Sprężyna drzwi to niewielkie narzędzie, które zapewnia właściwe osadzenie i ścisłe dopasowanie zaworu, zapobiegając przeskakiwaniu zaworu i uszkodzeniu jego uszczelnienia podczas drgań silnika.
Sprężyna zaworu znajduje się pomiędzy głowicą cylindra a gniazdem sprężyny na końcu trzonu zaworu. Funkcją sprężyny zaworu jest zapewnienie, że zawór może ściśle przylegać do gniazda zaworu lub pierścienia gniazda zaworu, gdy zawór jest zamknięty, oraz pokonanie siły bezwładności generowanej przez mechanizm zaworu, gdy zawór jest otwarty, tak aby części przekładni były zawsze kontrolowane przez krzywkę i nie odłączały się od siebie.
Sprężyny zaworowe są często wykonane z wysokiej jakości drutu ze stali stopowej i poddawane obróbce cieplnej w celu zwiększenia ich wytrzymałości zmęczeniowej. Aby uniknąć korozji sprężyny, powierzchnia sprężyny powinna być ocynkowana i fosforanowana. Oba końce sprężyny muszą być oszlifowane płasko i prostopadle do osi sprężyny, aby zapobiec przechylaniu się sprężyny podczas pracy.
Sprężyny zaworowe to głównie cylindryczne sprężyny spiralne. Gdy częstotliwość robocza sprężyny zaworowej jest równa lub wielokrotność jej częstotliwości naturalnej, sprężyna zaworowa będzie rezonować, a prawdopodobieństwo pęknięcia wzrośnie. Aby zapobiec rezonansowi, można użyć sprężyn o zmiennym skoku, a obecnie większość silników używa koncentrycznych sprężyn podwójnych. Kierunek obrotu sprężyny wewnętrznej i zewnętrznej jest przeciwny, a sztywność sprężyny zewnętrznej jest większa niż wewnętrznej. Podwójne sprężyny nie tylko zapobiegają rezonansowi, ale również skracają długość sprężyny. Ponadto, gdy jedna sprężyna pęknie, druga sprężyna może nadal pracować, zapobiegając wpadnięciu zaworu do cylindra.
Metoda projektowania
Konstrukcja sprężyny zaworowej, podobnie jak konstrukcja krzywki, ma takie samo znaczenie dla wydajności układu silnika. Funkcją sprężyny zaworowej jest zapobieganie wyskakiwaniu zaworu z gniazda zaworu pod wpływem obciążenia ciśnieniowego, a także kontrolowanie ruchu zaworu w celu uniknięcia oderwania mechanizmu zaworowego. Konstrukcja sprężyn zaworowych wpływa na naprężenie krzywki, tarcie mechanizmu zaworowego i drgania sprężyny. Sprężyna zaworowa silnika jest zwykle otwartą sprężyną ściskającą z zamkniętymi końcami. Większość silników wykorzystuje sprężyny o stałej sztywności, chociaż niektóre wykorzystują sprężyny o zmiennej sztywności. W przypadku silników wysokoprężnych o niskiej prędkości obrotowej zastosowanie pojedynczej konstrukcji sprężyny jest zwykle wystarczające do spełnienia wymagań, ale czasami konieczne jest również zastosowanie konstrukcji podwójnej sprężyny ze sprężyną tłumiącą lub sprężyną wewnętrzną w celu zmniejszenia nasilenia trzepotania sprężyny zaworowej. Konstrukcja sprężyny zaworowej jest bardzo złożonym zadaniem. Może służyć jako przykład ilustrujący zasady projektowania układu silnika z dwóch lub trzech powodów. Po pierwsze, analityczna metoda projektowania sprężyny demonstruje związek między parametrami komponentów a parametrami projektowania układu. Po drugie, analityczna metoda projektowania sprężyn pokazuje, że dla tego samego problemu projektowego mogą istnieć dwie różne metody konstrukcji matematycznej: jedna polega na traktowaniu go jako rozwiązania deterministycznego, a druga na rozwiązaniu go jako problemu optymalizacji. W matematycznej konstrukcji problemów optymalizacji zarówno funkcja celu, jak i funkcja ograniczenia są wymienione jako funkcje jawne jako przykłady. Należy zauważyć, że w innych obszarach projektowania układów silnika, takich jak wydajność cyklu, projektowanie krzywek i dynamika układu rozrządu, funkcje używane do optymalizacji konstrukcji są zazwyczaj bardziej złożonymi funkcjami niejawnymi. Po trzecie, analityczna metoda projektowania sprężyn stanowi przykład wykorzystania projektowania graficznego do skonstruowania parametrycznego diagramu projektu przemiatania. Te typowe diagramy parametrów można wykorzystać do rozwiązania wielowymiarowych problemów projektowych powszechnie spotykanych w projektowaniu układów silników wysokoprężnych.
W projektowaniu sprężyn zaworowych znane dane wejściowe obejmują: ① maksymalny skok zaworu; ② podaną długość instalacji sprężyny; ③ wymaganą siłę napięcia wstępnego sprężyny; ④ wymaganą sztywność sprężyny. Należy zauważyć, że siła napięcia wstępnego i sztywność sprężyny to parametry projektowe na poziomie układu silnika, które muszą spełniać maksymalną dopuszczalną siłę sprężyny i naprężenie krzywki, zapobiegać przeskakiwaniu zaworu wydechowego i zapewniać, że układ zaworowy nie odleci. Istnieje silna interakcja między projektem sprężyny zaworowej a projektem krzywki. Jeśli trudno jest znaleźć rozwiązanie w projekcie sprężyny, konieczna jest modyfikacja tych danych wejściowych.
W projektowaniu sprężyn zaworowych następujące parametry są obliczane jako dane wyjściowe: ① Podstawowe lub niezależne parametry projektowe sprężyny (tj. średnia średnica sprężyny, średnica drutu cewki sprężyny, liczba zwojów roboczych); ② Eksportowane parametry projektowe (takie jak swobodna długość sprężyny, maksymalna długość ściskania, długość ściskania, swobodna szczelina między zwojami, pełna szczelina między zwojami przy maksymalnym ściskaniu, częstotliwość własna i rząd drgań sprężyny, maksymalne obciążenie sprężyny, maksymalna siła skręcająca sprężyny). Podstawowe parametry projektowe sprężyny określają sztywność sprężyny.
Niektóre parametry wyjściowe są ograniczone przez ograniczenia konstrukcyjne. Na przykład długość instalacji i średnia średnica sprężyny są ograniczone przez przestrzeń pakowania. Maksymalne ściskanie sprężyny i naprężenie skrętne sprężyny przy zagęszczonej długości są ograniczone przez trwałość zmęczeniową, wytrzymałość i maksymalną dopuszczalną granicę naprężenia sprężyny. Warunki ograniczenia ochrony przed drganiami sprężyny są osiągane poprzez kontrolowanie luzu fizycznego i częstotliwości drgań własnych sprężyny. Rząd drgań sprężyny odnosi się do stosunku częstotliwości drgań własnych sprężyny do częstotliwości roboczej silnika. Aby zapewnić, że sprężyna nie będzie doświadczać silnych drgań podczas pracy. Częstotliwość drgań własnych sprężyny zaworowej powinna zwykle być co najmniej 13 razy większa od częstotliwości roboczej silnika, co oznacza, że rząd drgań sprężyny powinien być wyższy niż 13. Analiza częstotliwości drgań własnych sprężyny pokazuje, że jeśli sprężyna reaguje bardzo wrażliwie na jedną z dominujących harmonicznych profilu krzywki, trend drgań jest zdecydowanie obecny. W takim przypadku konieczna jest modyfikacja konstrukcji krzywki lub sprężyny. Czasami można zastosować zmienną sztywność lub sprężyny zagnieżdżone, aby zmienić częstotliwość sprężyny i w ten sposób złagodzić problemy związane z wibracjami.
Projektowanie sprężyny to wielowymiarowy problem parametrów, który można rozwiązać za pomocą podejścia graficznego w celu sprawdzenia trendów wrażliwości parametrów. Celem optymalizacji projektowania sprężyny zaworowej jest maksymalizacja częstotliwości drgań własnych sprężyny w celu zmniejszenia drgań sprężyny, przy jednoczesnym spełnieniu następujących ograniczeń: ① wymagane napięcie wstępne sprężyny i sztywność sprężyny zaworowej w układzie silnika; ② Maksymalne dopuszczalne naprężenie sprężyny; ③ Odpowiedni luz fizyczny w celu kontrolowania drgań sprężyny
Etapy projektowania
Obliczanie sprężyn zaworowych to złożony problem projektowania systemu. Dobrze zaprojektowana sprężyna może zminimalizować tarcie i zużycie mechanizmu zaworowego. Metoda formuły analizy dla projektowania sprężyn zaworowych oparta na konstruowaniu diagramu projektowego wrażliwości parametrów jest podsumowana następująco:
(1) Krok 1: Analizując osiągi pojazdu podczas jazdy z górki i hamowania silnikiem, należy określić docelową prędkość startową układu rozrządu, aby określić wymagane napięcie wstępne sprężyny zaworowej i sztywność sprężyny;
(2) Krok 2: Ustanowić dynamiczny model układu rozrządu w celu dokładnego przewidywania niekontrolowanego rozpędzania i oceny wpływu ciśnienia rekompresji cylindra na niekontrolowane rozpędzanie;
(3) Krok 3: Wykonaj obliczenia przemiatania parametrów dla różnych wartości napięcia wstępnego sprężyny i sztywności sprężyny, aby skonstruować diagram parametrów dynamiki układu rozrządu, w celu zbadania ich wpływu na drgania układu rozrządu. Konieczne jest narysowanie krzywych siły popychacza, przyspieszenia układu rozrządu i opóźnienia sprężyny względem kąta wału korbowego na rysunku, aby wyświetlić margines projektowy dla niekontrolowanego ruchu, tak aby wygodnie i mądrze wybrać wartości docelowe napięcia wstępnego sprężyny i sztywności sprężyny wymagane w kroku 4;
(4) Krok 4: Na podstawie równowagi sił statycznych głowicy zaworu wydechowego oblicz wymagane napięcie wstępne sprężyny, aby zapobiec podskakiwaniu zaworu wydechowego. Wybierz napięcie wstępne sprężyny zaworu wydechowego dla silników z hamulcami wydechowymi i bez nich i użyj diagramu parametrów projektowych w kroku 3, aby wybrać odpowiednią sztywność sprężyny;
(5) Krok 5: Wykonaj obliczenia przemiatania parametrów dla parametrów projektu i użyj graficznych metod projektowania, aby skonstruować diagram projektu wrażliwości parametrów dla projektu sprężyny. Wybierz średnią średnicę sprężyny, średnicę drutu cewki i liczbę zwojów, spełniając jednocześnie ograniczenia projektu, takie jak naprężenie skrętne sprężyny, częstotliwość drgań własnych i luz cewki. Alternatywnie, analityczne metody optymalizacji mogą być użyte do bezpośredniego rozwiązania równania.
Metoda łamania
Ponieważ sprężyna zaworowa przenosi moment obrotowy podczas pracy, rozkład naprężeń na jej okrągłym przekroju poprzecznym jest nierównomierny. Naprężenie stopniowo wzrasta od początku w pobliżu środka do każdego punktu na krawędzi, a powierzchnia doświadcza największego naprężenia. Pod względem punktów powierzchni, powierzchnia wewnętrzna przenosi największe naprężenie i jest poddawana płaskiemu naprężeniu. Dlatego też, gdy na powierzchni sprężyny zaworowej pojawi się defekt, możliwe jest wygenerowanie maksymalnej koncentracji naprężeń w miejscu defektu, co prowadzi do wczesnego pęknięcia sprężyny.
Powód pęknięcia
Przyczyną pęknięcia sprężyny zaworowej, oprócz wad produkcyjnych, może być również niewłaściwe użytkowanie, które może również powodować wczesne uszkodzenia. Najczęstsze przyczyny są następujące:
① Na powierzchni sprężyny znajdują się wżery i korozja. Nieprawidłowe przechowywanie może powodować powstawanie wżerów korozyjnych na powierzchni sprężyny. Gdy sprężyna jest poddawana wysokiemu momentowi obrotowemu, w wżerach korozyjnych może łatwo dojść do koncentracji naprężeń, co ostatecznie prowadzi do pęknięcia zmęczeniowego sprężyny.
Metoda kontroli jakości nowych sprężyn zaworowych: zaciśnij sprężynę w imadle i ściśnij ją do minimalnej długości, tak aby nie było szczeliny między pierścieniami, tak bardzo jak to możliwe, i trzymaj ją przez 48 godzin. Jeśli na powierzchni sprężyny są wady, pęknie ona po tym zabiegu ściskania. Dzieje się tak, ponieważ wewnętrzne naprężenie sprężyny jest silnie skoncentrowane w pobliżu wady, powodując pęknięcie sprężyny.
Siłę sprężystości sprężyny zaworowej można określić metodą porównawczą. Konkretna metoda polega na tym, aby najpierw połączyć starą sprężynę zaworową podlegającą inspekcji szeregowo z nową sprężyną zaworową i oddzielić je stalową podkładką na środku. Następnie należy zastosować pewną ilość nacisku na sprężynę zaworową i obserwować stopień ściskania nowej i starej sprężyny. Jeśli sprężystość starej sprężyny jest niewystarczająca, należy ją najpierw docisnąć.
② Oś sprężyny jest skośna. Jeśli dwie powierzchnie końcowe sprężyny zaworowej nie są prostopadłe do osi sprężyny, sprężyna będzie pracować z dużą prędkością przez długi czas, a jej metalowy materiał jest również podatny na pękanie z powodu zmęczenia. Metodą sprawdzenia pionowości sprężyn zaworowych jest najpierw umieszczenie sprężyny pionowo na płaskiej płycie, użycie kwadratowej linijki, aby oprzeć ją o dolne koło sprężyny, a następnie obrócenie sprężyny raz i zmierzenie maksymalnej odległości między górnym kołem sprężyny a kwadratową linijką. Zwykle odległość nachylenia sprężyny zaworowej do linii pionowej wynosi 1.0-1.5mm. Jeśli przekracza tę wartość, najlepiej wymienić ją na nową.
③ Ruch prowadnicy zaworu lub luźne łożyska wałka rozrządu. Jeśli prowadnica zaworu porusza się podczas użytkowania, może to spowodować pęknięcie sprężyny zaworu z powodu naprężenia zginającego podczas ściskania. Luźne łożyska wałka rozrządu mogą powodować rezonans sprężyn zaworowych, a także prowadzić do ich pęknięcia.
④ Nieprawidłowa obsługa lub instalacja. Podczas pracy silnika wysokoprężnego, jeśli prędkość nagle zmienia się często, częstotliwość ściskania i rozciągania sprężyny zaworowej nagle wzrośnie, co doprowadzi do pęknięcia zmęczeniowego.
⑤ Sprężyna zaworu nie została zmontowana zgodnie z wymaganiami. Podczas montażu sprężyn zaworów niektóre modele mają specjalne wymagania. Na przykład silnik wysokoprężny Isuzu 6BBl wymaga, aby niebieska strona sprężyny była skierowana w stronę płaskiej powierzchni głowicy cylindra. W przeciwnym razie sprężyna jest podatna na pęknięcie.
Zarządzanie kryzysowe
Jeśli sprężyna zaworowa silnika wysokoprężnego zostanie złamana podczas jazdy, najpierw można ją usunąć, a następnie ponownie zamontować powierzchnie robocze na obu końcach sprężyny w celu tymczasowego użycia. Jeśli sprężyna pęknie na kilka sekcji, śruby regulacyjne zaworów dolotowych i wydechowych cylindra można usunąć, aby utrzymać zawory zamknięte. Następnie można usunąć przewód olejowy wysokiego ciśnienia pompy wtryskowej paliwa prowadzący do cylindra, aby zapobiec wtryskiwaniu paliwa do cylindra, umożliwiając samochodowi kontynuowanie jazdy do celu.
Etapy inspekcji
(1) Sprawdź długość swobodną sprężyny zaworowej. Zmierz długość swobodną sprężyny zaworowej suwmiarką, a jej wartość powinna być zgodna z wartością standardową. Jeśli nie spełnia wymagań, należy ją wymienić.
(2) Sprawdź pionowość sprężyny zaworowej. Użyj kwadratowej linijki i płaskiej płytki, aby sprawdzić pionowość sprężyny zaworowej. Jej wartość powinna być zgodna ze standardową wartością, w przeciwnym razie należy ją wymienić.
(3) Sprawdź napięcie wstępne sprężyny zaworowej. Użyj miernika siły, aby wykryć siłę napięcia wstępnego sprężyny zaworowej, a jej wartość powinna być zgodna ze standardem. Jeśli siła napięcia wstępnego jest niższa od wartości standardowej, sprężynę zaworową należy wymienić.
(4) Aby zapobiec uszkodzeniom, sprężynę należy często ściskać.
