Устройство коррекции углового положения кулачкового вала двигателя внутреннего сгорания

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для коррекции углового положения кулачкового вала относительно коленчатого при модернизации существующих и при разработке новых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) машин, для которых не предусмотрены бортовые компьютеры с программой управления и контроля систем двигателя. Большинство ДВС мобильных машин, используемых в агропромышленном комплексе и в ряде других отраслей страны, не оборудованы бортовой компьютерной системой, имеют постоянные для всех режимов работы двигателя значения углов положения кулачкового вала, обеспечивающие приемлемые эффективные показатели работы ДВС фактически только на одном режиме работы; отклонение от этого режима в силу разных причин ведет к существенному ухудшению показателей работы (увеличению расхода топлива, снижению мощности и т.д.) двигателя.

Известно устройство регулирования фаз газораспределительного механизма (ГРМ), описанное в патенте США №4522085 МПК F01L 1/34 от 11.06.1985, а также устройство, описанное в патенте РФ №2330169 МПК FO2D 13/02; в которых используемые устройства регулирования фаз ГРМ основаны на принципе работы центробежного регулятора, выполненного по классической схеме.

Устройства такого типа имеют такие габаритно-массовые размеры, которые требуют существенного изменения сопряженных деталей двигателя или изменения компоновочных решений двигателя в целом; затруднена реализация изменения темпа уменьшения или увеличения угла в заданном скоростном интервале регулирования; наличие упругого элемента (возвратные пружины) предопределяет изменение характеристик вследствие старения материала.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому техническому решению является устройство для регулирования фаз газораспределения двигателя внутреннего сгорания, описанное в патенте РФ №2634345 МПК F01L 1/34 (прототип), которое содержит размещенный соосно кулачковому валу элемент привода с плитой, соединенный с коленчатым валом двигателя, и кулачковый вал, связанные между собой центробежным механизмом регулирования фаз, смонтированным на плите, жестко закрепленной на элементе привода, и имеющим узел передачи управляющего усилия на кулачковый вал в виде зубчатой передачи с одним ведомым элементом, жестко соединенным с кулачковым валом и с двумя и более ведущими элементами, на каждом из которых закреплен центробежный рычаг, огруженный массой; каждый центробежный рычаг выполнен двухзвенным, огруженный массой конец которого опирается на цилиндрическую поверхность переменной кривизны с возможностью перемещения по ней под действием центробежной силы; диапазон перемещения массы на поверхности переменной кривизны ограничен упорами, а траектория перемещения примыкает к плоскости зубчатой передачи центробежного механизма.

Устройство обеспечивает постоянство соответствия «скоростной режим - заданное значение угла фаз ГРМ»; компактность механизма не требует существенного изменения сопряженных с ним деталей двигателя (что существенно при модернизации); улучшает технико-экономические показатели работы двигателя.

Однако изготовление такого устройства, расчет и программирование оборудования для формирования опорной поверхности переменной кривизны представляет определенные трудности; для более раннего начала работы регулятора требуется (например, в первой четверти диапазона рабочих режимов) увеличение активной части массы центробежного регулятора, но при номинальном скоростном режиме это ведет к увеличению (пропорционально квадрату угловой скорости) нормальной составляющей силы в контакте с опорной поверхностью, увеличению силы трения и снижению чувствительности к изменению скоростного режима.

Задачей предлагаемого изобретения является создание более простого в технологическом отношении устройства, обеспечивающего необходимую и контролируемую коррекцию углового положения кулачкового вала во всем диапазоне рабочих режимов двигателя, в результате чего достигается улучшение технико-экономических показателей работы двигателя.

Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом устройстве коррекции углового положения кулачкового вала ДВС, содержащем соосно размещенные плиту, ведущий и ведомый элементы кинематической цепи передачи крутящего момента от коленчатого вала на кулачковый вал, связанные между собой двумя динамически уравновешенными центробежными механизмами, смонтированными на плите, каждый из которых содержит рычаг, соединенный с центробежной массой, отличающееся тем, что плита жестко соединена с ведомым элементом, каждый смонтированный на ней центробежный механизм содержит двуплечий рычаг, одно плечо которого посредством зубчатого или цевочного зацепления, или гибкой связи соединено с ведущим элементом, а второе плечо посредством гибкой связи соединено с наименьшим по массе элементом из пакета активной массы центробежного механизма, причем, все элементы пакета установлены с возможностью перемещения по направляющим радиально и прямолинейно, заданная разработчиком величина перемещения каждого элемента из пакета активной массы ограничивается устройством для последовательного прекращения силового взаимодействия элемента с гибкой связью, начиная с наибольшего по массе элементе, при этом сумма масс элементов пакета должна быть такой, чтобы обеспечивать начало действия устройства при заданной угловой скорости кулачкового вала. Количество элементов пакета активной массы определяет разработчик разбивкой полного диапазона рабочих частот (от до n_ном) на несколько равных или неравных интервалов (с учетом вероятности использования каждого скоростного интервала в эксплуатационных условиях) и определением эффективного углового положения кулачкового вала для каждого интервала.

Относительное радиальное и прямолинейное перемещение элементов пакета активной массы центробежного механизма осуществляется по направляющим, закрепленным на плите, а величина прямолинейного перемещения каждого элемента активной массы ограничена устройством для прекращения силового взаимодействия с гибкой связью, контакт с которым переводит данный элемент массы из активного состояния в пассивное.

Технический результат от использования предлагаемого устройства заключается в изменении углового положения кулачкового вала относительно коленчатого в заданном соответствии изменению скоростного режима работы двигателя, а использование переменной активной массы позволяет снизить силовую нагрузку на детали кинематической цепи устройства и повысить его чувствительность в диапазоне номинальной (или максимальной) нагрузки. Прямолинейное перемещение элементов пакета активной массы и использование гибкой связи между двуплечим рычагом и активной массой упрощает задачу расчета и изготовления устройства. Жесткое соединение плиты с размещенными на ней центробежными механизмами с кулачковым валом способствует повышению плавности хода вращения кулачкового вала.

В результате патентного поиска не выявлено технических решений, идентичных заявляемому. Новая совокупность признаков, а именно центробежное устройство, смонтированное на плите, жестко соединенное с кулачковым валом, активная масса центробежного механизма, представленная пакетом из заданного числа элементов активной массы; радиальное и прямолинейное перемещение элементов пакет активной массы в относительном движении; переход элементов активной массы при перемещении в относительном движении в пассивное состояние последовательно, начиная с наибольшего по массе элемента до момента контакта с ограничительным устройством позволяет получить новый технологический эффект - упрощение конструкции, уменьшение габаритно-массовых параметров, повышение плавности хода вращения кулачкового вала, улучшение технико-экономических параметров работы двигателя, уменьшение силовой нагрузки деталей кинематической цепи, упрощение расчета и технологии изготовления, что подтверждает причинно-следственную связь новой совокупности признаков и достигаемого результата, которые не были известны из уровня техники до создания данного технического решения, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «изобретательский уровень».

Предлагаемое устройство может применяться в машиностроении (двигателестроении), при модернизации газораспределительного механизма двигателей, что соответствует критерию промышленная применимость.

Принципиальная схема устройства представлена на фигуре 1 (а - исходное положение до начала коррекции, б - промежуточное положение элементов активных масс); на фигуре 2 представлен вариант формирования пакета активных масс: а - исходное положение элементов пакета до начала коррекции и б - положение элементов пакета предельное (окончание коррекции).

Устройство для коррекции углового положения кулачкового вала при изменении режима работы двигателя внутреннего сгорания (фигура 1 а и б) содержит соосно размещенные плиту 1, ведущий элемент 2 и ведомый кулачковый вал 3, связанные между собой двумя динамически уравновешенными центробежными механизмами, смонтированными на плите 1, жестко соединенной с кулачковым валом. Двуплечий рычаг 4 центробежного механизма, расположенный на оси 6, закрепленной на плите 1, посредством зубчатого зацепления 5 одним плечом соединен с ведущим элементом 2, а другим плечом посредством гибкой связи 7 соединен с наименьшим по массе элементом 9 пакета (m₁, m₂, m₃) активных масс, имеющим наибольшую величину перемещения до перехода в пассивное состояние при контакте с устройством 8 (остановочное устройство) для прекращения силового взаимодействия элемента с гибкой связью.

Направляющая 11 для прямолинейного перемещения активной массы закреплена на плите 1 так, что ось симметрии ее проходит через ось вращения кулачкового вала (или с небольшим смещением для компенсации, боковой нагрузки от гибкой связи) и имеет остановочные устройства 8 отдельно для каждого элемента пакета активной массы.

Устройство работает следующим образом. При работе двигателя в режиме пуска и холостого хода усилие на прокручивание кулачкового вала передается через ведущий элемент 2 привода и зубчатое зацепление 5 на двуплечий рычаг 4 и через гибкую связь 7 на пакет активной массы, прижимая его к упору 10. В таком положении двуплечий рычаг лишается возможности вращения вокруг оси 6, и усилие на прокручивание от рычага 4 передается через ось 6 на ведомый элемент - кулачковый вал 3. Вся система вращается как единое целое с заданным эффективным угловым положением кулачкового вала, которое остается таковым пока угловая скорость вала не достигнет значения, при котором центробежная сила пакета активной массы достигает и превышает силу натяжения гибкой связи от сопротивления на прокручивание кулачкового вала; центробежная сила активной массы, воздействуя на двуплечий рычаг, вращает его относительно полюса зубчатого зацепления 5 привода, смещая таким образом ось 6 в направлении рабочего вращения кулачкового вала и увеличивая его угловое положение относительно коленчатого вала.

Когда первый (наибольший по массе) элемент m₁ пакета активной массы достигает своего остановочного устройства (Фигура 1б), он переходит в пассивное состояние, и, если центробежная сила оставшейся активной массы превышает силу сопротивления на прокручивание кулачкового вала, пакет продолжает перемещение, а если центробежная сила равна силе сопротивления, то перемещение пакета прекращается, а если она становится меньше, то перемещение начинается в обратном направлении.

В интервале угловых скоростей, включающем номинальный режим, динамическое равновесие между силой сопротивления на прокручивание кулачкового вала и центробежной силой устройства обеспечивается последним наименьшим по массе элементом m₃ пакета активной массы; но при последующем снижении угловой скорости до значения, при котором центробежная сила становится меньше силы сопротивления на прокручивание кулачкового вала, элементы пакета перемещаются к исходному положению.

Устройство обеспечивает коррекцию углового положения кулачкового вала относительно коленчатого в заданном соответствии изменению скоростного режима работы двигателя, позволяет улучшить технико-экономические показатели работы двигателя; изменяемая по величине активная масса центробежного механизма уменьшает силовую нагрузку деталей кинематической цепи; прямолинейное перемещение активной массы и использование гибкой связи для передачи усилия, упрощает задачу расчета устройства и технологию его изготовления.