Десмодромный клапан - Desmodromic valve

В общем механическом смысле слово десмодромный используется для обозначения механизмов, которые имеют разные средства управления для их приведения в действие в разных направлениях.
Десмодромный тарельчатый клапан в двигателе Ducati.

А десмодромный клапан поршневой двигатель тарельчатый клапан который принудительно закрывается системой кулачка и рычага, а не более обычной пружиной.

Клапаны в типичном четырехтактный двигатель впустить топливно-воздушную смесь в цилиндр в начале цикла и выхлопные газы, которые должны быть удалены в конце цикла. В обычном четырехтактный двигатель клапаны открываются кулачком и закрываются возвратной пружиной. Двигатель, использующий десмодромные клапаны, имеет два кулачка и два привода, каждый для принудительного открытия и закрытия без возвратной пружины.

Этимология

Слово происходит от Греческий слова Desmos (δεσμός, переводится как «связь» или «узел») и дромос (δρόμος, «след» или «путь»). Это означает, что клапаны постоянно «привязаны» к распределительному валу.

Идея

Обычная система клапанной пружины подходит для традиционных двигателей массового производства, которые не имеют высоких оборотов и имеют конструкцию, не требующую значительного обслуживания.[1] В период первоначального развития десмодромии клапанные пружины были основным ограничением для работы двигателя, поскольку они ломались из-за усталости металла. В 1950-е годы новые Вакуумный расплав Эти процессы помогли удалить примеси из металла в пружинах клапанов, значительно увеличив их срок службы и эффективность. Однако многие пружины все равно выходили из строя при длительной работе выше 8000 об / мин.[2] Десмодромная система была разработана для решения этой проблемы путем полного устранения необходимости в пружине. Кроме того, при увеличении максимальной скорости вращения требуется более высокое усилие пружины для предотвращения клапан поплавок, что приводит к увеличению массы пружины (то есть инерции), сопротивлению кулачка и более высокому износу деталей на всех скоростях, проблемы, решаемые десмодромным механизмом.

Дизайн и история

Пример десмодромного тарельчатого клапана.

Полностью управляемое движение клапана было задумано в первые дни разработки двигателей, но разработка системы, которая работала бы надежно и не была слишком сложной, потребовала много времени. Системы десмодромных клапанов впервые упоминаются в патентах 1896 года Густава Миса.[нужна цитата ] Морской двигатель Остина 1910 года производил 300 л.с. и был установлен на быстроходном катере под названием «Ирен I»; Его полностью алюминиевый двигатель с двумя верхними клапанами имел два магнето, два карбюратора и десмодромные клапаны.[3] Гран-при 1914 года Делаж и Наган (см. Pomeroy "Grand Prix Car") использовали систему десмодромных клапанов (в отличие от сегодняшних Ducati система).[4]

Azzariti, недолговечный итальянский производитель с 1933 по 1934 год, производил двухцилиндровые двигатели объемом 173 куб. См и 348 куб. См, некоторые из которых имели десмодромный клапанный механизм, причем клапан закрывался отдельным распределительным валом.[5]

В Мерседес-Бенц W196 Формула один гоночный автомобиль 1954–1955 гг., и Мерседес-Бенц 300SLR Оба спорткара 1955 года имели десмодромный клапан срабатывания.

В 1956 г. Фабио Тальони, инженер Ducati, разработал систему десмодромных клапанов для Ducati 125 Grand Prix, создав Ducati 125 Desmo.

Он сказал:

Конкретная цель десмодромной системы состоит в том, чтобы заставить клапаны как можно точнее соответствовать временной диаграмме. Таким образом, потери энергии незначительны, рабочие характеристики более однородны, а надежность выше.

Инженеры, пришедшие после него, продолжили эту разработку, и Ducati владеет рядом патентов, касающихся десмодромии. Десмодромное срабатывание клапана применяется в производстве высшего класса Ducati мотоциклы с 1968 года, с введением «широкоформатных» одноцилиндровых двигателей Mark 3.

В 1959 г. Братья мазерати представили один из своих окончательных проектов: десмодромный четырехцилиндровый двигатель объемом 2000 куб. O.S.C.A. Барчетта.

Сравнение с обычными клапанными механизмами

В современных двигателях отказ пружины клапана на высоких оборотах в основном устранен. Основное преимущество десмодромной системы - предотвращение клапан поплавок на высоких оборотах.

При традиционном срабатывании пружинного клапана по мере увеличения частоты вращения двигателя инерция клапана в конечном итоге преодолевает способность пружины полностью закрывать его до того, как поршень достигнет ВМТ (верхняя мертвая точка). Это может привести к нескольким проблемам. Первое и самое разрушительное, поршень сталкивается с клапаном и оба разрушаются. Во-вторых, клапан не возвращается полностью на свое место до начала горения. Это позволяет газам сгорания преждевременно выходить, что приводит к снижению давления в цилиндре, что приводит к значительному снижению производительности двигателя. Это также может привести к перегреву клапана, что может привести к его деформации и поломке. В двигателях с пружинным клапаном традиционным средством устранения смещения клапана является усиление пружины. Это увеличивает давление в седле клапана (статическое давление, удерживающее клапан в закрытом состоянии). Это выгодно при более высоких оборотах двигателя из-за уменьшения вышеупомянутого смещения клапана. Недостатком является то, что двигателю приходится работать тяжелее, чтобы открыть клапан на всех оборотах двигателя. Более высокое давление пружины вызывает большее трение (следовательно, повышение температуры и износ) в клапанном приводе.

Десмодромная система позволяет избежать этой проблемы, потому что ей не нужно преодолевать силу пружины. Он по-прежнему должен преодолевать инерцию открытия и закрытия клапана, а это зависит от эффективной массы движущихся частей. Эффективная масса традиционного клапана с пружиной включает половину массы пружины клапана и всю массу держателя пружины клапана. Однако десмодромная система должна иметь дело с инерцией двух коромысел на каждый клапан, поэтому это преимущество во многом зависит от навыков конструктора. Еще один недостаток - точка контакта кулачков с коромыслами. Роликовые толкатели относительно легко использовать в обычных клапанных механизмах, хотя они добавляют значительную подвижную массу. В десмодромной системе валик потребуется на одном конце коромысла, что значительно увеличит его момент инерции и сведет на нет его преимущество в «эффективной массе». Таким образом, десмо-системы обычно должны иметь дело с трением скольжения между кулачком и коромыслом и, следовательно, могут иметь больший износ. Контактные точки на большинстве коромысел Ducati имеют твердое хромирование, чтобы уменьшить этот износ. Другой возможный недостаток заключается в том, что было бы очень сложно включить регуляторы зазора гидравлических клапанов в десмодромную систему, поэтому клапаны необходимо периодически регулировать, но это верно для типичных мотоциклов, ориентированных на рабочие характеристики, поскольку зазор клапана обычно устанавливается с помощью прокладки под кулачком. последователь.

Недостатки

До того времени, когда динамику привода клапана можно было анализировать с помощью компьютера, десмодромный Drive, казалось, предлагал решения проблем, которые усугублялись с увеличением оборотов двигателя. С тех пор кривые подъемной силы, скорости, ускорения и рывка кулачков моделируются с помощью компьютера.[6] чтобы показать, что динамика кулачка не такая, как казалось. При правильном анализе проблемы, связанные с регулировкой клапана, гидравлической толкатели толкатели, коромысла и, прежде всего, клапан поплавок, ушло в прошлое без десмодромного влечения.

Сегодня большинство автомобильных двигателей используют верхние кулачки, приводящий в движение плоский толкатель для достижения кратчайшего, самого легкого и самого неэластичного пути от кулачка к клапану, тем самым избегая упругих элементов, таких как толкатель и коромысло. Компьютеры позволили довольно точно моделировать ускорение систем клапанного механизма.

До того, как методы численных вычислений стали доступными, ускорение можно было получить только дважды дифференцируя профили подъема кулачка: один раз для скорости и еще раз для ускорения. Это генерирует столько хэша (шума), что вторая производная (ускорение) была напрасно неточной. Компьютеры позволили интегрировать кривую рывка, третью производную подъемной силы, которая для удобства представляет собой серию смежных прямых линий, вершины которых можно регулировать для получения любого желаемого профиля подъемной силы.

Интеграция кривой рывка дает плавную кривую ускорения, в то время как третий интеграл дает по существу идеальную кривую подъема (профиль кулачка). С такими кулачками, которые в большинстве своем не похожи на те, которые ранее проектировали "художники", шум клапана (отрыв) ушли, и эластичность клапанного механизма подверглась тщательному анализу.

Сегодня большинство камер имеют зеркальное изображение (симметричные) профили с одинаковым положительным и отрицательным ускорением при открытии и закрытии клапанов. Однако в некоторых высокоскоростных (с точки зрения числа оборотов двигателя) двигателях теперь используются асимметричные профили кулачков, чтобы быстро открывать клапаны и более аккуратно возвращать их на свои места для уменьшения износа. Кроме того, в серийных автомобилях с конца 1940-х годов использовались асимметричные профили кулачков, как это было видно на Ford V8 1948 года.[7] В этом моторе и впускной, и выпускной профили имели асимметричный дизайн. Более современные применения асимметричных распредвалов включают двигатели Cosworth объемом 2,3 литра, в которых используются агрессивные профили для достижения более 280 лошадиных сил.[8] Асимметричный кулачок открывает или закрывает клапаны медленнее, чем мог бы, при этом скорость ограничивается Контактное напряжение Герца между изогнутым кулачком и плоским толкателем, тем самым обеспечивая более контролируемое ускорение объединенной массы компонентов возвратно-поступательного движения (в частности, клапана, толкателя и пружины).

Напротив, десмодромный привод использует два кулачка на клапан, каждый с отдельным коромыслом (толкателями рычага). Максимальное ускорение клапана ограничено кулачком-толкателем. раздражающий напряжение, и поэтому регулируется как движущейся массой, так и площадью контакта кулачка. Максимальная жесткость и минимальное контактное напряжение лучше всего достигаются с помощью обычных плоских толкателей и пружин, на подъемную силу и напряжение закрытия которых не влияет сила пружины; оба встречаются в основном круге,[9] где нагрузка на пружину минимальна, а радиус контакта наибольший. изогнутые (рычажные) толкатели[10]десмодромных кулачков вызывают более высокое контактное напряжение, чем плоские толкатели для того же профиля подъема, тем самым ограничивая скорость подъема и закрытия.

С обычными кулачками напряжение является самым высоким при полном подъеме, при повороте с нулевой скоростью (начало запуска двигателя) и уменьшается с увеличением скорости, поскольку инерционная сила клапана противодействует давлению пружины, в то время как десмодромный кулачок практически не имеет нагрузки при нулевой скорости ( при отсутствии пружин), его нагрузка полностью инерционная и поэтому увеличивается с увеличением скорости. Наибольшее инерционное напряжение приходится на наименьший радиус. Силы ускорения для любого метода увеличиваются пропорционально квадрату скорости в результате кинетическая энергия.[11]

Было проанализировано смещение клапана, и было обнаружено, что оно в основном вызвано резонансом в пружинах клапана, который генерирует колебательные волны сжатия между катушками, во многом как Обтягивающий. Фотосъемка на высоких скоростях показала, что при определенных резонансных скоростях пружины клапана больше не контактируют на одном или обоих концах, оставляя клапан плавающим.[12]перед врезанием в кулачок при закрытии.

По этой причине сегодня до трех концентрических пружин клапана иногда вкладываются одна в другую; не для увеличения силы (внутренние не имеют значительной жесткости пружины), а для того, чтобы действовать как демпфер для уменьшения колебаний внешней пружины.[нужна цитата ]

Раннее решение[когда? ] чтобы колеблющаяся пружина массой была пружиной мышеловки или шпильки[13]используется на Norton Manx[14]двигатели. Они избегали резонанса, но их было неудобно размещать внутри головок цилиндров.

Не резонирующие пружины клапана прогрессивный, намотанные с переменным шагом или диаметром, называемые ульевыми пружинами[15]от их формы. Количество активных витков в этих пружинах меняется во время хода, причем более плотно намотанные витки находятся на статическом конце, становятся неактивными при сжатии пружины или, как в пружине улья, где витки небольшого диаметра наверху более жесткие. Оба механизма уменьшают резонанс, поскольку сила пружины и ее движущаяся масса меняются с ходом. Этот аванс в весеннем дизайне удален клапан поплавок, начальный импульс для привода десмодромного клапана.

Полемика

Хотя десмодромная система не идеальна в практическом мире механики, она все же выживает и работает без проблем. Хотя обслуживание может быть более дорогим, чем традиционные системы клапанов с пружинным приводом, многие послепродажные прецизионные механически обработанные компоненты могут увеличить интервал технического обслуживания до интервала обслуживания систем с пружинным приводом (в сопоставимых мотоциклах).

Хотя новые высокопроизводительные пневматические системы могут соответствовать более конкретным проектным и инженерным спецификациям (с помощью компьютера), они обычно ограничиваются гоночными приложениями (Формула 1, Moto GP и т. В настоящее время не существует метода определения срока службы или увеличенных интервалов обслуживания таких систем в практических повседневных системах, таких как автомобиль.

Хотя конструкция может быть шумной, она обычно маскируется шумом ветра и другими компонентами двигателя, такими как шум впуска и выпуска. Хотя выше было сказано, что шум «неудобно громкий в двигателях с четырьмя и более цилиндрами», если это правда, то это ограничивается (с точки зрения Ducati) мотоциклами MotoGP, MotoGP Race Replica и Ducati Panigale V4 2018 года, которые являются единственными Десмодромные двигатели текущего производства с четырьмя цилиндрами. (Обратите внимание, что уровень шума выхлопных газов может превышать 110 дБ на полностью гоночных системах.)

Примеры

Известные примеры включают успешные Мерседес-Бенц W196 и Мерседес-Бенц 300 SLR гоночные автомобили и, чаще всего, современные Ducati мотоциклы.

Мотоциклы Ducati с десмодромными клапанами выиграли множество гонок и чемпионатов, в том числе Чемпионат мира по супербайку с 1990 по 1992 год, 1994–96, 1998–99, 2001, 2003–04, 2006, 2008 и 2011 годы. Ducati возвращение в Гран-при мотогонок был приведен в действие десмодромным V4 Двигатель 990 куб. См в GP3 (Desmosedici ) байк, на котором было несколько побед, в том числе один-два финиша на последнем 990 куб. MotoGP гонки в Валенсии, Испания, в 2006 году. С наступлением эры 800 кубических сантиметров в 2007 году они, как правило, по-прежнему считаются самыми мощными двигателями в спорте. Кейси Стоунер на чемпионат MotoGP 2007 года и Ducati на чемпионат конструкторов с GP7 (Desmosedici ) велосипед.

11 декабря 2009 года Комиссия Гран-при объявила, что класс MotoGP перейдет на ограничение двигателя объемом 1000 куб. См, начиная с сезона 2012 года. Максимальный рабочий объем был ограничен 1000 куб.см, максимальное количество цилиндров ограничено четырьмя, а максимальный диаметр цилиндра был ограничен 81 мм (3,2 дюйма). Кармело Эзпелета, генеральный директор Dorna Sports, отметил, что предполагаемые изменения были положительно восприняты командами.

Смотрите также

Источники

  1. ^ Ривола, А. и др .: «Моделирование эластодинамического поведения десмодромного клапана», Труды Международной конференции по шуму и вибрации SMA2002, 16–18 сентября 2002 г. - Лёвен, Бельгия
  2. ^ Фалько, Чарльз М. (июль 2003 г.). "Искусство и материаловедение супербайков со скоростью 190 миль в час" (PDF). Бюллетень МИССИС. п. 514. Архивировано с оригинал (PDF) на 2007-03-07. Получено 2006-11-02. Таким образом, если пренебречь всеми другими факторами, чем быстрее можно заставить двигатель вращаться, тем больше мощности может быть выработано. К сожалению, по крайней мере в 1950-е годы пружины клапанов часто изнашивались и ломались, когда двигатели работали в течение значительных периодов времени, намного превышающих 8000 об / мин.
  3. ^ Бейкер, Джон. "Остин Марин Двигатели". Остин Воспоминания. Архивировано из оригинал 21 августа 2015 года. В 1910 году Герберт Остин решил построить двигатель Marine, который в то время был очень продвинутым. Он производил 300 л.с. и был установлен на скоростной лодке под названием «Ирен I», названной в честь его старшей дочери, вышедшей замуж за полковника Уэйта. Полностью алюминиевый двухцилиндровый двигатель имел два магнето, двойной карбюратор и десмодронные клапаны.
  4. ^ "Янсен Десмодромология". В архиве из оригинала 25 мая 2012 г.. Получено 20 сентября, 2016.
  5. ^ Название: Иллюстрированная энциклопедия мотоциклов, редактор: Эрвин Трагатч, издатель: New Burlington Books, авторское право: Quarto Publishing, 1979 г., издание: пересмотренное издание 1988 г., стр. 81, ISBN  0-906286-07-7
  6. ^ "4stHEAD Insight - Смерть черного искусства" (PDF). Получено 2011-12-06.
  7. ^ «История дизайна кулачков». www.tildentechnologies.com. Получено 11 апреля 2018.
  8. ^ «Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2013-06-18. Получено 2012-11-08.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  9. ^ "Web Cam Inc - Рабочие характеристики и гоночные распредвалы / терминология". Webcamshafts.com. Получено 2011-12-06.
  10. ^ "Десмодромный клапанный механизм". Usq.edu.au. Архивировано из оригинал на 2012-02-12. Получено 2011-12-06.
  11. ^ "Кинетическая энергия". Glenbrook.k12.il.us. Архивировано из оригинал на 2012-08-04. Получено 2011-12-06.
  12. ^ «Испытания клапанной пружины MERC 1000-6000 об / мин». Архивировано из оригинал на 2008-09-11. Получено 2008-06-25.
  13. ^ "ACLawrancePenguin.jpg". Архивировано из оригинал на 2008-09-11. Получено 2008-06-25.
  14. ^ Гринпарк-Продакшнс. (2005-02-25). "'1959 Norton Manx Restoration 'Сентябрь 2004 - Раздел двигателя, добро пожаловать! ". Members.shaw.ca. Получено 2011-12-06.
  15. ^ WMR В архиве 9 октября 2007 г. Wayback Machine

внешняя ссылка