Различия в пружинах клапанов

Отличный вопрос. Сборка двигателей — это немного не по моей части (пока что), так что ответ может быть неполным, но у меня есть кое-какие соображения, которые слишком длинны для комментариев.

Весенние Дизайнерские Штучки

Наиболее важными факторами при проектировании клапанной пружины являются жёсткость, длина в свободном состоянии (FL), высота намотки (высота в собранном состоянии) и нагрузка. Количество проволоки в пружине определяет жёсткость (чем меньше проволоки, тем выше жёсткость и нагрузка), поэтому диаметр проволоки, количество витков и диаметр пружины являются размерными факторами, влияющими на жёсткость.

Коэффициент и длина штока клапана в сочетании с длиной стержня клапана позволяют рассчитать давление на седло. Чтобы увеличить давление на седло, можно увеличить коэффициент или длину штока, что приведет к увеличению нагрузки по мере приближения пружины к предельной высоте. Нагрузка является критически важным ограничивающим фактором при проектировании клапанных пружин, учитывая экстремальные условия эксплуатации. Однако в рамках теоретического обсуждения это не имеет значения, и мы больше не будем об этом упоминать. Я также не буду рассматривать поплавок, так как это довольно ситуативное явление.

Максимальный подъём клапана рекомендуется делать на некоторое значение (например, 0,050 дюйма) больше высоты пружины, чтобы ничего не сломать. Высота пружины — это просто количество витков * диаметр проволоки.

Вопросы

1) Есть ли взаимосвязь между давлением в седле и подъёмом клапана? Да и нет, в зависимости от ваших ограничений. С учётом приведённой выше информации и при неизменных других параметрах (FL, Ø проволоки, количество витков, Ø пружины) есть только два отдельных параметра пружины, которые влияют как на давление в седле, так и на подъём клапана:

• Увеличение диаметра проволоки приведет к увеличению жесткости пружины и, следовательно, давления в седле, но также увеличит высоту тела, ограничивая подъем клапана. Диаметр проволоки возводится в четвертую степень в уравнении жесткости пружины, поэтому давление в седле будет увеличиваться экспоненциально по мере уменьшения подъема клапана.


• Уменьшение количества витков пружины приведет к увеличению жесткости пружины и, соответственно, давления в седле, но при этом уменьшится высота стержня, что позволит клапану подниматься выше. Жесткость активной пружины линейно зависит от скорости, поэтому давление в седле линейно увеличивается с подъемом клапана.

Примечание: все остальные индивидуальные изменения размерных переменных не демонстрируют корреляции. Если вы хотите узнать, как изменятся несколько переменных, задача значительно усложняется, если только у вас нет конкретных цифр для работы.

РЕДАКТИРУЕТСЯ НА ОСНОВЕ КОММЕНТАРИЕВ
Я написал этот ответ с точки зрения конструкции пружины, как если бы вы выбирали пружины для своего двигателя. Согласно комментарию Paulster2, распространённый способ увеличить давление на седло для уже установленных пружин — установить прокладку между кулачком и корпусом пружины. Это увеличит давление на седло на некоторое количество фунтов (коэффициент пружины * высота прокладки), а также уменьшит подъём клапана, так как высота новой установленной пружины будет меньше, что приблизит пружину к её стандартной высоте. Итак, чтобы ещё раз ответить на вопрос: если вы используете прокладку для увеличения давления в седле, то подъём клапана будет линейно уменьшаться по мере увеличения давления в седле. См. пример ниже.

Теоретический пример:
Допустим, у вас есть пружина высотой 1,000 дюйма (без нагрузки) с усилием 100 фунтов на дюйм, а виток пружины упирается в 0,300 дюйма. Сейчас вы устанавливаете пружину на 0,800 дюйма, что соответствует ходу пружины на 0,200 дюйма при усилии 100 фунтов на дюйм, при этом давление в седле составляет 20 фунтов. Это значит, что оставшийся ход от установленной высоты до полной высоты составляет 0,500 дюйма, так что теоретически максимальный подъем клапана составляет 0,499 дюйма.

Теперь предположим, что вы хотите увеличить давление в седле до 30 фунтов. Для этого нужно установить прокладку толщиной 0,100 дюйма где-то между концом пружины и кулачком. Это уменьшит установленную длину пружины до 0,700 дюйма, что даст вам желаемое давление в седле в 30 фунтов, но также уменьшит расстояние между установленной длиной и полной высотой до 0,400 дюйма, в результате чего теоретический максимальный подъём клапана составит 0,399 дюйма.

2) В чём разница между роликовыми и тарельчатыми пружинами клапанов? Понятия не имею. Не понимаю, в чём разница. Я думал, что роликовая пружина обеспечивает более высокое давление в седле, но в идеале давление в седле должно быть как можно ниже, чтобы воздух быстрее проходил через клапан, поэтому я не понимаю, зачем нужны разные пружины. Опять же, я могу ошибаться. Пожалуйста, дайте мне знать, если у вас есть более конкретные вопросы.

3) Каковы недостатки использования более высокого давления в системе, чем требуется?
Как вы упомянули, это потери на трение, которые увеличивают нагрев в и без того жаркой среде. Как вы знаете, при повышении температуры (сверх определённого значения для конкретного материала) жёсткость проволоки на кручение снижается, что может привести к пределу текучести и, безусловно, к снижению давления/скорости срабатывания. С точки зрения пружины, более высокое, чем необходимо, давление срабатывания не даёт никаких преимуществ, но наносит значительный ущерб.

Мы также можем обсудить вес клапанного механизма (и материал пружины), который, как и системы подвески, влияет на то, насколько быстро пружина реагирует на изменения. Независимо от того, открыт клапан или закрыт, центральные витки пружины клапана постоянно двигаются во время работы двигателя из-за веса материала, из которого изготовлена пружина.

Надеюсь, это ответило на некоторые из ваших вопросов. Пожалуйста, дайте мне знать, если я смогу прояснить, дополнить, ответить дополнительно или удалить этот пост!

В основном всё сводится к домашнему заданию. Какое приложение вы используете? Вам нужна лошадиная сила или крутящий момент? Верхний распределительный вал или коромысла? Вы хотите, чтобы они прослужили долго или достаточно долго? Вы покупаете качественные пружины или самые дешёвые и пытаетесь подобрать их все? Ваш распределительный вал рассчитан на более длительный срок службы?

1) Слишком слабая пружина не будет удерживать клапан в закрытом положении. В технических характеристиках двигателя обычно указывается только минимально допустимое значение. В остальном мне придётся обратиться за разъяснениями к кому-то другому.

2) Сжатие пружины. Коромысла обычно используются в двигателях с большим ходом поршня и низкой частотой вращения, им требуется большее сжатие. Они также бывают разных конструкций, например в виде пчелиных сот. В плоских толкателях обычно одна пружина находится внутри другой для большей прочности и во избежание перетяжки пружины из-за избытка материала. Они также могут быть легче.

3) Если у вас многоклапанный газораспределительный механизм (V-образный DOHC), можно сдвинуть или замедлить синхронизацию, так как существует вероятность провисания (физическая синхронизация в отличие от синхронизации зажигания). Натяжение газораспределительного механизма может повлиять на то, как сторона V-образного механизма получает и выпускает воздух. Ещё один момент: качество поверхности клапана, седла клапана и головки клапана. Достаточно ли качественные материалы, чтобы выдержать дополнительное давление? Достаточно ли качественная поверхность или правильно ли вырезано седло?

Если бы я собирал двигатель для Harley и выбрал очень агрессивный распредвал. Я бы начал с поиска рекомендованных пружин. Если у распредвала очень большой подъём, то важнее всего будет подвязка катушки. Затем я бы нашёл лучшую пружину из возможных (с оптимальным соотношением цены и качества, веса, конструкции и ограничений). После этого я бы заказал около 30 пружин для впуска и выпуска и подобрал бы подходящие. То есть все пружины для впуска были бы одинаковой жёсткости и с одинаковой подвязкой катушки, а пружины для выпуска — такими же.