4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1.Sơ đồ nguyên lý chung của hệ thống dẫn động xupap bằng thủy
Với những ưu điểm sẵn có của hệ thống dẫn động xupap bằng thủy lực, việc ứng dụng hệ thống này để dẫn động cho xupap cũng có sơ đồ dẫn động tương tự như các hệ thống dẫn động thủy lực khác bao gồm nguồn thủy lực, cơ cấu chấp hành và van điều khiển.
Hình 3.1 thế hiện sơ đồ nguyên lý chung của hệ thống dẫn động xupap bằng thủy lực điến hình. Đe đảm bảo an toàn cho hệ thống có sử dụng thêm van an toàn và bầu lọc.
Phần nguồn thủy lực bao gồm: bơm dầu, van an toàn, bầu lọc, các đường ống cấp và ống xả.
Xi lanh thủy lực là cơ cấu chấp hành, xi lanh thủy lực có thể là dạng xi lanh tác động hai chiều hoặc tác động một chiều.
? Ì A S
1 7 8 9
Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống dân động xupap bằng thủy lực. I - bơm dâu; 2 - van phân phôi; 3 - van tiêt lưu; 4 - đường ông; 5 — xi lanh
thủy lực; 6 — xupap của động cơ; 7 — thùng chứa; 8 — van an toàn; 9 — bầu lọc
Nguyên lý làm việc của hệ thống như sau: Dầu thủy lực từ bơm dầu 1 dưới áp suất được cấp tới van phân phối 2. Nhờ tín hiệu mở (đóng) xupap, van phân phối sẽ mở đường dầu tới xi lanh thủy lực 5 qua đường ống 4 hoặc mở đường xả dầu từ xi lanh về thùng chứa 7. Đe đảm bảo an toàn cho hệ thống, trong sờ đồ hình 3.1 có sử dụng van an toàn 8 và bầu lọc 9.
Van phân phối có nhiệm vụ điều khiển dòng thủy lực cấp cho xi lanh thủy lực phù hợp với quy luật đóng, mở xupap của động cơ, đồng thời bảo đảm hành trình của xupap cũng như vận tốc đóng, mở chúng. Van phân phối được điều khiển theo kiểu cơ khí thuần túy hoặc điện từ, điện tủ’.
Van phân phối kiểu khóa (trục van xoay) có kết cấu đơn giản và cũng dễ dàng điều khiển theo kiểu cơ khí dẫn động từ trục khuỷu thông qua cặp bánh răng luôn ăn khớp hoàn toàn có thế thay thế trục cam, con đội, cò mố, lò
xo xupap, đồng thời cũng không đòi hỏi nguồn cung cấp điện cho điều khiển. Sơ đồ dẫn động xupap sử dụng van phân phối kiểu khóa được giới thiệu trên hình 3.2.
Hình 3.2. Sơ đô nguyên lý của hệ thông dân động xupap băng thủy lực cỏ sử dụng van phân phôi kiêu khóa.
1 - thùng dâu; 2 — bơm bảnh răng; 3 — xi lanh điều khiên con trượt van phân phôi; 4 - van phân phôi 4/2; 5,6 - xỉ lanh dân động xupap;
7 - van xoay; 8 — bộ giảm tôc; 9 - động cơ dân động van xoay; 10 - áp kế; 1 1 - van an toàn
3.2. Kết cấu của hệ thống dẫn động xupap bằng thủy lực có sử dụng van
phân phối
Hệ thống dẫn động này được thể hiện trên hình 3.2 gồm 2 khối: khối điều khiến con trượt và khối điều khiến xupap của động cơ. Khối điều khiến con trượt gồm 2 van phân phối 7, xi lanh dẫn động con trượt 3. Khối điều khiến xupap gồm hộp con trượt 4, xi lanh dẫn động xupap 5 và 6. Ket cấu của van phân phối điều khiển xi lanh dẫn động con trượt và sơ đồ kết nối được thể hiện trên hình 3.3.
5 6 7 A a b c 1 2 3
Hình 3.3. Sơ đồ kết cẩu của van phân phối và sơ đồ kết nối
A - khoang cẩp; B - khoang xả; a, d - cửa cấp, cửa xả trên trục phân phối; b, e - rãnh cấp, rãnh xả trên ổng lót; c, f - cửa cấp, cửa xả trên thân van;
1 - van phân phôi; 2 — xi lanh dân động con trượt; 3 - hộp con trượt 4/2; 4 — cặp bảnh răng dân động; 5 - thân van phân phối;
6 - ống lót; 7 - trục phân phổi
Van phân phối gồm: thân van 5, trục van 7, óng lót 6. Trục của van được dẫn động từ trục khuỷu của động cơ thông qua cặp bánh răng 4. Trên trục của van có khoan 2 lỗ A và B không thông nhau theo đường tâm, lỗ A có áp suất cao được nối với xi lanh thủy lực, lỗ B nối thông với cửa xả. Các lỗ theo phương hướng kính a, d là các cửa cấp, cửa xả. Trên óng lót có các rãnh dẫn dầu b, e với chiều dài, vị trí phù hợp với quy luật chuyển động của xupap. Dầu thường xuyên được cấp vào khoang A của trục phân phối với một áp suất nhất định.
Khi động cơ làm việc, trục khuỷu quay, trục phân phối quay. Tại thời điểm cửa cấp a trùng vào rãnh cấp b, dầu thủy lực được cấp đến xi lanh dẫn động con trượt qua cửa cấp a rãnh b, cửa cấp c. Dưới tác dụng của áp suất pittong và con trượt dịch chuyển mở đường dầu cấp cho xi lanh mở xupap.
N gay khi lỗ d trùng với rãnh e, khoang trên của xi lanh thủy lực thông với đường xả qua cửa xả f, rãnh e, cửa d, khoang B của trục; áp suất giảm, dưới tác dụng của lò xo hồi vị pittong dịch chuyển theo chiều ngược lại, dầu được xả về thùng và con trượt trở lại vị trí ban đầu, đồng thời dầu trong xi lanh dẫn động xupap xả về thùng qua cửa xả, xupap đóng.
Van của khối điều khiến xi lanh dẫn động xupap là loại van phân phối kiểu con trượt 4 đường. Sơ đồ nguyên lý của van phân phối kiểu con trượt 4 đường được thể hiện trên hình 3.4.
3 4
H ình 3.4. Sơ đổ nguyên lý van phần phoi kiêu con trượt
1 - van câp nguồn; 2, 5 - các cửa xả; 3 , 4 - các cửa cấp tới xỉ lanh thủy lực; 6 - van phân phổi; 7 - con trượt
Phần tử công tác của van phân phối là con trượt 7, nó dịch chuyến theo phương hướng trục trong thân của van phân phối để đóng và mở các lỗ dẫn thoát chất lỏng. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nguyên lý làm việc của van phân phối: chất lỏng công tác từ bơm được đưa vào cửa 1. Tùy thuộc vào vị trí của con trượt 7 chất lỏng công tác sẽ được đưa vào khoang công tác của xi lanh thủy lực 5 (hình 3.2). Cũng tại thời điếm đó, chất lỏng từ xi lanh 6 (hình 3.2) theo cửa 4 thoát về bể chứa.
3.3. Kích thước hình học của rãnh cấp và vị trí bố trí chúng trên ống lót của van phân phối của van phân phối
Với mục đích bảo đảm thời điểm đóng mở xupap (pha phối khí) theo yêu cầu thực tế của động cơ, bảo đảm lưu lượng cần thiết đế điều khiến xi lanh chấp hành và pha phối khí đã có sẵn động cơ, người ta xác định các kích thước hình học của rãnh cấp trên ống lót và sơ đồ bố trí của các cửa cấp, cửa xả này cho phù hợp.
Ký hiệu cp là góc mở sớm của xupap, Ỵ góc đóng muộn của xupap,
a góc mở của xupap theo góc quay trục khuỷu và ta có:
Đe mở xupap hoàn toàn thì trục phân phối cần quay một góc là:
Ị3 - góc quay của cửa cấp trên trục phân phối; Dt - đường kính ngoài của trục phân phối; d - đường kính của lỗ cấp trên trục phân phối. Sơ đồ tính toán góc quay của cửa cấp trên trục phân phối được thể hiện qua hình 3.5.
Dh
Hình 3.5. Sơ đồ tính toán góc quay của cửa cấp trên trục phân phổi
Ký hiệu L là chiều dài cung của rãnh cấp trên ống lót, chiều dài của rãnh cấp được tính bằng biểu thức sau:
L = [m].
360
Đe giảm cản trở thủy động tại rãnh cấp người ta chọn hình dạng của rãnh cấp hình ô van như trên hình 3.6.
d/2
Hình 3.6. Hình dáng của rãnh cấp trên van phân phổi
Trên cơ sở đồ thị pha phối khí của động cơ, người ta xác định được vị trí bố trí cửa cấp và cửa xả trên ống lót như hình 3.7.
Hành
trình xupap
Hình 3.7. Sơ đồ bố trí các cửa xả, cửa cấp trên ống lót 1, 1 ’ Cửa nạp và cửa xả của xi lanh dân động xupap xả; 2, 2 ’ Cửa nạp và cửa xả của x i lanh dân động xupap nạp
3.4. Quy luật cấp chất lồng cho xỉ lanh dẫn động xupap
Quy luật cấp chất lỏng công tác cho xi lanh thủy lực được đặc trưng bởi quy luật biến thiên của diện tích trùng khớp lỗ cấp trên trục phân phối và rãnh cấp trên ống lót. Sơ đồ tính toán thể hiện trên hình 3.8.
B YẠ
(a) (b) (c)
Hình 3.8. Sơ đồ tính toán sự biến thiên diện tích cửa câp chât lỏng công tác điểu khiên xupap.
(a ) - khi bẳt đâug m ở cửa cấp; (b) - khi cửa cấp mở hoàn toàn; (b) (c) - khi đóng cửa cấp
Đe giảm thiểu tổn thất lưu lượng qua cửa cấp thì người ta chọn bề rộng của rãnh cấp trên ống lót bằng đường kính của cửa cấp trên trục phân phối, diện tích trùng khớp của cửa cấp và rãnh cấp được xác định bằng:
F (t) = S [ , r 2 r - — +K 2 a r c s in --- 1( V.Í{ 2 . r 2 v.t.r 1 U i v.t 2.1' khi0 < t <2 r s\,=n.rm— 2 r + aV sl = 2.r 71 . vt - 2r - a — - arcsin --- 2 2 r vt - 2r - a ( vt - 2r - a ^ 2 r 2 r 32
3.5. Phương trình toán học mô tả chuyến động của xupap dẫn động bằng thủy lực
3.5.1. Phương trình mô tả chuyến động của con trượt
Hình 3.9. Mô hình tính toán quy luật chuyên động của con trượt 1 - x y lanh thủy lực; 2 -p itto n g ; 3 - lò xo hồi vị của pittong; 4- hộp van phân phôi; 5 - con trượt; 6 - l ò xo hôi vị của con trượt (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Sơ đồ tính toán quy luật chuyến động của con trượt được thế hiện trên hình 3.9.
Lực do áp suất chất lỏng tác dụng lên pittong sẽ cân bằng với lực quán tính, lực lò xo, lực ma sát tác dụng lên con trượt. Phương trình cân bằng lực cho pittong dẫn động con trượt được xác định bằng:
Trong đó:
M dỉ" khối lượng chuyển động của pittong, con trượt và lò xo quy dẫn về đường tâm pittong dẫn động con trượt, [kg].
y - chuyển dịch của pittong dẫn động con trượt, [m].
s - diện tích tiết diện ngang ủa pittong dẫn động con trượt, []fi2]. p - áp suất chất lỏng công tác trong xi lanh, [Pa].
ỵrb - hệ số cản nhớt, [N/(m/s)].
f - hệ số ma sát giữa pittong và xi lanh, [N/(m/s)].
Jtns
- hệ số độ cứng của lò xo hồi vị, [N/m].
Biến thiên áp suất trong xi lanh dẫn động con trượt:
d p 1 = _______________________________________________________
d t = |-< r„ + S.JV
(2)
Trong đó:
JU - hệ số lưu lượng của van phân phối. F (t) - diện tích cửa van phân phối, [ffỊ2 ].
p - áp suất chất lỏng trước van phân phối, [Pa].
kv = —(Ị/ + s y ) - hê số đàn hồi thể tích của chất lỏng công tác, [ m 3/Pa].
E 0 1
V() - thế tích ban đầu của khoang trong xi lanh tại thời điếm xupap đóng,
l m ' l
F (t) - biến thiên diện tích cửa cấp theo thời gian, [ щ 2].
Lưu lượng chất lỏng công tác cấp cho van phân phối:
Q«=MF(l>Jỹp - p j +kọ-p (3)
Trog đó:
Áp suất bơm: p = p + ầp; Ap- tổng tổn thất áp suất trong đường ống, [Ра].
AP = А"“ p + A '10 p + а “1 p
2
Ạ ja" p = pẲ— - tổn thất áp suất của van, [Ра]; я - hệ số tổn thất của van
2 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
A d0p = p ệ —— - tổn thất áp suất trên đường ống, [Pa]; ặ - hê số tổn thất trên
d 2
đường ống.
д "'p - tổn thất áp suất của chất lỏng do quán tính; [Ра].
3.5.2. Phương trình mô tả chuyển động của xupap dẫn động bằng thủy lực lực
Sơ đồ tính toán quy luật chuyến động của xupap được thế hiện trên hình 3.10.
Vị trí XP đóng xi lanh TL pittong fri_ - - - у и L | - I ■ I F ỉuv > / 'Uxo ỳ 0
H ình 3.10. Mô hình tỉnh toán quy luật chuyến động của xupap dân động băng thủy lực
Phương trình cân bằng lực cho pittong dẫn động xupap
M ,J2- 1 + / с „ ^ + + /сЬ2■<>’„+ y 2>+ F t, = s . p 2 (4)
Trong đó:
M - khối lượng chuyển động của pittong, xupap, lò xo, móng hãm, đĩa đệm quy dẫn về pittong, [kg].
p kx - lực khí xả tác dụng lên xupap, [N].
у ^ - dịch chuyển của pittong, chuyển vị của xupap,[m].
s - diện tích tiết diện ngang của pittong, [ffị2].
y - chiều cao nén sơ bộ của lò xo, [m].
* 0
k - hệ số độ cứng của lò xo, [N/m].
p - áp suất của chất lỏng công tác trong xi lanh, [Pa].
Biến thiên áp suất trong xi lanh dẫn động xupap:
dt ụ Về+Sy) (5)
Trong đó:
Ị^l - hệ số lưu lượng của van trượt.
d - đường kính công tác của con trượt, [m].
p - áp suất chất lỏng trước van phân phối, [Pa].
p -áp suất trong đường ống trươc xi lanh dẫn động xupap, [Pa].
' do 2
Trong đó: Q - lưu lượng chất lỏng cấp cho van trượt, [f l ỉ /s].
E - mô đun đàn hồi của chất lỏng, [N /^22 ].
Lưu lượng chất lỏng công tác cấp cho van trượt: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hệ phương trình mô tả hệ thống dẫn động xupap bằng thủy lực bao gồm hệ các phương trình (1), (2), (3), (4), (5), (6) với các biến số yi(t), y2(t),
P i(t), p 2(t), Pdoi, Pdo2*
3.6. Kết quả khảo sát mô hình toán học dẫn động xupap bằng thủy lực 3.6.1. Áp suất nguồn nuôi không đổi, tốc độ trục phân phối thay đổi
Khảo sát chuyển vị của xupap và áp suất trong xi lanh dẫn động xupap thay đổi góc quay trục khuỷu, áp suất nguồn nuôi 2.0 Mpa với các chế độ tốc độ n = 600, 700, 800 vg/phút cho thấy ảnh hưởng của các thông số đễn các giá trị cực đại của chuyển dịch , vận tốc, áp suất trong xi lanh thủy lực được thê hiện trong bảng 3.1
Bảng 3.1: Anh hưởng của tốc độ trục phân phổi đến cúc giá trị cực đại của chuyến dịch, vận tốc, áp suất trong xy lanh thủy lực
n (vg/ph)
2.5Mpa 2.0MPa 1.5Mpa
Chuycn vị max (mm) Vận tôc max (mm) Ap suât max (Mpa) Chuycn vị max (mm) Vận tôc max (mm) Ap suât max (Mpa) Chuycn vị max (mm) Vận tôc max (mm) Apsuât max (Mpa) 500 11,1789 435,0292 2,4328 8,7286 364,1478 1,98834 6,1534 278,7715 1,4812 600 10,7835 456,4702 2,3682 8,6117 381,925 1,96885 6,1527 290,4665 1,4808 700 10,1169 470,4175 2,2536 8,2346 391,9276 1,90735 6,0196 295,8525 1,45936 800 9,3655 478,6156 2,1208 7,689 397,0625 1,81088 5,6991 298,2361 1,40700 39
Kết quả khảo sát trong bảng 3.1 cho ta thấy khi tăng tốc độ trục phân phối với áp suất nguồn nuôi nhất định thì giá trị chuyển vị lớn nhất (hành trình) xupap và áp suất trong xi lanh dẫn động xupap giảm. Ví dụ với áp suất nguồn 2.0Mpa, khi tăng tốc độ phân phối tù’ 500 lên 800 vg/phút thì hành trình của xupap giảm từ 8,73mm xuống 7,69mm tức là giảm 11,91%. Với áp suất càng nhỏ thì thời gian suy giảm cũng càng thấp bởi khi tăng tốc độ trục phân phối, cản trở thủy động của hệ thống tăng lên, do đó lưu lượng cấp cho xi lanh dẫn động xupap giảm. Tuy nhiên khi tăng áp suất nguồn nuôi của hệ thống thì hạn chế trên lại được cải thiện đáng kể, ví dụ tại 600vg/phút khi tăng áp suất từ 1.5Mpa lên 2.5Mpa hành trình xupap tăng tù’ 6.15mm lên 10.78 mm tức là tăng 42.95%. Tốc độ càng cao thì sự gia tăng hành trình theo % khi tăng áp suất sẽ càng giảm. Bằng cách khảo sát mô hình của hệ thống dẫn động thì sẽ lựa chọn được giải áp suất nguồn nuôi phù họp cho hệ thống dẫn động xupap tương ứng với tốc độ động cơ.
3.6.2. Tốc độ trục phân phối không đổi, áp suất nguồn nuôi thay đổi
Khảo sát chuyển vị của xupap và áp suất trong xi lanh dẫn động xupap theo góc quay trục khuỷu, áp suất nguồn nuôi l.OMPa, 1.5Mpa, 2.0Mpa, 2.5MPa và tốc độ trục phân phối 800vg/phút cho ta thấy ảnh hưởng của áp suất nguồn nuôi đến chuyến vị của xupap là một cơ sở quan trọng giúp cho việc lựa chọn dải áp suất phù hợp trong quá trình thiết kế hệ thống dân động bằng thủy lực cho xupap trên động cơ. Bảng 3.2 trình bày ảnh hưởng của áp suất nguồn đến các giá trị cực đại của chuyển vị, vận tốc, áp suất trong xi lanh thủy lực.
Bang 3.2. Anh hưởng của úp suất nguồn đến các giá trị cực đại