Designmetode for ventilfjeder

Ventilfjederdesign er lige så vigtigt for motorsystemets ydeevne som knastdesign. Ventilfjederens funktioner omfatter at forhindre ventilen i at flyde af ventilsædet under gastrykbelastninger og at kontrollere ventilbevægelsen for at forhindre ventiltogsadskillelse. Ventilfjederdesign påvirker knastspænding, ventiltogsfriktion og fjederfladder. En motors ventilfjedre er normalt åbne-spiralformede kompressionsfjedre med lukkede ender. De fleste motorer bruger fjedre med konstant-hastighed, selvom nogle bruger fjedre med variabel-hastighed. For dieselmotorer med lavere hastighed er et enkelt fjederdesign normalt tilstrækkeligt, men nogle gange kræves et dobbeltfjederdesign med en dæmpningsfjeder eller indvendig fjeder for at reducere sværhedsgraden af ​​ventilfjedret. Ventilfjederdesign er en meget kompleks opgave. Det tjener som et eksempel til at illustrere principperne for motorsystemdesign af to eller tre grunde. For det første viser den analytiske fjederdesignmetode sammenhængen mellem komponentdesignparametre og systemdesignparametre. For det andet viser den analytiske fjederdesignmetode, at det samme designproblem kan formuleres på to forskellige måder: Den ene er at behandle det som en deterministisk løsning, og den anden er at løse det som et optimeringsproblem. I den matematiske konstruktion af optimeringsproblemet er både objektivfunktionen og begrænsningsfunktionen anført som eksempler på eksplicitte funktioner. Det skal bemærkes, at på andre områder af motorsystemdesign (såsom cyklusydelse, knastdesign og ventiltogsdynamik) er de funktioner, der bruges til optimeringskonstruktion, normalt mere komplekse implicitte funktioner. For det tredje giver den analytiske fjederdesignmetode et eksempel på at bruge grafiske designmetoder til at konstruere parametersweep-designdiagrammer. Disse typiske parameterdiagrammer kan bruges til at håndtere multi{16}}dimensionelle designproblemer, man ofte støder på i design af dieselmotorsystemer.
I ventilfjederdesign inkluderer de kendte inputdata følgende:
① Maksimal ventilløft;
② I betragtning af fjederens installationslængde;
③ Nødvendig fjederforspænding
④ Nødvendig fjederstivhed. Det skal bemærkes, at fjederens forspænding og stivhed er designparametre på motorsystemniveau, som skal opfylde kravene til den maksimalt tilladte fjederkraft og knastspænding, udstødningsventil ikke-svævende og ventiltog, der ikke-flyver. Der er et stærkt samspil mellem ventilfjederdesign og knastdesign. Hvis det er svært at finde en løsning i fjederdesign, skal disse inputdata ændres.
I ventilfjederdesign er følgende parametre beregnede outputdata:
① Grundlæggende eller uafhængige fjederdesignparametre (dvs. fjedergennemsnitsdiameter, fjederspolens tråddiameter, antal arbejdsspoler);
② Afledte designparametre (f.eks. fjederfri længde, maksimal kompressionslængde, komprimeret længde, fri afstand mellem spoler, fast spalte mellem spoler ved maksimal kompression, fjeder egenfrekvens og flagrerækkefølge, maksimal fjederbelastning, maksimal fjedertorsionskraft). Grundlæggende fjederdesignparametre bestemmer fjederens stivhed.
Nogle outputparametre er underlagt designbegrænsninger. For eksempel er installationslængden og fjedergennemsnitsdiameteren begrænset af emballageplads. Fjederens torsionsspænding ved maksimal fjederkompression og ved komprimeret længde er begrænset af fjederens udmattelseslevetid, styrke og maksimalt tilladte spændingsgrænse. Begrænsningerne på fjederfladderbeskyttelse opnås ved at kontrollere det solide mellemrum og fjederens egenfrekvens. Rækkefølgen af ​​fjederfladder refererer til forholdet mellem fjederens egenfrekvens og motorens driftsfrekvens. For at sikre, at fjederen ikke blafrer kraftigt under drift. Ventilfjederens egenfrekvens skal normalt være mindst 13 gange motorens driftsfrekvens; det vil sige, at man håber, at rækkefølgen af ​​fjederfladder er højere end 13. Fjederens egenfrekvensanalyse viser, at hvis fjederen er meget følsom over for en af ​​knastprofilens dominerende harmoniske, er der en tendens til, at flagren opstår. I dette tilfælde skal knast- eller fjederdesignet ændres. Nogle gange kan variabel stivhed eller indlejrede fjedre bruges til at ændre fjederens frekvens for at hjælpe med at afhjælpe flagreproblemet.
Spring design er et multi-dimensionelt parameterproblem, der kan håndteres på en grafisk måde for at undersøge parameterfølsomhedstendenser. Målet med optimering af ventilfjederdesign er at maksimere fjederens naturlige frekvens for at reducere fjedervibration, samtidig med at følgende begrænsninger overholdes:
① Fjederforspænding og ventilfjederstivhed, der kræves af motorsystemet;
② Maksimal tilladt fjederspænding;
③ Passende fysisk frigang til at kontrollere fjederfladder.