владимирович, 2009 год

1. Абраменко, Ю.Е. Влияние динамики механизма газораспределения ДВС на износ его деталей // Межвуз. сб. науч. тр. / Всесоюзн. заочн. машиностроительный ин-т. - 1981. - № 15.-С. 110 - 121.

2. Абраменко, Ю.Е. Исследование условий работы пары трения кулачок распределительного вала толкатель клапана форсированных ДВС // Двигателестроение. - 1980. - № 10. - С. 30 - 33.

3. Андронов, М.А. Анализ и выбор формы кривой ускорения безударных кулачков //Известия вузов: Машиностроение. 1969. - № 3.

4. Балюк, Б.К. Надежность механизмов газораспределения быстроходных двигателей./ Б.К. Балюк, А.Е. Божко М.: Машиностроение, 1979. -156 с.

5. Бениович, B.C. Профилирование кулачков газораспределения быстроходных тракторных дизелей // Тракторы и сельхозмашины. -1977.-№6.-С. 13 14.

6. Бурьянов, В.А. Повышение долговечности газораспределительного механизма двигателей ВАЗ: Дис. канд. техн. наук. Тольятти, 1982. -143 с.

7. Васильев, А.В. Обобщённый численный метод профилирования кулачков/ А.В. Васильев, Е.А. Григорьев // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 1999. - № 2. - С. 15 - 18.

8. Доброгаев, Р.П., Афанасьев В.Г. Четырёхмассовая модель привода клапана / Р.П. Доброгаев, В.Г. Афанасьев // Известия вузов: Машиностроение. 1976. - № 2. - С. 104 - 109.

9. Драбкин, Я.И. К вопросу о выборе расчётной модели упругого клапанного привода тепловозного дизеля / Я.И. Драбкин, A.M. Эфендиев // Двигатели внутреннего сгорания: Респ. междувед. науч,-техн. сб. / ХПИ. Харьков: Вища школа, 1972. - Вып. 15. - С. 3 - 8.

10. Жолобов, JI.A. Повышение долговечности механизма газораспределения автомобильных двигателей: Дис. канд. техн. наук. -Горький, 1984. 257 с.

11. Исследование и доводка механизма газораспределения двигателя Д-37Е (ВТЗ) / Е.Б. Костромитинов, В.В. Панов, А.Н. Салов и др. // Проблемы формирования и надёжности тракторных двигателей: Материалы науч.-техн. конф. Владимир, 1972. - С. 79 - 86.

12. Исследование влияния износа кулачков распределительного вала на технико-экономические показатели двигателя: Отчёт о НИР / Горьковский автомобильный завод (ГАЗ); № ГР 81013462; Инв. № 02840042491. Горький, 1983. - 162 с.

13. Исследование процесса посадки клапанов быстроходного тракторного двигателя / A.M. Бойко, Д.Г. Вестман, В.П. Прохоров и др. // Тракторы и сельхозмашины. 1979. - № 6. - С. 10 - 12.

14. Кареев, А.Н. Экспериментальное исследование динамики клапана механизма газораспределения верхнеклапанного двигателя / А.Н. Карев, В.В. Карпенко // Автомобилестроение: Науч.-техн. сб. / НИИНавтопром. 1971. - № 4. - С. 95 - 101.

15. Коган, Ю.А. Определение конструктивных параметров механизма газораспределения быстроходных поршневых двигателей // Вестник машиностроения. 1961. - № 4. - С. 32 - 35.

16. Корчемный, JI.B. Динамика газораспределительного механизма и профилирование кулачков быстроходных двигателей. М.: Машгиз, 1960. - 100 с. - (Тр. НАМИ; Вып. 91).

17. Корчемный, JI.B. Механизм газораспределения автомобильного двигателя: Кинематика и динамика. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1981.- 191 с.

18. Корчемный, JI.B. Механизм газораспределения двигателя. М.: Машиностроение, 1964. - 211 с.

19. Корчемный, JI.B. Профилирование кулачка автомобильного двигателя / JI.B. Корчемный, JI.H. Синельников // Конструирование, исследование, технология и экономика производства автомобиля. -1984. Вып. 12. - С. 7 - 13.

20. Кузнецов, П.Б. Исследование возможности синтеза кулачкового механизма с постоянным запасом усилия пружины толкателя / Ярославский политехнический ин-т. Ярославль, 1985. - 11 с. - Деп. в НИИНавтопроме 01.04.85, № 1166ап - 85 Деп.

21. Кулачок привода клапана: пат. 2128776 Российской Федерации, МПК7 F01 L 1/08. / Е.А. Григорьев, А.В. Васильев. - № 97108925/06; Заявлено 30.05.97; Опубл. 10.04.99, Бюл. № ю, ч.2. - С. 441

22. Ларцев, A.M. Многопараметрическая оптимизация механизма газораспределения ДВС с целью улучшения его динамических качеств и надёжности: Дис. канд. техн. наук. Волгоград, 1985. - 269 с.

23. Ливанов, Б.М. Совершенствование методов расчёта и выбора параметров конструкции механизма газораспределения автомобильных двигателей: Дис. канд. техн. наук. М., 1985. - 220 с.

24. Макаревич, П.С. Влияние геометрии кулачка на работоспособность пары кулачок-толкатель // Автомобильная промышленность. 1977. -№ 9. - С. 10 - 12.

25. Макаревич, П.С. Влияние материалов пары «кулачок-толкатель» на закон ускорения толкателя II Автомобильная промышленность. 1982.- № 2. С. 10-11.

26. Меден, А.И. Численное профилирование безударных кулачков // Двигателестроение. 1983. - № 8. - С. 15 - 19.

27. Мишин, И.А. Долговечность двигателей. Л.: Машиностроение, 1968. -260 с.

28. Мороз, В.И. К проектировочным расчётам профилируемых методом Курца кулачков для механизма газораспределения двигателя /

29. В.И. Мороз, А.В. Суранов // Харьк. ин-т инж. ж.-д. трансп. Харьков, 1987. - 13 с. - Деп. в ЦНИИТЭИтяжмаше 12.08.87, № 1974 - тм 87.

30. Мороз, В.И. Обобщённая методика для проектирующей подсистемы профилирования кулачков механизма газораспределения двигателей умеренной быстроходности / Харьк. ин-т инж. ж.-д. трансп. Харьков, 1986. - 10 с. - Деп. в ЦНИИТЭИтяжмаше 27.02.86, № 1620 - тм.

31. Мороз, В.И. Оптимизационное проектирование кулачковых механизмов с плоским толкателем для привода клапанов ДВС /

32. B.И. Мороз, А.В. Братченко // Двигатели внутреннего сгорания: Респ. междувед. науч.-техн. сб. / ХПИ. Харьков: Вища школа, 1989. - Вып. 50.-С. 84-88.

33. Мороз, В.И. Рациональное проектирование кулачков для механизма газораспределения ДВС с использованием обобщённых математических зависимостей // Двигателестроение. 1988. - № 12.1. C. 23 25.

34. О влиянии профиля кулачка и жёсткости клапанного привода на динамику клапана быстроходного тракторного дизеля / B.C. Бениович, A.M. Бойко, Д.Г. Вестман, В.П. Прохоров // Тракторы и сельхозмашины. 1979. - № 8. - С. 10 - 12.

35. О расчёте долговечности деталей газораспределительного механизма двигателей / Ю.М. Панов, И.Б. Гурвич, А.П. Егорова, Л.А. Жолобов // Автомобильная промышленность. 1976. - № 2. - С. 10 - 12.

36. Определение нагруженности кулачков газораспределительного вала / Л.В. Корчемный, В.Д. Казакова, Б.М. Ливанов, Е.М. Хайновский // Автомобильная промышленность. 1977. - № 1. - С. 8 - 10.

37. Основы научных исследований: учебник для вузов/ под ред. В.Г. Кучерова / ВолгГТУ. Волгоград, 2004. - 304 с.

38. Оценка износостойкости деталей механизма газораспределения двигателей ГАЗ и ЗМЗ / Ю.М. Панов, И.Б. Гурвич, А.П. Егорова, Л.А. Жолобов // Автомобильная промышленность. 1975. - № 5. - С. 5 - 7.

39. Попов, Н.Н. Расчёт и проектирование кулачковых механизмов. М.: Машиностроение, 1980. - 214 с.

40. Попык, К.Г. Конструирование и расчёт автомобильных и тракторных двигателей. М.: Высшая школа, 1973. - 300 с.

41. Профилирование кулачков механизма газораспределения двигателя 8ЧВН15/16 / Е.А. Григорьев, A.M. Ларцев, Б.К. Балюк, А.В. Васильев; Волгоградский политехнический ин-т. Волгоград, 1988. - 27 с. - Деп. в ЦНИИТЭИтракторосельхозмаше 12.04.88, № 961 - тс 88.

42. Работа привода клапанов дизеля с четырёхклапанной головкой цилиндра / J1.B. Корчемный, Б.М. Ливанов, Н.И. Комарова, С.С. Наумов // Автомобильная промышленность. 1986. - № 2. - С. 6 - 7.

43. Раскин, А.И. Разработка элементов САПР кулачковых механизмов / А.И. Раскин, Ф.И. Туронок // Системы автоматизированного проектирования в машиностроении и приборостроении. Рига, 1987. -С. 72-81.

44. Рудерман, И.Л. Демпфирование колебаний клапанных пружин / И.Л. Рудерман, В.Ю. Вахтель // Автомобильная промышленность. -1972.-№ 1.-С. 10-12.

45. Русинов, Р.В. К расчёту кулачковых механизмов дизелей // Двигателестроение. 1981. - № 1.-С. 30-31.

46. Синельников, Л.Н. Исследование с помощью ЭВМ динамики механизма газораспределения двигателей с учётом вибрации клапанных пружин / Л.Н. Синельников, В.Г. Афанасьев // Автомобильная промышленность. 1976. - № 10. - С. 6 - 8.

47. Тартаковский, И.И. Профилирование дисковых кулачков по дугам окружностей // Теория машин и механизмов. 1964. - Вып. 101. -С. 5- 19.

48. Чистяков, В.К. Динамика поршневых и комбинированных двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1989. - 256 с.

49. Шинкаренко, И.Т. Повышение эффективности механизмов газораспределения посредством комплексного выбора параметров: Дис. канд. техн. наук. Киев, 1986. - 212 с.

50. Файнлейб, Б.Н. Оптимизация параметров кулачкового механизма дизельных насосов высокого давления / Б.Н. Файнлейб, В.А. Лебедев // Двигателестроение. — 1990. — 298с.

51. Akiba, К. A comprehensive simulation of high speed driven valve trains / KAkiba, A. Shimizu, H. A Sakai // SAE Techn. Pap. Ser. 1981. - 1 810865. - P. 1 - 18.

52. Akiba, K. A dynamic study on valve trains // Intern. Combust. Engine. -1987. Vol. 26, 1 338. - P. 39 - 46.

53. Akiba, K. A dynamic study on valve trains. The simulation on the shock force of the valve stem and its reduction methods / К Akiba, A. Shimizu, H. A Sakai // Trans. Jap. Soc. Mech. Eng. 1986. - Vol. B52, 1 483. - P. 3818 -3826.

54. Akiba, К. Vibration problems of valve mechanism on high speed diesel engines // J. Mar. Eng. Soc. Jap. 1987. - Vol. 22, 1 8. - P. 495 - 501.

55. Canter, S. New valve technology boosts engine performance / S. Canter, J. Neil // Tribology & Lubrication Technology. 2005. - 385 p.

56. Chan, C. Dynamic model of a fluctuating rocker-arm ratio cam system / C. Chan, A.P. Pisano // Trans, of the ASME: J. of Mechanisms, Transmissions, and Automation in Design. 1987. - Vol. 109, 1 3. - P. 356-365.

57. Deschler, G. Nockenauslegung fur Flachstof3el unter Beachtung elastohydrodynamischer Schmierung / G. Deschler, D. Wittmann // MTZ. -1978. Vol. 39,1 3. - S. 123-127.

58. Development of Accelerator-By-Wire System for Variable Valve Lift and Timing Mechanism with Three Dimensional Cam / Y. Shimozuma, S. Sakoh, Z. Henein // SAE Internation. Session: Engine Technology. 2008. -P. 62- 84.

59. Giles, W. Valve problems with lead free gasoline // SAE Trans. 1971. -Vol. 80, sect. 3. - P. 1475 - 1483

60. Kosugi, T. Valve motion simulation method for high-speed internal combustion engines / T. Kosugi, T. Seino // SAE Techn. Pap. Ser. 1985. - 1 850179.-P. 1 - 10.

61. Kreuter, P. Valve train calculation model with regard to oil film effects / P. Kreuter, F. Pischinger // SAE Techn. Pap. Ser. 1985. - 1 850399. -P. 1-10.

62. Narasimhan, S.L. Valve gear mean and materials / S.L. Narasimhan, J.M. Larson // SAE Techn. Pap. Ser. 1985. - № 851497. - P. 1 - 30.

63. Overview of Current Continuously Variable Valve Lift Systems for Four-Stroke, Spark-Ignition Engines and the Criteria for Their Design Ratings /

64. W. Hannibal, R. Flierl, L. Stiegler, R. Meyer // SAE Internation. Session: Variable Valve Actuation. 2004. - P. 44 - 60.

65. Phlips, P.J. An efficient model for valve train and spring dynamics / P.J. Phlips, A.R. Schamel, J. Meyer // SAE Techn. Pap. Ser. 1989. - 1 890619. -P. 1 - 15.

66. Potential of a Mechanical Fully-Variable Valve Lift System for Engines With a Side-Mounted Camshaft / M. Mohr, R. Flierl, W. Hannibal // SAE Internation. Session: Variable Valve Actuation. 2004. - P. 43 - 58.

67. Radu, G. Consideratii privind comportarea mecanismului de distributie sub aspect dinamic / G. Radu, Z. Zakarias // Constructia de masini. 1978. - Vol. 30, 1 5. - S. 224 - 226.

68. Rees Jones, J. Dynamic response of cam curves based on sinusoidal segments / J. Rees Jones, J.E. Reeve // Cams and Cam Mechanisms / The Institution of Mech. Eng. London and Birminghem, Alabama, 1978. -P. 14-24.

69. Ryti, M. Ein Rechenverfahren fur Steuemocken // MTZ. 1974. - 1 4. -S. 106 - 109.

70. Seidlitz, S. Valve train dynamics a computer study // SAE Techn. Pap. Ser. - 1989. -1 890620. - P. 1 - 12.

71. Wagstaff, P.R. Valve and valve mechanisms design and behavior / P.R. Wagstaff, G.G. Lucas // Passenger Car Engines. London, 1975. -P. 41 -49.

72. Wang, D. Optimum design of cam dynamics with ellipse-exponent combination / D. Wang, S. Jiang // Chin. Intern. Combust. Engine. 1987. -Vol. 8, 1 4. - P. 48-56.

73. Wiederrich, J.L. Design of low vibration cam profile / J.L.Wiederrich, B. Roth // Cams and Cam Mechanisms / The Institution of Mech. Eng. -London and Birminghem, Alabama, 1978. P. 3 - 8.

74. Механизм газораспределения: Легион-автодата.-2004. -режим доступа http://www.autodata.ru

75. Механизм газораспределения электронный ресурс. — [2005]. режим доступа: http://www.MotorZona.ru

76. Современные системы газораспределения электронный ресурс. — [2005]. режим доступа: http://www.Drive.ru

77. A Comparison of the Toyota VVT system Vs the Honda VTEC электронный ресурс. .-[2004] .-http://www.billzilla.org/vvtvtec3 .htm.

78. Basic VTEC Mechanism электронный ресурс.-[2004].-http://www.vtec.net/articles

79. Honda в России электронный ресурс.-[2004].-http://www.hondamotor.ru