ДВУНАПРАВЛЕННЫЙ ГИДРОКОМПЕНСАТОР ЗАЗОРОВ ДЕСМОДРОМНОГО ПРИВОДА Российский патент 2020 года по МПК F01L1/245 F01L1/30 

Изобретение относится к машиностроению. Основная область применимости связана с приводами клапанов двигателей внутреннего сгорания (ДВС), так же может быть использовано в других десмодромных приводах в качестве средства автоматической компенсации:  температурных зазоров и/или зазоров износа, и/или зазоров, вызванных радиационным расширением элементов, или  других медленных паразитных зазоров десмодромного привода.

Гидрокомпенсатор зазоров (ГК) — устройство, предназначенное для автоматической регулировки тепловых зазоров и зазоров износа механических циклических приводов, за счет изменения линейного размера ГК, причем ГК может сопротивляться нагрузке на сжатие, в промежуточных значениях своего изменяемого линейного размера. Применяется также название гидравлический толкатель. Указанное изменение линейного размера ГК много меньше средней амплитуды движения рабочего органа указанного привода, передающего мощность, что обеспечивает ничтожные гидравлические потери в ГК, чем отличает ГК от гидравлического привода и отличает от гидравлического амортизатора. В основном, ГК используется в приводах клапанов ДВС.

Десмодромный привод (механизм) – механический циклический привод, в котором рабочий орган совершает и первичные и обратные движения принудительно, без помощи возвратной пружины. Десмодромные приводы используются, в первую очередь, для повышения частоты работы, так как они не ограничены инерцией и быстродействием возвратной пружины и не испытывают паразитных вибраций от возвратной пружины, так же при прочих равных условиях имеют повышенный КПД  и уменьшенный износ, так как движущиеся звенья не испытывают постоянное давление возвратной пружины. Десмодромные приводы клапанов в ДВС по сравнению с приводами клапанов с возвратной пружиной уменьшают длину ножки клапана на длину отсутствующей возвратной пружины, что позволяет уменьшить размеры, массу и стоимость ДВС.

Под двунаправленным ГК (далее ДГК) далее будет пониматься такой ГК, который может сопротивляться нагрузке как на сжатие, так и на растяжение в промежуточных значениях своего изменяемого линейного размера. В основном, ДГК предназначен для использования в десмодромных приводах.

Известен ГК (US4840153), выбранный, как аналог,преимуществом которого является возможность компенсации зазоров в механическом циклическом приводе, что, в свою очередь, увеличивает ресурс за счет безударной работы привода, уменьшают шум и стоимость обслуживания (не нужна регулировка клапанов). Недостатком аналога является невозможность сопротивления нагрузке на растяжения, в промежуточных значениях своего изменяемого линейного размера. Что затрудняет использование аналога в десмодромном приводе, а значит, не позволяет сочетать преимущества десмодромного привода и автоматической компенсацией зазоров. Десмодромные приводы без гидрокомпенсации имеют недостаки: повышенная шумность, малый ресурс, повышенная стоимость обслуживания (регулировка клапанов).

Известен (US4711202) ДГК содержащий: вытеснительный элемент, размещенный подвижно внутри корпуса ДГК с наличием первичной полости между вытеснительным элементом и указанным корпусом ДГК; адаптивную пружину; и характеризуемый: возможностью сопротивления нагрузке на сжатие вдоль направления подвижности указанного вытеснительного элемента относительно указанного корпуса, по сути, за счет давления сжатой в указанной первичной полости рабочей жидкости; возможностью сопротивления нагрузке на растяжение вдоль указанного направления; возможностью компенсации зазоров указанного десмодромного привода за счет автоматического изменения размера ДГК по указанному направлению; выбранный как прототип. Преимуществами прототипа является возможность сопротивления нагрузке на растяжение в промежуточных значениях своего линейного размера вдоль направления подвижности вытеснительного элемента относительно корпуса за счет втягивающей пружины (70). Заметим, что мощность, запасаемая и отдаваемая втягивающей пружиной прототипа в течение одного цикла работы десмодромного привода многократно меньше, чем мощность, запасаемая и отдаваемая  возвратной пружиной обычного недесмодромного привода, что резко снижает негативные последствия использования втягивающей пружины в прототипе.

Недостатками прототипа являются: повышенная масса прототипа, которая связана с наличием массивной втягивающей пружины, и элементов крепления втягивающей пружины; повышенная инерционная масса, так как из-за наличия массивной втягивающей пружины и элементов крепления втягивающий пружины прототип имеет повышенную массу, совершающую амплитудные высокочастотные прерывистые движения; повышенный шум, вибрация и износ, связанные с повышенной инерционной массой; повышенные габариты прототипа, связанные с тем, что указанные элементы (втягивающая пружина и элементы крепления втягивающей пружины) имеют существенные размеры, по объему существенно превышающие размеры вытеснительного элемента (в виде плунжера) и всей гидравлической части прототипа.

Технической задачей изобретения является достижение технических результатов: уменьшение габаритов, массы, упрощение и удешевление конструкции ДГК. Так же достигаются дополнительные технические результаты в конкретных вариантах реализации, когда ДГК совершает движение как целое в составе десмодромного привода: а именно, уменьшение инерционной массы и как следствие уменьшение износа, уменьшение вибрации и шума. Указанные технические результаты достигаются совокупностью ограничительных и отличительных признаков. А именно: ограничительные признаки - ДГК зазоров десмодромного привода содержащий: вытеснительный элемент, размещенный подвижно внутри корпуса ДГК с наличием первичной полости между вытеснительным элементом и указанным корпусом ДГК; адаптивную пружину; и характеризуемый: возможностью сопротивления нагрузке на сжатие вдоль направления подвижности указанного вытеснительного элемента относительно указанного корпуса, по сути, за счет давления сжатой в указанной первичной полости рабочей жидкости; возможностью сопротивления нагрузке на растяжение вдоль указанного направления; возможностью компенсации зазоров указанного десмодромного привода за счет автоматического изменения размера ДГК по указанному направлению; отличительные признаки - содержит вторичную полость между указанным вытеснительным элементом и указанным корпусом ДГК, и характеризуется возможностью сопротивления указанной нагрузке на растяжение, по сути, за счет давления сжатой в указанной вторичной полости рабочей жидкости.

Действительно, из конструкции изобретения, по сравнению с прототипом, исключены как втягивающая пружина, так и элементы крепления втягивающей пружины, что уменьшает массу и габариты, упрощает и удешевляет конструкцию. В то же время функцию сопротивления нагрузке на растяжение берет на себя сжимаемая во вторичной полости рабочая жидкость (по составу та же рабочая жидкость, что и в первичной полости). Вторичная полость образована вытеснительным элементом и указанным корпусом ДГК, причем оба указанных элемента уже и так присутствуют в прототипе, а дополнительная масса рабочей жидкости незначительна. Таким образом, по сравнению с прототипом убираются тяжелые элементы, втягивающая пружина и элементы ее крепления, а добавляются малый объем легкой рабочей жидкости. То есть в изобретении уменьшается общая масса ДГК, уменьшаются габариты, упрощается и удешевляется конструкция ДГК. В случае, когда ДГК движется в составе десмодромного привода, как целое, достигаются технические результаты - уменьшение инерционной массы испытывающей амплитудное высокочастотное прерывистое движение (так как уменьшается общая масса ДГК) и, как следствие, достигается уменьшение износа, уменьшение вибрации и шума.

На Фиг. 1 изображена принципиальная схема ДГК на ножке тарельчатого клапана в составе десмодромного привода тарельчатого клапана ДВС.

На Фиг. 2 изображена принципиальная схема ДГК с полостью низкого давления

На Фиг. 3 изображена принципиальная схема ДГК с внешним подводом масла

На Фиг. 4 изображена принципиальная схема ДГК, установленного на рокере, в качестве передаточного звена между рокером и тарельчатым клапаном.

На Фиг. 5 изображена принципиальная схема ДГК, установленного на рокере, в качестве передаточного звена между роликовой осью и рокером.

На Фиг. 6 изображена принципиальная схема ДГК, установленного в корпусе ДВС, в качестве крайней опоры рокера.

На Фиг. 7 изображена принципиальная схема ДГК, установленного в корпусе ДВС, в качестве центральной опоры рокера.

Осуществление изобретения.

Пример 1. (фиг. 1) реализации ДГК на ножке тарельчатого клапана в составе десмодромного привода тарельчатого клапана ДВС. На кулачковом валу 1, приводимом от коленчатого вала ДВС,  без возможности вращения относительно кулачкового вала установлен кулачок 2 с кулачковым пазом 3 с внешней (расположенной дальше от кулачкового вала) обкатной поверхностью 4 и внутренней (расположенной ближе к кулачковому валу) обкатной поверхностью 5. В указанный паз помещены два соосных ролика 6 и 7, установленные на общую роликовую ось 8. Внешняя и внутренняя обкатные поверхности выполнены таким образом, чтобы в проекции на плоскость перпендикулярной оси кулачкового вала, кратчайшее расстояние между обкатными поверхностями было постоянным. Причем форма паза (форма обкатных поверхностей)  и установка роликов выполнены следующим образом: ролик 6 контактирует без зазора c внешней обкатной поверхностью, но не контактирует с  внутренней обкатной поверхностью, а ролик 7 контактирует с внутренней обкатной поверхностью, но не контактирует с внешней обкатной поверхностью, причем паз кулачка выполнен таким образом, что бы указанные условия контакта роликов с обкатными поверхностями сохранялись на всех возможных углах поворота кулачка. Для реализации указанного контакта в поперечном профиле обкатные поверхности имеют ступеньку. Для предотвращения выхода роликов из паза, на кулачок установлены (или изготовлены вместе с кулачком) ограничительные бортики 9 и 10. Роликовая ось установлена на толкателе 11 плунжера 12 (или поршня) выполняющего роль вытеснительного элемента в составе ДГК 13 (для удобства изготовления и сборки толкатель может быть выполнен разъемным). Плунжер, установлен подвижно в корпусе ДГК 14, с образованием первичной полости 15 с маслом, выполняющем роль рабочей жидкости и вторичной полости 16 с маслом. Частично сжатая адаптивная пружина 17 вставлена между корпусом ДГК и плунжером. Предохранительный клапан 18 в составе: стакана 19, шарика 20, клапанной пружины 21; установлен на плунжере. К крышке корпуса ДГК 22 прикреплен тарельчатый клапан 23. Ножка тарельчатого клапана установлена в направляющей 24 корпуса ДВС 25, причем тарелка тарельчатого клапана в крайнем верхнем положении ложится в клапанное седло 26.

При вращении кулачкового вала, кулачок за счет геометрического зацепления соосных роликов в кулачковом пазе, приводит в возвратно-поступательное движение соосные ролики, а через них роликовую ось, далее толкатель и плунжер. При опускании соосных роликов и плунжера вниз, за счет инерции корпуса ДГК и тарельчатого клапана и за счет давления газов в цилиндре на тарельчатый клапан, масло в первичной полости сжимается (жидкости незначительно сжимаются), давление в нем повышается. Указанное давление толкает корпус ДГК вниз вместе с тарельчатым клапаном, что приводит к открытию тарельчатого клапана. При указанном сжатии масла в первичной полости, плунжер входит немного глубже в корпус ДГК, следовательно, общий габарит ДГК отсчитываемый по верхней точке толкателя и нижней точки ДГК уменьшается, а ДГК сопротивляется нагрузке на сжатие за счет давления масла в первичной полости. При этом, за счет большего давления в первичной полости,  через микрометрический зазор между боковой внешней стенкой плунжера и внутренней боковой стенкой корпуса ДГК, проходит небольшая порция масла из первичной полости во вторичную полость, тем самым дополнительно немного уменьшается общая длина ДГК. При поднятии соосных роликов и плунжера вверх, за счет инерции корпуса ДГК и тарельчатого клапана, масло во вторичной полости сжимается, давление в нем повышается. Указанное давление толкает корпус ДГК вверх вместе с тарельчатым клапаном, что приводит к закрытию тарельчатого клапана. При указанном сжатии масла во вторичной полости, толкатель плунжера немного выходит из корпуса ДГК, следовательно, общий габарит ДГК отсчитываемый по верхней точке толкателя и нижней точки ДГК увеличивается, а ДГК сопротивляется нагрузке на растяжение за счет давления масла во вторичной полости. При этом, за счет большего давления во вторичной полости,  через микрометрический зазор между боковой внешней стенкой плунжера и внутренней боковой стенкой корпуса ДГК, проходит небольшая порция масла из вторичной полости в первичную полость, тем самым немного увеличивается общая длина ДГК.

В процесс работы ДВС, тарельчатый клапан нагревается, и его ножка удлиняется. Но за счет адаптивной пружины, в среднем, за рабочий цикл, давление масла в первичной полости выше, чем давление масла во вторичной полости, что приводит к преимущественному перетоку масла во вторичную полость из первичной полости. Указанный переток уменьшает длину ДГК, что компенсирует тепловое линейное расширение ножки тарельчатого клапана. Что позволяет тарельчатому клапану плотно и, по сути, безударно прилегать к клапанному седлу. Таким образом, достигается автоматическая компенсация зазоров указанного десмодромного привода. Что предотвращает прогар, износ и разрушение клапана, уменьшает шум и устраняет необходимость ручной регулировки тарельчатого клапана.

При остановке ДВС тарельчатый клапан может оказаться в открытом состоянии, далее при остывании ДВС ножка тарельчатого клапана сократится в длине. Так же под действием адаптивной пружины сократится длина ДГК, таким образом, общая длина от роликовой оси до тарелки тарельчатого клапана может стать слишком маленькой, что при начале вращения кулачкового вала и закрытии тарельчатого клапана может вызвать столкновение тарельчатого клапана с клапанным седлом. При указанном столкновении давление масла во вторичной полости резко повышается до уровня превышающего уровень срабатывания предохранительно клапана для его открытия, что приводит к перетоку масла из вторичной полости в первичную полость, что увеличивает длину ДГК до уровня необходимого для последующей штатной безударной работы десмодромного привода, с беззазорным прилеганием тарельчатого клапана к клапанному седлу.

В указанном примере 1 показана реализация ограничительных и отличительных признаков. Плунжер размещен в корпусе ДГК с образованием первичной и вторичной полостей. Между плунжером и корпусом ДГК размещена адаптивная пружина. ДГК сопротивляется нагрузке на сжатие вдоль направления подвижности плунжера относительно корпуса ДГК, по сути, за счет давления сжатого масла в первичной полости. ДГК сопротивляется нагрузке на растяжение вдоль направления подвижности плунжера относительно корпуса ДГК, по сути, за счет давления сжатого масла во вторичной полости. ДГК компенсирует зазоры между тарельчатым клапаном и клапанным седлом вызванные температурным изменением длины ножки тарельчатого клапана, за счет автоматического изменения размера ДГК. Так же в примере 1 реализации достигаются технические результаты уменьшение габаритов, массы, упрощение и удешевление конструкции ДГК так как в конструкции ДГК исключены массивные втягивающая пружина и элементы крепления втягивающей пружины. Так же достигаются дополнительный технический результат - уменьшается инерционная масса (так как уменьшается масса ДГК, испытывающего амплитудное высокочастотное прерывистое движение) и, как следствие, уменьшается износ, уменьшается вибрация и шум десмодромного привода.

Для увеличения стабильности перетока масла между первичной и вторичной полостями может быть выполнен микрометрический паз на внешней боковой поверхности плунжера или внутренней боковой поверхности корпуса ДГК или выполнено сквозное микрометрическое отверстие через плунжер. Для уменьшения длины корпуса ДГК адаптивная пружина может быть выполнена в форме, когда витки могут складываться внутрь друг друга, что уменьшает минимальную высоту пружины в сжатом состоянии. В корпус ДГК могут быть вставлены кольцевые ограничители хода плунжера. Плунжер может быть заменен поршнем. Для упрощения конструкции и упрощения сборки клапанная пружина предохранительного клапана может опираться на внутренний торец корпуса ДГК. Соединение крышки корпуса ДГК и ножки тарельчатого клапана могут быть выполненными разборными (для удобства изготовления и/или сборки и/или обслуживания). Клапанная пружина предохранительного клапана и/или пружина обратного клапана могут быть выполнены плоскими (например, лепестковыми или тарельчатыми) для уменьшения общих габаритов ДГК. ДГК может быть установлен в перевернутом положении. То есть роликовая ось устанавливается на крышке корпуса ДГК, а толкатель скрепляется с ножкой тарельчатого клапана или толкатель изготавливается с ножкой клапана, как одно целое. Предохранительный клапан может быть установлен в углублении плунжера (или поршня), что уменьшает линейный размер ДГК. Шарик предохранительного клапана может быть заменен на плоский элемент, например, в виде тарелки, что уменьшает линейный размер ДГК и позволяет увеличить проходное отверстие клапана. Адаптивная пружина может быть размещена снаружи корпуса ДГК, при этом она должна быть кинематически связана с толкателем и корпусом ДГК.

Пример 2 (фиг. 2) реализации ДГК с полостью низкого давления (ПНД) 27. Который отличается от примера 1 (ДГК на ножке тарельчатого клапана в составе десмодромного  привода тарельчатого клапана ДВС) тем, что корпус ДГК содержит ПНД, поршень низкого давления 28, пружину низкого давления 29. ПНД связана отверстием 30 с каналом толкателя в корпусе  ДГК. Причем указанное отверстие расположено между уплотнителем высокого давления 31 и уплотнителем низкого давления 32. Так же ПНД связана с первичной полостью через обратный клапан ПНД 33. Повышение давления во вторичной полости приводит к незначительному просачиванию масла из вторичной полости, через уплотнитель высокого давления. Большая часть этого масла попадает в ПНД. Одновременно за счет понижения давления в первичной полости масло из ПНД через обратный клапан попадает в первичную полость. Описанная конструкция уменьшает потерю масла в ДГК, а также восполняет суммарный объем масла в полостях высокого давления - в первичной и вторичной полостях. Что приводит к увеличению ресурса вплоть до достижения или превышения характерного ресурса и времени эксплуатации всего привода. В указанной реализации достигаются технические результаты, что и в реализации из примера 1, так как объем и масса дополнительных элементов и масла совершенно незначительны по сравнению с втягивающей пружиной и элементами крепления втягивающей пружины в прототипе.

На входе или выходе обратного клапана может быть поставлен масляный фильтр, для очистки масла, что повысит чистоту масла и дополнительно увеличит ресурс ДГК. ПНД может быть связана обратным клапаном с вторичной полостью или может быть связана с обеими полостями высокого давления (первичной и вторичной) с каждой через свой обратный клапан. Отверстие в канале толкателя может отсутствовать, в этом случае масло из полостей высокого давления не попадает в ПНД, но попадает из ПНД в одну или обе полости высокого давления. Отверстия предохранительного клапана и обратного клапана могут быть выполнены напротив друг друга, а пружина выполнена общей для обоих указанных клапанов (что уменьшает количество деталей и упрощает, и удешевляет ДГК).

Пример 3 (фиг. 3) реализации ДГК с внешним подводом масла. Который отличается от примера 1 (ДГК на ножке тарельчатого клапана в составе десмодромного привода тарельчатого клапана ДВС) тем, что корпус ДГК имеет отверстие подвода масла 34, которое расположена напротив масляного канала 35 корпуса ДВС и сопряжено с первичной полостью. Отверстие подвода масла закрывается со стороны первичной полости обратным клапаном внешнего подвода масла 36. При начале работы ДВС масляный канал корпуса ДВС заполняется маслом. В случае суммарной потери масла из первичной и вторичной полостей, при понижении давления в первичной полости, обратный клапан открывается и в первичную полость поступает масло из масляного канала корпуса ДВС. Что повышает ресурс работы ДГК.

Пример 4 (фиг. 4) реализации с расположением ДГК 37 на рокере 38, в качестве передаточного звена между рокером и клапаном (что расширяет варианты установки ДГК).

Пример 5 (фиг. 5) реализации с расположением ДГК 39 на рокере в качестве передаточного звена между роликовой осью и рокером (что расширяет варианты установки ДГК).

Пример 6 (фиг. 6) реализации с расположением ДГК 40 в корпусе ДВС в качестве крайней опоры рокера (что расширяет варианты установки ДГК).

Пример 7 (фиг. 7) реализации с расположением ДГК 41 в корпусе ДВС в качестве центральной опоры рокера. (что расширяет возможности применения ДГК) В этом случае адаптивная пружина должна быть расположена в первичной полости, а предохранительный клапан должен быть расположен во вторичной полости, при этом при отсутствии внешней нагрузки ДГК будет автоматических растягиваться.

Использование ДГК в качестве опоры рокера приводит к техническому результату, что ДГК не испытывает прерывистого движения, а значит уменьшаются инерционные массы, что уменьшает износ и вибрацию десмодромного привода, уменьшает шум.

Хотя изобретение было описано применительно к различным вариантам осуществления, следует понимать, что данное изобретение также способно к широкому разнообразию других вариантов осуществления в рамках признаков описанных в формуле изобретения.

Изобретение относится к двигателестроению. Двунаправленный гидрокомпенсатор зазоров десмодромного привода (далее ДГК) содержит вытеснительный элемент (12), размещенный подвижно внутри корпуса (14) ДГК с наличием первичной полости (15) между вытеснительным элементом (12) и указанным корпусом (14) ДГК, а также адаптивную пружину (17). Кроме того, характеризуется возможностью сопротивления нагрузке на сжатие вдоль направления подвижности указанного вытеснительного элемента (12) относительно указанного корпуса (14), за счет давления сжатой в первичной полости (15) рабочей жидкости. А также характеризуется возможностью сопротивления нагрузке на растяжение вдоль указанного направления и возможностью компенсации зазоров указанного десмодромного привода за счет автоматического изменения размера ДГК по указанному направлению. При этом ДГК содержит вторичную полость (16) между вытеснительным элементом (12) и корпусом (14) ДГК и характеризуется возможностью сопротивления указанной нагрузке на растяжение за счет давления сжатой во вторичной полости (16) рабочей жидкости. Технический результат заключается в снижении массы конструкции. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Двунаправленный гидрокомпенсатор зазоров десмодромного привода (далее ДГК), содержащий вытеснительный элемент, размещенный подвижно внутри корпуса ДГК с наличием первичной полости между вытеснительным элементом и указанным корпусом ДГК; адаптивную пружину; и характеризуемый возможностью сопротивления нагрузке на сжатие вдоль направления подвижности указанного вытеснительного элемента относительно указанного корпуса, по сути, за счет давления сжатой в указанной первичной полости рабочей жидкости; возможностью сопротивления нагрузке на растяжение вдоль указанного направления; возможностью компенсации зазоров указанного десмодромного привода за счет автоматического изменения размера ДГК по указанному направлению, отличающийся тем, что содержит вторичную полость между указанным вытеснительным элементом и указанным корпусом ДГК, и характеризуется возможностью сопротивления указанной нагрузке на растяжение, по сути, за счет давления сжатой в указанной вторичной полости рабочей жидкости.

2. Гидрокомпенсатор по п. 1, отличающийся тем, что содержит полость низкого давления с указанной рабочей жидкостью, снабженную подпружиненным дополнительным вытеснительным элементом и соединенную с первичной и/или вторичной полостью через обратный клапан.

3. Гидрокомпенсатор по п. 1, отличающийся тем, что содержит систему внешнего подвода указанной рабочей жидкости.

4. Гидрокомпенсатор по п. 1, отличающийся тем, что установлен: на рокере указанного десмодромного привода в качестве передаточного звена между рокером и тарельчатым клапаном; или на рокере, в качестве передаточного звена между роликовой осью и рокером указанного десмодромного привода; или в корпусе ДВС, в качестве крайней или средней опоры рокера указанного десмодромного привода.

5. Гидрокомпенсатор по п. 1, отличающийся тем, что характеризуется сжатием до минимальной длины при отсутствии внешней нагрузки.