Metodo di progettazione della molla della valvola

Il design delle molle delle valvole è importante quanto il design delle camme per le prestazioni del sistema motore. Le funzioni della molla della valvola includono la prevenzione del galleggiamento della valvola dalla sede della valvola sotto carichi di pressione del gas e il controllo del movimento della valvola per impedire la separazione del treno di valvole. Il design della molla della valvola influisce sullo stress della camma, sull'attrito del treno di valvole e sullo sbattimento della molla. Le molle delle valvole di un motore sono generalmente molle di compressione elicoidali aperte-con estremità chiuse. La maggior parte dei motori utilizza molle a velocità costante, sebbene alcuni utilizzino molle a velocità variabile. Per i motori diesel a velocità inferiori, di solito è sufficiente un design a molla singola, ma a volte è necessario un design a doppia molla con una molla di smorzamento o una molla interna per ridurre la gravità delle vibrazioni della molla della valvola. La progettazione delle molle delle valvole è un compito molto complesso. Serve come esempio per illustrare i principi della progettazione del sistema motore per due o tre ragioni. Innanzitutto, il metodo di progettazione analitica della molla mostra la connessione tra i parametri di progettazione dei componenti e i parametri di progettazione del sistema. In secondo luogo, il metodo analitico di progettazione delle molle mostra che lo stesso problema di progettazione può essere formulato in due modi diversi: il primo è trattarlo come una soluzione deterministica, e il secondo è risolverlo come un problema di ottimizzazione. Nella costruzione matematica del problema di ottimizzazione, sia la funzione obiettivo che la funzione vincolo sono elencate come esempi di funzioni esplicite. Va notato che in altre aree della progettazione del sistema motore (come le prestazioni del ciclo, la progettazione delle camme e la dinamica del treno di valvole), le funzioni utilizzate per l'ottimizzazione della costruzione sono solitamente funzioni implicite più complesse. In terzo luogo, il metodo di progettazione analitica della molla fornisce un esempio di utilizzo di metodi di progettazione grafica per costruire diagrammi di progettazione di parametrizzazione. Questi diagrammi dei parametri tipici possono essere utilizzati per affrontare i problemi di progettazione multi-dimensionali spesso riscontrati nella progettazione di sistemi con motore diesel.
Nella progettazione delle molle delle valvole, i dati di input noti includono quanto segue:
① Alzata massima della valvola;
② Data la lunghezza di installazione della molla;
③ Precarico molla richiesto
④ Rigidità della molla richiesta. Va notato che il precarico e la rigidità della molla sono parametri di progettazione a livello del sistema motore, che devono soddisfare i requisiti di forza massima consentita della molla e sollecitazione della camma, valvola di scarico non-flottante e treno valvole non-volante. Esiste una forte interazione tra il design della molla della valvola e il design della camma. Se è difficile trovare una soluzione nella progettazione della molla, questi dati di input devono essere modificati.
Nella progettazione delle molle delle valvole, i seguenti parametri sono dati di uscita calcolati:
① Parametri di progettazione della molla di base o indipendenti (ad esempio, diametro medio della molla, diametro del filo della spirale della molla, numero di spire funzionanti);
② Parametri di progettazione derivati ​​(ad esempio, lunghezza libera della molla, lunghezza massima di compressione, lunghezza compattata, spazio libero tra le bobine, spazio solido tra le bobine alla massima compressione, frequenza naturale della molla e ordine di vibrazione, carico massimo della molla, forza massima di torsione della molla). I parametri di base della progettazione della molla determinano la rigidità della molla.
Alcuni parametri di output sono soggetti a vincoli di progettazione. Ad esempio, la lunghezza di installazione e il diametro medio della molla sono limitati dallo spazio dell'imballaggio. La sollecitazione torsionale della molla alla massima compressione della molla e alla lunghezza compattata è limitata dalla durata a fatica della molla, dalla resistenza e dal limite di sollecitazione massimo consentito. I vincoli sulla protezione dalle vibrazioni della molla vengono raggiunti controllando lo spazio solido e la frequenza naturale della molla. L'ordine di vibrazione della molla si riferisce al rapporto tra la frequenza naturale della molla e la frequenza operativa del motore. Per garantire che la molla non oscilli fortemente durante il funzionamento. La frequenza naturale della molla della valvola dovrebbe solitamente essere almeno 13 volte la frequenza operativa del motore; si spera cioè che l'ordine di fluttuazione della molla sia superiore a 13. L'analisi della frequenza naturale della molla mostra che se la molla è molto sensibile a una delle armoniche dominanti del profilo della camma, c'è una tendenza al verificarsi di fluttuazione. In questo caso è necessario modificare il design della camma o della molla. A volte è possibile utilizzare rigidità variabili o molle annidate per modificare la frequenza della molla e contribuire ad alleviare il problema del flutter.
La progettazione di Spring è un problema di parametri multi-dimensionale che può essere gestito in modo grafico per esaminare le tendenze di sensibilità dei parametri. L'obiettivo dell'ottimizzazione del design della molla della valvola è massimizzare la frequenza naturale della molla per ridurre le vibrazioni della molla rispettando i seguenti vincoli:
① Precarico della molla e rigidità della molla della valvola richiesti dal sistema motore;
② Sollecitazione massima ammissibile della molla;
③ Spazio fisico adeguato per controllare le vibrazioni della molla.