Phương pháp thiết kế lò xo van

Thiết kế lò xo van cũng quan trọng đối với hiệu suất của hệ thống động cơ như thiết kế cam. Các chức năng của lò xo van bao gồm ngăn van nổi khỏi bệ van dưới tải trọng áp suất khí và điều khiển chuyển động của van để ngăn chặn sự tách rời của bộ truyền động van. Thiết kế lò xo van ảnh hưởng đến ứng suất cam, ma sát truyền động van và độ rung của lò xo. Lò xo van của động cơ thường là lò xo nén xoắn ốc-mở có hai đầu đóng. Hầu hết các động cơ đều sử dụng lò xo có tốc độ -không đổi, mặc dù một số sử dụng lò xo có tốc độ{6}}có thể thay đổi. Đối với động cơ diesel tốc độ thấp hơn, thiết kế lò xo đơn thường là đủ, nhưng đôi khi cần thiết kế lò xo đôi với lò xo giảm chấn hoặc lò xo bên trong để giảm mức độ nghiêm trọng của hiện tượng rung lò xo van. Thiết kế lò xo van là một công việc rất phức tạp. Nó phục vụ như một ví dụ để minh họa các nguyên tắc thiết kế hệ thống động cơ vì hai hoặc ba lý do. Đầu tiên, phương pháp thiết kế lò xo phân tích thể hiện mối liên hệ giữa các thông số thiết kế thành phần và các thông số thiết kế hệ thống. Thứ hai, phương pháp thiết kế lò xo phân tích cho thấy rằng cùng một vấn đề thiết kế có thể được hình thành theo hai cách khác nhau: một là coi nó như một giải pháp xác định, và hai là giải quyết nó như một vấn đề tối ưu hóa. Trong cấu trúc toán học của bài toán tối ưu hóa, cả hàm mục tiêu và hàm ràng buộc đều được liệt kê dưới dạng ví dụ về các hàm rõ ràng. Cần lưu ý rằng trong các lĩnh vực khác của thiết kế hệ thống động cơ (chẳng hạn như hiệu suất chu trình, thiết kế cam và động lực học van), các hàm được sử dụng để xây dựng tối ưu hóa thường là các hàm ẩn phức tạp hơn. Thứ ba, phương pháp thiết kế lò xo phân tích đưa ra một ví dụ về việc sử dụng phương pháp thiết kế đồ họa để xây dựng sơ đồ thiết kế quét tham số. Bạn có thể sử dụng các sơ đồ thông số điển hình này để giải quyết các vấn đề thiết kế đa chiều thường gặp trong thiết kế hệ thống động cơ diesel.
Trong thiết kế lò xo van, dữ liệu đầu vào đã biết bao gồm:
① Độ nâng van tối đa;
② Với chiều dài lắp đặt lò xo;
③ Yêu cầu tải trước lò xo
④ Độ cứng lò xo cần thiết. Cần lưu ý rằng tải trước lò xo và độ cứng là các thông số thiết kế ở cấp hệ thống động cơ, cần đáp ứng các yêu cầu về lực lò xo và ứng suất cam tối đa cho phép, van xả không{1}}nổi và bộ truyền động van không{2}}bay. Có sự tương tác mạnh mẽ giữa thiết kế lò xo van và thiết kế cam. Nếu khó tìm ra giải pháp trong thiết kế lò xo thì những dữ liệu đầu vào này phải được sửa đổi.
Trong thiết kế lò xo van, các thông số sau được tính toán dữ liệu đầu ra:
① Các thông số thiết kế lò xo cơ bản hoặc độc lập (tức là đường kính trung bình của lò xo, đường kính dây cuộn lò xo, số cuộn dây làm việc);
② Các thông số thiết kế dẫn xuất (ví dụ: chiều dài tự do của lò xo, chiều dài nén tối đa, chiều dài nén, khe hở tự do giữa các cuộn dây, khe hở đặc giữa các cuộn dây ở mức nén tối đa, tần số tự nhiên của lò xo và thứ tự rung, tải trọng lò xo tối đa, lực xoắn lò xo tối đa). Các thông số thiết kế lò xo cơ bản quyết định độ cứng của lò xo.
Một số thông số đầu ra phải tuân theo các ràng buộc về thiết kế. Ví dụ: chiều dài lắp đặt và đường kính trung bình của lò xo bị giới hạn bởi không gian đóng gói. Ứng suất xoắn của lò xo khi lò xo bị nén tối đa và ở chiều dài được nén bị giới hạn bởi tuổi thọ mỏi, độ bền và giới hạn ứng suất tối đa cho phép của lò xo. Các hạn chế về bảo vệ rung lò xo đạt được bằng cách kiểm soát khe hở đặc và tần số tự nhiên của lò xo. Thứ tự dao động của lò xo là tỉ số giữa tần số tự nhiên của lò xo và tần số làm việc của động cơ. Để đảm bảo lò xo không bị rung lắc mạnh trong quá trình hoạt động. Tần số tự nhiên của lò xo van thường phải gấp ít nhất 13 lần tần số làm việc của động cơ; nghĩa là, người ta hy vọng rằng bậc rung của lò xo cao hơn 13. Phân tích tần số tự nhiên của lò xo cho thấy rằng nếu lò xo rất nhạy cảm với một trong các sóng hài chủ đạo của biên dạng cam thì sẽ có xu hướng xảy ra rung. Trong trường hợp này, thiết kế cam hoặc lò xo cần được sửa đổi. Đôi khi có thể sử dụng độ cứng thay đổi hoặc lò xo lồng nhau để thay đổi tần số của lò xo nhằm giúp giảm bớt vấn đề rung.
Thiết kế lò xo là một bài toán tham số đa chiều-có thể được xử lý bằng đồ họa để kiểm tra xu hướng độ nhạy của tham số. Mục tiêu của việc tối ưu hóa thiết kế lò xo van là tối đa hóa tần số tự nhiên của lò xo để giảm độ rung của lò xo đồng thời đáp ứng các ràng buộc sau:
① Lò xo đặt trước và độ cứng của lò xo van theo yêu cầu của hệ thống động cơ;
② Ứng suất lò xo tối đa cho phép;
③ Khoảng hở vật lý phù hợp để kiểm soát độ rung của lò xo.