Venttiilin jousen suunnittelumenetelmä

Venttiilin jousen rakenne on yhtä tärkeä moottorijärjestelmän suorituskyvylle kuin nokan suunnittelu. Venttiilijousen toimintoihin kuuluu estää venttiiliä kellumasta pois venttiilin istukasta kaasun painekuormituksen alaisena ja ohjata venttiilin liikettä venttiilisarjan irtoamisen estämiseksi. Venttiilijousen rakenne vaikuttaa nokan jännitykseen, venttiilisarjan kitkaan ja jousen lepatukseen. Moottorin venttiilijouset ovat yleensä avoimia-kierrepuristusjousia, joiden päät ovat suljetut. Useimmat moottorit käyttävät vakionopeuden{5}}jousia, vaikka jotkin käyttävät muuttuvan nopeuden-jousia. Pienemmille dieselmoottoreille yksi jousirakenne yleensä riittää, mutta joskus tarvitaan kaksijousirakennetta vaimennusjousella tai sisäjousella vähentämään venttiilijousen värähtelyn voimakkuutta. Venttiilijousen suunnittelu on erittäin monimutkainen tehtävä. Se toimii esimerkkinä havainnollistamaan moottorijärjestelmän suunnittelun periaatteita kahdesta tai kolmesta syystä. Ensinnäkin analyyttinen jousisuunnittelumenetelmä osoittaa komponenttien suunnitteluparametrien ja järjestelmän suunnitteluparametrien välisen yhteyden. Toiseksi analyyttinen jousisuunnittelumenetelmä osoittaa, että sama suunnitteluongelma voidaan muotoilla kahdella eri tavalla: toinen on käsitellä sitä deterministisenä ratkaisuna ja toinen on ratkaista se optimointiongelmana. Optimointitehtävän matemaattisessa konstruktiossa sekä tavoitefunktio että rajoitusfunktio on lueteltu esimerkkeinä eksplisiittisistä funktioista. On huomattava, että muilla moottorijärjestelmän suunnittelun alueilla (kuten syklin suorituskyky, nokkasuunnittelu ja venttiiliketjun dynamiikka) optimointirakenteessa käytetyt toiminnot ovat yleensä monimutkaisempia implisiittisiä toimintoja. Kolmanneksi analyyttinen jousisuunnittelumenetelmä antaa esimerkin graafisten suunnittelumenetelmien käyttämisestä parametrien pyyhkäisysuunnittelukaavioiden muodostamiseen. Näitä tyypillisiä parametrikaavioita voidaan käyttää moniulotteisten suunnitteluongelmien ratkaisemiseen, joita usein kohdataan dieselmoottorien suunnittelussa.
Venttiilin jousisuunnittelussa tunnetut syöttötiedot sisältävät seuraavat:
① Suurin venttiilin nosto;
② Ottaen huomioon jousen asennuspituuden;
③ Vaadittu jousen esijännitys
④ Vaadittu jousen jäykkyys. On huomattava, että jousen esijännitys ja jäykkyys ovat moottorijärjestelmän tason suunnitteluparametreja, joiden on täytettävä suurimman sallitun jousen voiman ja nokkajännityksen, pakoventtiilin ei--kelluva ja venttiilisarjan ei--lentävä vaatimukset. Venttiilin jousirakenteen ja nokkarakenteen välillä on vahva vuorovaikutus. Jos jousisuunnittelussa on vaikea löytää ratkaisua, näitä syöttötietoja on muutettava.
Venttiilin jousisuunnittelussa seuraavat parametrit lasketaan lähtötiedot:
① Perus- tai riippumattomat jousen suunnitteluparametrit (eli jousen keskimääräinen halkaisija, jousikäämin langan halkaisija, käyttökelojen lukumäärä);
② Johdetut suunnitteluparametrit (esim. jousen vapaa pituus, suurin puristuspituus, tiivistetty pituus, vapaa rako kelojen välillä, kiinteä rako kelojen välillä maksimipuristuksessa, jousen luonnollinen taajuus ja lepatusjärjestys, jousen enimmäiskuorma, suurin jousen vääntövoima). Jousen perusparametrit määrittävät jousen jäykkyyden.
Jotkut lähtöparametrit ovat suunnittelurajoitusten alaisia. Esimerkiksi asennuspituutta ja jousen keskihalkaisijaa rajoittaa pakkaustila. Jousen vääntöjännitystä jousen enimmäispuristuksessa ja tiivistetyssä pituudessa rajoittavat jousen väsymisikä, lujuus ja suurin sallittu jännitysraja. Jousen lepatussuojan rajoitukset saavutetaan säätämällä kiinteää rakoa ja jousen ominaistaajuutta. Jousen värähtelyjärjestys viittaa jousen luonnollisen taajuuden suhdetta moottorin toimintataajuuteen. Sen varmistamiseksi, että jousi ei värähtele voimakkaasti käytön aikana. Venttiilijousen luonnollisen taajuuden tulee yleensä olla vähintään 13 kertaa moottorin käyttötaajuus; eli toivotaan, että jousen lepatuksen järjestys on suurempi kuin 13. Jousen ominaistaajuusanalyysi osoittaa, että jos jousi on erittäin herkkä jollekin nokkaprofiilin hallitsevasta harmonisesta, on taipumus esiintyä lepatusta. Tässä tapauksessa nokka- tai jousirakennetta on muutettava. Joskus vaihtelevan jäykkyyden tai sisäkkäisiä jousia voidaan käyttää muuttamaan jousen taajuutta lepatusongelman lievittämiseksi.
Jousisuunnittelu on moniulotteinen parametriongelma, jota voidaan käsitellä graafisesti parametrien herkkyyden trendien tutkimiseksi. Venttiilijousen suunnittelun optimoinnin tavoitteena on maksimoida jousen luonnollinen taajuus jousen tärinän vähentämiseksi seuraavien rajoitusten mukaisesti:
① Moottorijärjestelmän vaatima jousen esijännitys ja venttiilin jousen jäykkyys;
② Suurin sallittu jousijännitys;
③ Asianmukainen fyysinen välys jousen värähtelyn hallitsemiseksi.