Изобретение относится к области машиностроения, в частности к устройству регуляторов скорости для двигателей внутреннего сгорания транспортных средств.
Известен регулятор скорости, содержащий в измерителе цилиндрическую пружину постоянной жесткости. Недостаток этого регулятора снижение коэффициента усиления измерителя с уменьшением заданной скорости. Небольшой диапазон заданных скоростей ограничивает использование регулятора как всережимного для транспортных двигателей.
Есть регуляторы, у которых для устранения отмеченного недостатка введены две или три цилиндрические пружины постоянной жесткости, регуляторы с переменным передаточным отношением от грузов к выходу регулятора, регуляторы с переменным наклоном цилиндрической пружины, регуляторы с пружинами переменной жесткости. Но и у этих регуляторов диапазон заданных скоростей остается ограниченным (наименьшие обороты равны приблизительно 1/3 наибольших), что вызывает неудобства в управлении и делает работу транспортного средства неэкономичной.
Регулятор Д50, принятый в качестве прототипа, имеет измеритель скорости с грузами, пружиной переменной жесткости и кинематической связью между ними, устройство задания скоростного режима. Недостатком устройства является то, что коэффициент усиления измерителя, а значит, и чувствительность уменьшаются со снижением заданной скорости. Поэтому сброс скорости вала двигателя до наименьшей заданной сопровождается значительным провалом скорости ниже заданной, что может вызвать остановку двигателя или сбои в работе вспомогательных устройств. Повышение нижнего предела настройки, вводимое для устранения таких неприятностей, ухудшает экономичность транспортного средства. Пружина переменной жидкости сложна в изготовлении. Нагрузка на пружину меняется в квадратичной зависимости от изменения скорости. При большом диапазоне изменения нагрузок трудно обеспечить точность работы измерителя скорости. К тому же, пружины изготавливают с такими большими допусками по нагрузке (±1 кгс при силе 12,8 кгс), что можно подобрать цилиндрическую пружину, зависимость силы от деформации у которой будет укладываться в допуски пружины переменной жесткости в рабочем диапазоне скоростей (допусков на жесткость в технических условиях нет).
Сущность предложения: в известном регуляторе, содержащем измеритель скорости с грузами, пружиной, кинематической связью между грузами и пружиной и устройство задания скоростного режима, в кинематическую связь между грузами и пружиной введено звено с переменным передаточным отношением, управляемым устройством задания скоростного режима.
Технический результат от использования предложенного устройства - улучшение качества работы системы регулирования. Коэффициент усиления (и чувствительность) измерителя скорости сохраняется неизменным и заданным при всех скоростных режимах. Возможно увеличение диапазона заданных скоростей для повышения экономичности двигателя. Замена специальной пружины переменной жесткости на стандартную цилиндрическую упрощает конструкцию измерителя и улучшает качество регулирования: у пружины переменной жесткости жесткость меняется не только при изменении скоростного режима, что необходимо, но и при переходных процессах, что нежелательно. Становится более удобным распределение заданных скоростей по положению задающего органа (контроллера): малые изменения скоростей при низких заданных скоростях и большие изменения при высоких скоростях. Для получения такой зависимости на транспортных средствах с регуляторами, имеющими пружины переменной жесткости, приходится усложнять устройства задания скорости. Предложенное устройство не требует таких усложнений.
На чертеже представлена схема регулятора. Регулятор содержит измеритель скорости с грузами 1, пружиной 2. Кинематическая связь от грузов в пружине включает в себя подшипник 3, золотник 4 с упором 5 подшипника 3, вновь введенное звено с переменным передаточным отношением, состоящее из рычага 6 с опорой 7, тарелку 8 пружины 2. Опора 7 находится на рейке 9 устройства задания скоростного режима. Рейка 9 вместе с опорой 7 может перемещаться шестерней 10 на валу 11 устройства задания скоростного режима. Передаточное отношение рычага 6, а значит, и кинематической связи от грузов 1 к пружине 2 зависит от положения опоры 7 на рычаге 6, т.е. от заданной скорости.
Как и у прототипа, золотник 4 управляет движением поршня 12 гидравлического усилителя. Поршень 12 через выход 13 кинематически соединен с топливоподающим устройством двигателя (рейками топливных насосов дизеля). Обратная связь от поршня 12 к золотнику 4, состоящая из дополнительного поршня 14, золотниковой втулки 15, пружин 16, регулировочного вентиля 17, обеспечивает заданное качество переходных процессов (длительность, колебательность).
Грузы 1 измерителя скорости приводятся во вращение от вала двигателя через привод 18 регулятора, втулку 19, на верхней части которой имеются оси 20 грузов 1.
При установившейся работе детали 4, 5 находятся в среднем положении и неподвижны, детали 2, 6, 7, 8, 9, 10, 11 -в положении, соответствующем заданному скоростному режиму, и неподвижны, детали 12, 13, 14 в положении, соответствующем нагрузке двигателя, и неподвижны, детали 1, 18, 19, 20 вращаются со скоростью, пропорциональной скорости вала двигателя. Детали 15 и 16 находятся в среднем положении по вертикали и вращаются вместе с деталью 19.
Регулятор работает так. Для увеличения заданной скорости вала двигателя оператор при помощи вала 11 задающего устройства через шестерню 10 смещает на заданную величину вправо рейку 9 с упором 7. Упор, скользя по рычагу 6, изменяет передаточное отношение кинематической связи (соотношение плеч рычага 6). Уменьшается сила, сжимающая пружину 2, и пружина растягивается. Увеличивается сила, действующая на золотник 4, и смещает его вниз. Грузы 1 при этом смещаются к вертикальной оси вращения, радиус вращения грузов уменьшается, их центробежная сила уменьшается, поэтому пружина 2 еще растягивается, тарелка 8 и левый конец рычага 6 смещаются вверх. Золотник 4 своим диском открывает окна во втулке 15 и направляет жидкость от масляной системы регулятора (или двигателя) через окна во втулке 15, отверстия во втулке 19 и канал в корпусе под поршень 12 гидравлического усилителя. Поршень 13 с выходом 13 движется вверх. Топливоподающее устройство двигателя, связанное с выходом 13, увеличивает подачу топлива в двигатель.
Увеличивается вращающий момент. Угловая скорость двигателя и связанных с ним кинематически грузов 1 увеличивается. Возрастает центробежная сила грузов 1, грузы расходятся, связанный с грузами золотник 4 движется вверх, сжимая через рычаг 6 и тарелку 8 пружину 2. Переходный процесс заканчивается тем, что грузы 1, золотник 4, втулка 15 возвращаются в среднее положение. Пружина 2 с тарелкой 8 принимает положение, соответствующее новому скоростному режиму. Поршни 12, 14, выход 13 останавливаются в положении, соответствующем новой нагрузке. Привод 18, втулка 19, втулка 15, грузы 1 вращаются с вновь заданной постоянной скоростью.
Преимущества предложенного устройства перед прототипом подтверждаются расчетом.
1. Регулятор Д50 (прототип)
Предположим, что регулятор работает в диапазоне скоростей, соответствующем частоте вращения (оборотам) двигателя от 260 до 750 об/мин, и имеет 8 фиксированных скоростей.
Поддерживающая сила Q измерителя скорости (центробежная сила грузов, приведенная к золотнику) зависит от положения х золотника 4 и угловой скорости ω вала двигателя
Q = A(B+x)ω2.
где A 820•10-6H•c2/мм, B 26,65 мм постоянные величины, зависящие от размеров измерителя скорости, массы грузов, передаточного отношения от вала двигателя к грузам.
Восстанавливающая сила P пружины переменной жесткости (сила пружины, приведенная к золотнику) зависит от предварительного сжатия b пружины и положения х золотника
P C(D + b + x)2,
где C 156,6•10-3H/мм2, D 8,418 мм постоянные коэффициенты.
Жесткость z пружины переменная, зависит от ее предварительного сжатия b и от положения x золотника
z 2C(D+b+x).
Фактор устойчивости (самовыравнивание измерителя скорости)
F = z-Aω2.
Предварительное сжатие b пружины при каждом скоростном режиме величина постоянная
Коэффициент усиления измерителя скорости
По формулам, по заданным оборотам n вычисляются параметры измерителя скорости для каждого положения C органа управления (табл. 1).
С равномерным нарастанием положения C органа управления и предварительного сжатия b пружины равномерно нарастают обороты n двигателя, жесткость z пружины, в квадрате возрастает сила P пружины. Возрастает коэффициент усиления k измерителя скорости.
2. Предложенный регулятор
Для расчета преложенного регулятора задаются наименьшие nmin и наибольшие nmax обороты двигателя, например nmin 260, nmax 750 об/мин. Выбирается постоянный коэффициент усиления измерителя скорости k 0,6 мм/с. Выбирается стандартная цилиндрическая пружина, например N 352 ГОСТ 12766-68. Ее характеристики: наибольшая сила P3 10 кгс, диаметр проволоки d 2,2 мм, наружный диаметр пружины D 22 мм, жесткость одного витка z1 3,018 кгс/мм, наибольшая деформация одного витка f3 3,313 мм. Выбирается число рабочих витков n 5,5 и полное число витков n1 7. Такой выбор обеспечивает постоянную жесткость пружины zn 5,381 H/мм, высоту пружины в свободном состоянии H0 32,5 мм, в сжатом H3 14,3 мм.
По известным характеристикам измерителя скорости A 820•10-6 H•c2/мм, B 26,65 мм, коэффициенту усиления K 0,6 вычисляются приведенные к золотнику жесткости для наименьших и наибольших оборотов
Z260 2,591, Z750 10,779 H/мм.
Находятся положения a упора 7 на рычаге 6 в долях от длины рычага 6 для этих же оборотов
a260 0,3250, a750 0,6670
Промежуточные значения положений a, где 1≅C≅8 целые числа, положения органа управления.
Находятся промежуточные значения приведенных жестокостей измерителя скорости
Z Zni; 
,
где i передаточные отношения рычага 6.
Скорость и обороты двигателя
Восстанавливающая и поддерживающая силы измерителя скорости при установившейся работе
P = Q = ABω2.
Сила Pn и высота Hn пружины
Результаты расчетов приведены в табл. 2.
Сила пружины в диапазоне заданных скоростей изменяется в два раза (у прототипа в 8,3 раза). Пружина N 352 имеет запас по силе значит, диапазон скоростей может быть увеличен как в меньшую, так и в большую сторону. Обороты при переходе с 1-го на 2-е положение органа управления изменяются на 48,8, а при переходе с 7-го на 8-е положение на 1-2,4 об/мин. Неравномерное изменение оборотов удобно для транспортного двигателя. Коэффициент усиления k измерителя скорости остается постоянным и заданным при всех заданных скоростях (у прототипа изменяется в 1,8 раза).
Зависимость силы Pn и высоты Hn пружины 2 от положения a упора 7 при среднем положении золотника 4 обеспечивается углом наклона рейки 9 и формой поверхности рычага 6, касающейся упора 7, и определяется при расчете измерителя скорости. Для принятых в расчете условий угол наклона рейки 9 относительно горизонтали должен быть 3o35', а поверхность рычага 6 должна быть описана дугой радиуса 700 мм при длине рычага 6 от золотника 4 до тарелки 8, равной 150 мм.
Использование: регуляторы скорости для двигателей внутреннего сгорания транспортных средств. Сущность изобретения: регулятор скорости снабжен измерителем скорости с грузами, пружиной, кинематической связью между грузами и пружиной, а также устройством задания скоростного режима. В кинематическую связь между грузами и пружиной введено звено с переменным передаточным отношением, управляемым устройством задания скорости. 1 табл., 1 ил.
Регулятор скорости для двигателя внутреннего сгорания транспортного средства, содержащий измеритель скорости с грузами, пружиной, кинематической связью между грузами и пружиной, устройство задания скоростного режима, отличающийся тем, что в кинематическую связь между грузами и пружиной введено звено с переменным передаточным отношением, управляемым устройством задания скоростного режима.
