СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ УГЛОВОГО ВЗАИМОПОЛОЖЕНИЯ ВЕДУЩЕГО И ВЕДОМОГО ВАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F02D1/08 F02M59/20 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к дизелестроению, преимущественно для случаев регулируемого соединения вала двигателя с кулачковым валом топливовпрыскивающей аппаратуры (ТНВД) через центробежную муфту.

Способ автоматического регулирования угла опережения впрыскивания топлива в цилиндр двигателя широко известен.

Устройства, реализующие этот способ, обычно состоят из ведущей и ведомой полумуфт, соединенных через промежуточные элементы и подпружиненные грузы, и могут содержать демпфирующие элементы для гашения вынужденных колебаний грузов, вызываемых пиковым характером нагрузок (авт.св. N 1566063, кл. F02М 59/00).

Однако эти устройства позволяют регулировать взаимоположение ведущего и ведомого валов лишь по одному параметру, угловой частоте вращения.

Известен способ регулирования углового взаимоположения ведущего и ведомого валов по двум и более параметрам. В качестве примера воплощения такого способа можно привести устройство (авт. св. N 808678, кл. F02М 59/00). В данном устройстве центробежные силы, развиваемые вращающимися грузами, уравновешиваются восстанавливающей силой пружины с предзатяжкой, изменяемой смонтированным внутри муфты электромагнитным преобразователем, обмотка которого питается постоянным током через скользящие контакты, что и обуславливает низкую надежность устройства.

Известен также способ регулирования угла опережения впрыскивания топлива дизеля при помощи серводвигателя, питаемого от системы смазки двигателя, с управлением золотником, приводимым индукционным тормозом, контролем текущего значения угла индукционным бесконтактным датчиком (авт. св. N 377536, кл. F02D 1/08).

К недостаткам данного способа можно отнести необходимость подачи жидкой смазки через соединяемые ведущий и ведомый валы под высоким давлением.

Оба этих способа, кроме того, требуют для своего осуществления электроуправляемой системы автоматического регулирования с питанием от бортовой сети транспортного средства.

Известна также компактная конструкция автоматической муфты опережения впрыскивания топлива (АМОВТ), содержащая ведущую и ведомую полумуфты, соединяемые через промежуточные элементы и центробежные грузы с возвратными пружинами, и гидравлические демпферы в грузах (авт. св. N 878999, кл. F02M 59/00), но с возможностью регулирования угла разворота только по одному параметру, угловой частоте вращения.

Задачей изобретения является предложение способа регулирования углового взаимоположения ведущего и ведомого валов в зависимости от двух и более параметров, энергетически экономичного, надежного на любых режимах работы двигателя, с возможностью его реализации в компактной конструкции АМОВТ, допускающей возможность установки на любой ТНВД соответствующей размерности с системой управления с малым потреблением энергии от бортовой сети.

Поставленная задача решается тем, что кинематическая энергия вращающихся грузов с помощью центробежных механизмов преобразуется при развороте грузов в потенциальную энергию сжимаемых пружин, причем каждой частоте вращения соответствует определенное положение механизма, преобразующего угол разворота грузов в угол взаимоположения полумуфт, изменяют которое введением дополнительной энергии от одного и более гидромеханических преобразователей - насосных узлов, расположенных внутри объема муфты и приводимых в действие путем обкатки их подвижных частей вокруг образующей, выполненной на невращающейся части устройства, корпусе топливного насоса высокого давления (ТНВД), с возможностью изменения положения образующей в пространстве относительно приводов гидромеханических преобразователей при помощи системы автоматического (или ручного) регулирования, получающей сигнал от бесконтактного датчика угол разворота. При этом жидкую смазку, находящуюся внутри герметичного объема муфты, прокачивают с помощью гидромеханических преобразователей в нагнетательном контуре с избыточным давлением, нагруженным серводвигателями по числу грузов, в качестве которых используют применяющиеся в конструкциях АМОВТ радиальные расточки в грузах с находящимися в них возвратными пружинами, одними концами упертыми в торец расточки, а другими, через закрывающие стаканы-поршни, в расточку корпуса муфты. Таким образом, точки приложения восстанавливающей силы пружин и дополнительно вводимой гидросоставляющей совпадают, а внутренняя полость расточки под пружину системой каналов в грузах гидравлически связана с нагнетательным контуром и линией слива, с установленными в ней дросселями, открывающейся во внутреннюю плоскость АМОВТ. Таким образом, уравнение баланса сил, приложенных к грузу, будет иметь вид:
Aω²=Eα+P_var•S,
где Aω² центробежная поддерживающая сила, развиваемая грузом при угловой скорости вращения w
A коэффициент поддерживающей силы, пропорциональный статическому моменту груза относительно его оси и относительно приращения угла разворота груза a к углу взаимоположения валов q
w угловая скорость вращения АМОВТ вокруг оси вала ТНВД;
Eα механическая составляющая восстанавливающей силы, обратно пропорциональная длине сжатой пружины, при угле разворота груза a
P_var•S гидравлическая составляющая восстанавливающей силы, развиваемая серводвигателем;
P_var варьируемое давление в нагнетательном контуре, нагруженном серводвигателями, развиваемое насосными узлами при обкатке их подвижных частей вокруг образующей, имеющей связь с корпусом ТНВД;
S площадь сечения поршня серводвигателя (стакана, закрывающего пружину груза в его расточке).

Реализация данного способа регулирования по двум и более параметрам возможна за счет применения системы автоматического регулирования, охваченной местной отрицательной обратной связью через датчик углового взаимоположения ведущего и ведомого валов, отслеживающий текущее значение угла, а также получающей сигнал хотя бы от одного датчика дополнительного параметра, например величины подачи топлива от датчика хода рейки ТНВД, и в соответствии с заданным алгоритмом вырабатывающей управляющее воздействие, через исполнительный механизм передаваемое на гидромеханические преобразователи внутри АМОВТ. Не исключается также и режим ручного управления из кабины транспортного средства с визуальным контролем текущего значения угла посредством устройства индикации.

Дополнительным положительным эффектом является уменьшение степени нечувствительности АМОВТ, как регулятора угла разворота, за счет подачи смазки под давлением в шарнирные соединения "груз-ось" и другие точки механизма, а также взаиморезервирование законов формирования восстанавливающей силы в случае отказов.

Устройство для осуществления предлагаемого способа описано ниже как наиболее рациональное (по мнению заявителя) из возможных вариантов.

На фиг.1 показан общий вид автоматической муфты опережения впрыскивания топлива (АМОВТ) в разрезе Б-Б на фиг.2; на фиг.2 та же АМОВТ в разрезе А-А на фиг. 1; на фиг. 3 частичный разрез В-В на фиг.2, положение магнитного флажка датчика Холла в окне ведомой полумуфты; на фиг.4 разрез АМОВТ Г-Г на фиг. 1, размещение насосных узлов в расточках ведомой полумуфты; на фиг.5 - фрагмент корпуса топливного насоса высокого давления (ТНВД) с приводом насосных узлов гидромеханических преобразователей; на фиг.6 разрез Е-Е на фиг. 5 узла привода каретки; на фиг.7 разрез Д-Д на фиг.5 каретки; на фиг.8 - структурная схема системы автоматического регулирования (САР) угла опережения впрыскивания по двум параметрам.

Предлагаемое устройство для осуществления способа регулирования углового взаимоположения ведущего и ведомого валов состоит из следующих узлов и элементов.

Автоматическая муфта опережения впрыскивания топлива 1 (фиг.1 и 2) содержит ведущую полумуфту 2, своими пальцами 3 контактирующая с ползунами 4, установленными с возможностью перемещения в тангенциальных расточках 5 грузов 6, надетых на оси 7 с возможностью углового разворота, ограниченного упором в корпус 8, жестко связанный с ведомой полумуфтой 9 винтами 10 через оси 7. Пружины 11 помещены в радиальные расточки 12 грузов 6, а противоположные концы пружин 11 через закрывающие их стаканы 13 упираются в корпус 8, внутренняя полость 14 которого заполнена жидкой смазкой, занимающей более половины свободного объема, герметизированного кольцом 15 и двумя манжетами 16 и 17. Ведущая полумуфта 2 имеет на наружной части выступы 18, а ведомая полумуфта 9 имеет на торце конусное осевое отверстие 19, в которое входит конец кулачкового вала 20, а также расточку 21, в которую выходят свободные концы плунжеров 22 (фиг.1 и 4) насосных узлов 23, включающих в себя также пружины 24, всасывающие 25 и нагнетательные 26 клапаны. Внутренняя полость 14 (фиг. 1, 2 и 4) через седла 27 всасывающих клапанов 25 соединяется с отверстиями 28 в ведомой полумуфте 9 и далее каналами 29 (фиг.4) с радиальными расточками 30 (направляющими плунжеров 22), образующими надплунжерные пространства насосных узлов, связанные каналами 31 с кольцевыми канавками 32 в расточках 33 (фиг.1) под оси 7 в ведомой полумуфте 9. Нагнетательные клапаны 26 питаются от канавки 32 через отверстия 34 и 35 в осях 7, центральные отверстия которых образуют контур низкого давления, объединенный каналами 36 и кольцевой канавкой 37 в ведомой полумуфте. Внутренние полости нагнетательных клапанов 26 через каналы 38, кольцевые выточки на осях 39 и тангенциальные каналы 40 (фиг.2) связаны с радиальными расточками 12, а с другой через дроссели 41 с калиброванными отверстиями 42, связанными с внутренним свободным объемом корпуса муфты 8. Уплотнение зазора ось-груз, находящегося под низким давлением, осуществляется уплотнительными кольцами 43 (фиг.1) в канавках оси 44 и 45. На заднем торце ведомой полумуфты 9 выполнено окно 46, закрытое немагнитной крышкой 47 (фиг.4), в котором размещен магнитный флажок 48 с торцом, выходящим в сторону крышки 47. Флажок 48 своей отогнутой частью размещен в тангенциальной канавке 49 и жестко соединен с грузом 6. На фиг.4 показаны предельные положения торца флажка 48 при минимальной и максимальной скоростях вращения, составляющие между собой угол разворота груза a_max
Свободные концы плунжеров 22 (поджимаемых пружинами 24) выходят в центральную расточку 21 в ведомой полумуфте 9 (фиг.1 и 4) и находятся в постоянном контакте с поверхностью (образующей) эксцентрика 50, через подшипник 51, напрессованный на шейку 52 каретки 53 (фиг.5, 6 и 7), имеющей возможность перемещения в направляющих 54, выполненных в подшипниковой крышке 55 топливного насоса высокого давления (ТНВД) 56. На корпусе ТНВД на расстоянии r от оси вала 20 установлен бесконтактный датчик Холла 57, который ориентирован на магнитный флажок 48, расстояние до которого больше толщины крышки 47 на величину воздушного зазора Δ (фиг.3). Винт 58 узла привода каретки 59 (фиг. 5) закреплен с возможностью вращения в отверстии 60 (фиг. 7) на приливе подшипниковой крышки 55 (фиг.5) посредством втулки 61 и шплинта 62, а свободным концом входит в резьбовое отверстие 63 в приливе каретки 53. Винт 58 приводится червячной парой и реверсивным электродвигателем постоянного тока (схематично показаны на фиг.8).

Структурная схема системы автоматического регулирования (САР) (фиг.8) включает в себя АМОВТ 1, на первый вход которой поступает управляющее воздействие угловая скорость w Первым выходом муфта 1 связана с ТНВД 56, а вторым выходом с датчиком Холла 57. Выход ТНВД 56 через датчик подачи 64 включен на первый вход процессора 65, на второй вход которого включен выход датчика угла опережения впрыскивания Холла 57, а на третий вход -выход программного задатчика 66. Выход процессора 65 через реверсивный электродвигатель 67 и червячную пару (редуктор) 68, винт 58, узел привода каретки 59 подключен на второй вход АМОВТ 1. Дополнительный вход винта 58 позволяет осуществлять ручное регулирование положения узла привода каретки 59. Выход датчика Холла 57 дополнительно связан с входом устройства индикации 69.

Устройство работает следующим образом.

При вращении ведущей полумуфты 2 за выступы 18 крутящий момент передается через пальцы 3, ползуны 4 на грузы 6, приводимые в действие центробежной силой и работающие как рычаги второго рода; при этом большее плечо образовано хордой от оси 7 до центра масс груза, а меньшее от оси 7 до пальца 3 (фиг. 2). Пальцы 3 воспринимают усилия, обусловленные величиной крутящего момента, передаваемого муфтой (АМОВТ) 1 через центробежные механизмы и ведомую полумуфту 9 на кулачковый вал ТНВД 20. При угловых скоростях, меньших начальной w_o центробежные силы, развиваемые вращающимися грузами, не могут преодолеть восстанавливающих сил пружин 11, и угол разворота грузов α_o и пропорциональный ему угол разворота полумуфт θ_o равны нулю. Если скорость вращения муфты превысит начальную (ω₁-ω_o) то центробежные силы преодолеют усилия предзатяжки пружин 11 и обеспечат соответствующий взаимный угловой разворот полумуфт θ₁ Необходимость передавать значительный крутящий момент обуславливает повышенную жесткость конструкции АМОВТ, реализуемую за счет стягивания ведомой полумуфты 9 и корпуса 8 винтами 10 (фиг.1) через оси 7.

При вращении муфты наряду с центробежными механизмами работают гидромеханические преобразователи насосные узлы 23 (в нашем варианте их два), непрерывно прокачивающие жидкую смазку в замкнутом контуре низкого давления со сливом через дроссели 41 с калиброванными отверстиями 42 во внутреннюю полость муфты 14. Насосные узлы 23 поочередно всасывают жидкую смазку через открытый клапан 25 а надплунжерное пространство во время движения плунжеров 22 под действием пружин 24 при обкате головок плунжеров вокруг эксцентрика 50 (фиг. 4), эксцентриситет которого регулируется узлом привода каретки 59 при вращении регулировочного винта 58 (фиг.5).

В начальный период нагнетательного хода плунжера 22 всасывающий клапан 25 (фиг. 1) закрывается и смазка из надплунжерного пространства нагнетается через клапан 26 и систему подводящих каналов в радиальную расточку груза 12 под стакан 13 (фиг.2), работающий как поршень серводвигателя, под действием нагнетаемой смазки отжимающего груз к оси вращения муфты, т.е. развивающий усилие, суммирующееся с усилием пружины 11. При этом пульсация в контуре низкого давления снижается за счет гидравлической связи внутренних полостей нагнетательных клапанов 26 каналами 36 (фиг.1) и кольцевой канавкой 37, образуя замкнутый контур избыточного давления. Если начальный эксцентриситет равен нулю, то движения плунжеров нет, давление прокачки равно нулю и АМОВТ работает как обычная центробежная муфта с гидродемпферами в расточках грузов. При увеличении эксцентриситета ход плунжеров 22 (равный удвоенному эксцентриситету) также увеличивается и давление прокачка повышается, так как производительность насосного узла увеличивается, а проходные сечения дросселей 42 (фиг. 2) постоянны. Для контроля текущего значения угла разворота полумуфт служит бесконтактный датчик Холла 57, формирующий широтно-импульсный сигнал, пропорциональный углу разворота. Этот сигнал может использоваться для визуального контроля угла разворота, например из кабины транспортного средства при наличии устройства индикации 69, и (или) входить в состав следящей системы автоматического регулирования (САР), один из возможных вариантов которой приведен на фиг.8.

Угловая скорость ω воздействуя на центробежные преобразователи АМОВТ 1, вызывает изменение углового взаимоположения полумуфт и через кулачковый вал 20 воздействует на ТНВД 56 с углом опережения q Процессор 65 в соответствии с кодами программного задатчика 66 Z₃, датчика подачи топлива 64 Z₂, текущего значения от датчика Холла 57 Z₁ вырабатывает управляющий сигнал в виде импульса постоянного напряжения U соответствующей полярности и длительности t от которого приводится реверсивный электродвигатель 67, через червячный редуктор 68 поворачивающий на угол v винт регулировки 58 привода каретки 59. Таким образом, производительность гидромеханических преобразователей 23 внутри АМОВТ 1 изменяется и текущее значение угла разворота корректируется в зависимости от двух и более параметров. Данная САР в качестве контура регулирования угла опережения впрыскивания q может входить в систему более высокого уровня, включающую в себя микропроцессорный бортовой комплекс, осуществляющий комплексное регулирование режимами ДВС.

Описанной устройство и взаимодействие его узлов, деталей и систем в динамике обеспечивает заявляемый способ регулирования углового взаимоположения ведущего и ведомого валов, исходя из уравнения: Aω²= Eα+P_var•S из которого следует, что восстанавливающая сила пружины Eα может быть дополнена гидросоставляющей P_var•S с применением гидромеханических преобразователей и за счет этого уменьшить преднатяг пружин грузов при сохранении заданного передаваемого номинала крутящего момента.

Кроме описанного варианта устройства, возможен вариант, отличающийся, например тем, что гидромеханические преобразователи могут быть размещены внутри серводвигателей грузов муфты (на чертеже не показан).

В другом варианте при образующей с постоянным эксцентриситетом изменять давление в серводвигателе можно, например путем затяжки пружин его клапанов при помощи бесконтактного индукционного тормоза, питаемого постоянным током, изменяемым по величине системой принудительной коррекции взаимоположения полумуфт (на чертеже не показан). Быстродействие САР в этом случае будет более высоким, т. к. инерционность индукционного тормоза значительно ниже, чем у исполнительного механизма по первому, подробно описанному варианту.

Возможен вариант, когда контактная поверхность образующей отличается от окружности (с эксцентриситетом), т.е. может задавать любой другой необходимый закон движения плунжеров гидромеханических преобразователей.

Применение предлагаемого способа и описанных устройств для его осуществления, например для рядных ТНВД с золотниковой дозировкой впрыскивания топлива в цилиндры дизельных двигателей, имеющих тенденцию к росту цилиндровой мощности при снижении токсичности отработавших газов, позволит создавать более экономичную и экологически более частую автомобильную и тракторную технику, поскольку позволяет регулировать с помощью электроники процессы сгорания топлива по нескольким параметрам, повысив при этом степень надежности работы центробежной муфты путем принудительной смазки всех зазоров и сочленений ее механизма.

Использование: дизелестроение. Сущность изобретения: с целью создания энергетически экономичной, надежной в регулировании по нескольким параметрам компактной муфты опережения впрыскивания топлива в цилиндры двигателя внутреннего сгорания, предложены способ регулирования и устройство для его осуществления. Изобретение характеризуется тем, что угловое взаимоположение ведущей и ведомой полумуфт, зависящее от частоты вращения и, соответственно, от угла расхождения грузов, корректируют через гидромеханические преобразователи и серводвигатели, встроенные в муфту и помогающие пружинам грузов уравновешивать центробежную силу с помощью системы автоматического (или ручного) корректирования с исполнительным механизмом, который может быть как электромеханическим, так и в виде индукционного тормоза. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ регулирования взаимоположения ведущего и ведомого валов, соединяемых преимущественно через центробежную муфту, заключающийся в том, что центробежные силы, развиваемые при вращении грузов, компенсируют восстанавливающими силами сжимаемых пружин, угол разворота грузов α, преобразуемый промежуточными элементами центробежного механизма в угол взаимного разворота валов θ, отслеживают датчиком и принудительно корректируют системой регулирования с исполнительным механизмом, а колебания грузов гасят гидравлическими демпферами путем перепускания жидкой смазки через дроссели, отличающийся тем, что дополнительно внутри муфты размещают гидромеханические преобразователи насосные узлы, прокачивающие жидкую смазку внутри контура, нагруженного серводвигателями, и усилия, развиваемые ими, суммируют с восстанавливающими силами пружин, исходя из уравнения баланса сил, приложенных к грузу
Aω² = E_α+P_VAR•S,
где Aω² - центробежная сила груза при угловой скорости ω;
А коэффициент, пропорциональный статическому моменту груза и относительному приращению угла α разворота груза к углу q взаимоположения валов;
E_α - восстанавливающая сила, обратнопропорциональная длине сжатой пружины, при угле a разворота груза;
P_V A R • S гидросоставляющая восстанавливающей силы, развиваемая серводвигателем;
P_V A R варьируемое (корректируемое) давление в контуре, нагруженном серводвигателем, развиваемое насосным узлом;
S площадь сечения поршня серводвигателя. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что величину гидросоставляющей восстанавливающей силы корректируют путем регулирования величины хода подвижной части насосного узла. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что величину гидросоставляющей восстанавливающей силы корректируют, регулируя затяжку клапанов, установленных на сливе серводвигателей, посредством бесконтактного индукционного тормоза, обмотку которого питают постоянным током изменяемой величины. 4. Устройство для регулирования взаимоположения ведущего и ведомого валов, состоящее из ведущей и ведомой полумуфт, жестко связанных с валами, взаимодействующих между собой через промежуточные элементы и подпружиненные грузы, составляющие в целом механизм центробежного преобразователя, размещенного в герметизированном корпусе, заполненном жидкой смазкой, причем функции демпфера выполняют расточки в грузах под пружины, закрытые с одной стороны стаканами-поршнями, а с другой дросселями для гидравлического гашения вынужденных колебаний грузов, содержащее также датчик углового взаимоположения полумуфт и систему принудительного корректирования углового взаимоположения по дополнительным параметрам через исполнительный механизм, отличающееся тем, что оно оснащено по меньшей мере одним гидромеханическим преобразователем насосным узлом, размещенным внутри объема муфты, состоящим из подпружиненной подвижной части плунжера, размещенного в цилиндре, внутренняя полость которого имеет гидравлическую связь с внутренним объемом муфты через всасывающий клапан, а через систему каналов и нагнетательный клапан с демпферами-серводвигателями по числу грузов, плунжер взаимодействует с контактной поверхностью образующей, обеспечивающей при обкатке вокруг нее заданную величину хода плунжера, причем образующая имеет связь с корпусом топливного насоса высокого давления, а система принудительного корректирования получает сигналы, пропорциональные углу разворота полумуфт от бесконтактного датчика Холла, и по меньшей мере один дополнительный сигнал, например, пропорциональный величине подачи топлива от датчика хода рейки топливного насоса высокого давления, и выдает на исполнительный механизм управляющий сигнал коррекции угла разворота полумуфт в соответствии с алгоритмом, обеспечивающим заданный баланс сил, приложенных к грузу. 5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что цилиндр насосного узла жестко связан с корпусом муфты. 6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что насосные узлы встроены в грузы муфты. 7. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что исполнительный механизм корректирует положение образующей относительно оси вращения муфты. 8. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что исполнительный механизм корректирует величину затяжки пружин клапанов серводвигателей и содержит бесконтактный индукционный тормоз, питаемый изменяемым по величине постоянным током от системы принудительной коррекции взаимоположения полумуфт.