МЕХАНИЗМ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2000 года по МПК F01L1/26 

Изобретение относится к механизмам привода клапанов поршневых двигателей внутреннего сгорания и может быть использовано в двигателестроении.

Известны механизмы газораспределения, содержащие установленные с развалом впускные и выпускные клапаны, открываемые посредством воздействия на них через толкатели или рычаги кулачков распределительного вала. В закрытом состоянии клапаны удерживаются с помощью шпилечных пружин кручения, имеющих один упорный конец, закрепленный неподвижно, и другой подвижный конец, связанный со стержнем клапана (Бекман В.В. Гоночные автомобили. Л.: Машиностроение, 1980, с. 93,97,117).

Такие пружины имеют ряд преимуществ перед винтовыми пружинами: меньшая масса возвратно-поступательно движущихся частей, большая частота собственных колебаний и отсюда меньшая подверженность явлениям резонанса. Так как они нагружены преимущественно изгибом в плоскости витка, то допускают на 20 - 30% более высокие напряжения изгиба, чем напряжения кручения в винтовых пружинах сжатия. Кроме того, они технологичнее пружин сжатия, поскольку не требуют осадки опорных витков и шлифовки торцов.

Однако шпилечные пружины в плоскости, перпендикулярной оси клапана, занимают больше места, чем винтовые, так как располагаются сбоку от клапана и, кроме того, на один клапан, как правило, приходятся две пружины, установленные симметрично относительно него с целью исключения боковых нагрузок на стержень клапана. Это создает определенные трудности для их компоновки в клапанном механизме. В частности, по этой причине приходится устанавливать клапаны впуска и выпуска с большим развалом относительно друг друга, что препятствует созданию компактной камеры сгорания с малым отношением площади поверхности к объему. Узел сочленения клапана с пружинами не способствует проворачиванию клапана во время работы двигателя. Установка промежуточной втулки между запорными сухарями и упорной шайбой дает слабый эффект, усложняет конструкцию и увеличивает массу узла.

Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков за счет сокращения числа пружин, уменьшения угла между клапанами впуска и выпуска и обеспечения гарантированного проворачивания клапанов при работе двигателя.

Указанная цель достигается тем, что в известном механизме газораспределения двигателя внутреннего сгорания, содержащем установленные с развалом впускной и выпускной клапаны и пружины кручения, связанные одним из концов с клапаном, на каждую пару клапанов впуска и выпуска имеется одна пружина кручения, один конец которой связан с впускным, а другой - с выпускным клапаном, и которая установлена в опоре с ложей под витки в виде цилиндрического сегмента, а концы пружины выполнены сферическими, загнуты вверх и упираются в кольцевую торообразную канавку упорной шайбы, надетой на стержень клапана со стороны, обращенной к одноименному соседнему клапану.

Механизм газораспределения может содержать опору пружины, связанную с поршнем, установленным в гидроцилиндре, который сообщается с системой смазки двигателя.

На фиг. 1 показан механизм привода четырех клапанов через толкатели в разрезе (а) и на виде сверху (б), а также схема взаимодействия пружины с упорной шайбой (в), на фиг. 2 - вариант механизма с приводом трех клапанов через рычаги в разрезе (а) и на виде сверху (б), на фиг. 3 - вариант механизма с подвижной опорой пружины.

Изобретение осуществляется следующим образом. Механизм газораспределения (фиг. 1) содержит клапаны впуска 1 и выпуска 2 с упорными шайбами 3, пружины 4, установленные в опорах 5 и толкатели 6, на которые воздействуют кулачки 7.

При набегании выступа кулачка 7 на толкатель 6 открывается клапан 1, который через упорную шайбу 3 преодолевает сопротивление и вызывает закручивание пружины 4. Другой конец пружины в этот момент играет роль упора, так как взаимодействует с неподвижным клапаном 2. Поскольку подъем впускного клапана происходит при закрытом состоянии выпускного и наоборот, то функции подвижного рабочего и неподвижного упорного поочередно выполняет то один, то другой конец пружины. В случае перекрытия клапанов их взаимные подъемы незначительны и угол закручивания пружины значительно меньше, чем при полном открытии одного из них.

Для исключения непосредственного контакта и взаимного износа витков пружины и головки цилиндра под действием сил, приложенных к концам пружины и прижимающих витки к головке, пружина 4 установлена в опоре 5, в которой выполнено ложе для витков в виде цилиндрического сегмента. Сама опора контактирует с головкой цилиндра по плоскости с отверстием или пазом 8 под цилиндрический выступ 9 опоры 5. Благодаря этому фиксируется положение опоры между клапанами 1 и 2 и в то же время допускается ее поворот, а также перемещение витков относительно опоры в ложе, либо опоры вместе с витками по пазу 8 вдоль плоскости осей одноименных клапанов, чем обеспечивается самоустановка пружины.

С целью уменьшения износа в паре пружина-опора предпочтительно использовать для изготовления пружины проволоку квадратного или прямоугольного сечения. Помимо снижения контактных напряжений в паре замена круглого сечения на квадратное при сохранении габаритов сечения позволяет увеличить момент сопротивления изгибу, которым нагружена пружина на 70%, что в свою очередь дает возможность сократить размеры витков пружины.

Сочленение конца пружины 4 с клапаном через упорную шайбу 3 благодаря малому диаметру канавки позволяет свести к минимуму поперечную нагрузку на стержень клапана, обусловленную несоосным приложением силы от конца пружины. Сферическая поверхность конца пружины и кольцевая поверхность канавки в виде тора обеспечивают надежное кинематическое замыкание между ними при всех изменениях их взаимного положения в процессе подъема клапана.

Непараллельность оси клапана в траектории перемещения пятна контакта между концом пружины и упорной шайбой вызывает поворот клапана на некоторый угол α, так как момент от силы трения в пятне контакта больше момента трения на торце стержня клапана. Сообщенный клапану при подъеме вращающий момент движения при смене направления этого момента в результате перехода от подъема к посадке не позволит мгновенно изменить направление его вращения, что вызовет проскальзывание конца пружины в канавке. В итоге посадка клапана на седло произойдет после поворота. Тем самым обеспечивается гарантированное вращение клапана при работе двигателя и равномерный износ канавки. Этот эффект можно усилить или ослабить установкой пружины по высоте относительно упорной шайбы.

Применение одной пружины кручения на два клапана позволяет рационально использовать внутреннее пространство головки цилиндра и уменьшить угол между клапанами впуска и выпуска, причем чем меньше этот угол, тем меньше размеры пружины в результате снижения момента кручения, обусловленного укорачиванием ее концов. Пружина размещается только в развале клапанов, пространство между одноименными клапанами остается свободным, что значительно облегчает установку свечи зажигания 10, в том числе и второй. Расположение пружины по высоте определяется выступанием направляющей клапана 11 с маслоотражательным колпачком 12, то есть условием незадевания из них узла сочленения конца пружины и стержня клапана при полном его открытии. Объем пространства в развале клапанов практически не лимитирует размеры витков пружины.

С пружинами кручения компонуются приводы клапанов как от толкателей, так и от рычагов, как с четным, так и с нечетным количеством клапанов. На фиг. 2 показан вариант механизма газораспределения с приводом трех клапанов через рычаги 13, опирающиеся на гидроопоры 14, в котором на один выпускной клапан 2 большого размера воздействуют сразу две пружины 4, связанные своими другими концами каждая со своим впускным клапаном 1 меньшего размера. Компактное размещение обеих пружин, сдвинутых к оси цилиндра, позволяет сравнительно свободно установить две свечи зажигания. Вращение выпускного клапана в этом случае достигается установкой пружин на разном уровне, благодаря чему концы пружин с обеих сторон опорной шайбы 3 при подъеме клапана проворачивают его на разные углы, либо отклоняются от плоскости осей выпускных клапанов в разные стороны, создавая на клапане момент пары сил от трения в пятнах или контакта с упорной шайбой.

Размещение пружины с опорой в развале клапанов позволяет осуществить регулирование силы затяжки пружины в зависимости от скоростного режима работы двигателя за счет подвижности опоры в вертикальном направлении. Достигается это установкой опоры 5 на поршне 15, который может перемещаться в гидроцилиндре 16, связанном каналом 17 с системой смазки двигателя (фиг. 3). При росте давления масла в гидроцилиндре в результате повышения частоты вращения двигателя усилие, действующее на поршень, превысит силу, обусловленную предварительной затяжкой пружины 4. Опора с пружиной передвинется вверх, вызывая дополнительное закручивание пружины, а значит и увеличение действующей на клапан силы, предотвращая тем самым отрыв клапана и деталей его привода от кулачка под действием возросших сил инерции. Изменение положения пружины относительно клапанов в этом случае компенсируется перестановкой в новое положение концов пружины в канавках упорных шайб 3. В результате снижаются потери мощности на привод клапанов и сокращается износ трущихся деталей при низких и средних частотах вращения двигателя.

Предложенное техническое решение позволяет в значительной мере упростить и удешевить механизм газораспределения и конструктивно и технологически, расширить его функциональные возможности, добиться компактной компоновки его в головке цилиндра, уменьшить массу движущихся деталей, снизить трение, износ и потери мощности на его привод.

Изобретение относится к двигателестроению, а конкретно к механизму привода клапанов газораспределения. Предлагаемое техническое решение позволяет упростить и удешевить механизм газораспределения конструктивно и технологически, расширить его функциональные возможности, обеспечить его компактную компоновку в головке цилиндра, уменьшить массу движущихся деталей, снизить трение, износ и потери мощности на его привод. Это достигается использованием одной пружины кручения на каждую пару установленных с развалом клапанов впуска и выпуска. Пружина связана с клапанами сферическими концами, примыкающими к кольцевой торообразной канавке упорной шайбы, надетой на стержень клапана. Сочленение концов пружины с клапанами обеспечивает гарантированное вращение клапанов при работе двигателя. Витки пружины установлены в опоре, контактирующей с головкой цилиндра по плоскости с возможностью поворота и смещения вдоль плоскости осей одноименных клапанов, чем достигается самоустановка пружины. При размещении опоры на поршне, установленном в гидроцилиндре, сообщающемся с системой смазки двигателя, обеспечивается регулирование затяжки пружины в зависимости от скоростного режима работы двигателя. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Механизм газораспределения двигателя внутреннего сгорания, содержащий установленные с развалом впускной и выпускной клапаны и пружины кручения, связанные одним из концов с клапаном, отличающийся тем, что на каждую пару клапанов впуска и выпуска имеется одна пружина кручения, один конец которой связан с впускным, а другой - с выпускным клапаном, и которая установлена в опоре с ложей под витки в виде цилиндрического сегмента, а концы пружины выполнены сферическими, загнуты вверх и упираются в кольцевую торообразную канавку упорной шайбы, надетой на стержень клапана, со стороны, обращенной к одноименному соседнему клапану. 2. Механизм газораспределения по п.1, отличающийся тем, что опора пружины связана с поршнем, установленным в гидроцилиндре, который сообщается с системой смазки двигателя.