CS202141B1

CS202141B1 - Multielement cam with continuous course acceleration

Info

Publication number: CS202141B1
Application number: CS100776A
Authority: CS
Inventors: Bohumil Fiala
Original assignee: Bohumil Fiala
Priority date: 1976-02-17
Filing date: 1976-02-17
Publication date: 1980-12-31

Description

Vynález se týká vačky víceprvková se spojitým průběhem zrychlení určené zejména pro rozvod spalovacích motorů a jiných mechanismů.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a multi-element cam with a continuous acceleration course intended especially for the distribution of internal combustion engines and other mechanisms.

Při návrhu vaček je nutno splnit požadavky na průběh zdvihu a průběh první, druhé, případně třetí derivace zdvihu, které určují rychlost, zrychlení a změnu zrychlení mechanismu. Z hlediska dynamiky mechanismu je nej důležitější průběh zrychlení, zejména maximální a minimální velikost zrychlení a maximální velikost změny zrychlením. Z hlediska funkce spalovacího motoru je důležitá plnost zdvihové křivky ventilu. Z hlediska mechanického namáhání kluzných ploch vačky a zdvíhátka respektive vahadla a z výrobních důvodů je důležitý min. a max. poloměr křivosti vačky. Jsou známy vačky, jejichž tvar je určen polynomem vyššího stupně. U nich však nelze současně dosáhnout dostatečné plnosti a přiměřené velikosti kladného i záporného zrychlení. Dále jsou známy vačky, jejichž tvar je složen z oblouků. Průběh zrychlení je v tomto případě silně nespojitý, což je nepřijatelné z hlediska dynamiky mechanismu. Další známé řešení jsou vačky, jejichž zdvihová křivka je sestavena z jednotlivých spojitých úseků. Tyto vačky však nejsou z hlediska dynamiky mechanismu příliš vhodné, jelikož třetí derivace zdvihu je již nespojitá. U některých z nich je navíc omezena plnost zdvihové křivky. Dále jsou známy vačky, jejichž křivka zrychlení je tvořena trigonometrickou Fourierovou řadou a parabolou. Tyto vačky mají spojitou i třetí derivaci zdvihu a umožňují dosažení plnosti, ale volba průběhu zrychlení neposkytuje dostatek volnosti. Kromě toho je spojitost třetí derivace zdvihu v oblasti připojení náběhu závislá na použití zvláštního tvaru náběhu.When designing cams, it is necessary to meet the requirements for stroke and the first, second or third stroke derivatives, which determine the speed, acceleration and change of acceleration of the mechanism. From the point of view of the dynamics of the mechanism, the most important is the course of acceleration, especially the maximum and minimum magnitude of the acceleration and the maximum magnitude of the change in acceleration. The fullness of the valve lift curve is important for the internal combustion engine function. From the point of view of mechanical stress on the sliding surfaces of the cam and the lifting device or the rocker arm and for production reasons, min. and max cam radius. Cams are known whose shape is determined by a polynomial of a higher degree. However, they cannot simultaneously achieve sufficient fullness and adequate magnitude of both positive and negative acceleration. Cams whose shape is composed of arcs are also known. The acceleration pattern in this case is strongly discontinuous, which is unacceptable in terms of mechanism dynamics. Another known solution is cams whose stroke curve is composed of individual continuous sections. However, these cams are not very suitable in terms of mechanism dynamics since the third stroke derivative is discontinuous. In some of them, the fullness of the stroke curve is limited. Cams whose acceleration curve consists of a trigonometric Fourier series and a dish are also known. These cams have a continuous and a third stroke derivative and allow fullness to be achieved, but the choice of acceleration course does not provide enough freedom. In addition, the continuity of the third stroke derivative in the region of the inlet connection is dependent on the use of a particular inlet shape.

Shora uvedené nevýhody odstraňuje vačka víceprvková se spojitým průběhem zrychlení dle vynálezu, jejíž podstata spočívá v tom, že její zdvihová křivka má v prvním úseku tvar části sinusovky, přičemž v dalších úsecích je složena z paraboly třetího stupně a sinusovky vyjádřené rovnicí typu h = y + a (φ — x)³ + b (tp — x)³ + c (φ — x) + d sin e (φ — x), kde e (φ — x) leží v intervalu od 0 do π, x y, a, b, c, d, e jsou konstanty a φ je úhel otočení vačky, přičemž konstanta x vyjadřuje úhlovou polohu počátku úseku od vrcholu vačky.The above-mentioned disadvantages are eliminated by the multi-element cam with continuous acceleration according to the invention, which is characterized by the fact that its stroke curve has the shape of a part of the sine wave in the first section. a (φ - x) ³ + b (tp - x) ³ + c (φ - x) + d sin e (φ - x), where e (φ - x) lies between 0 and π, xy, and , b, c, d, e are constants and φ is the cam rotation angle, with the constant x expressing the angular position of the start of the section from the top of the cam.

Toto řešení umožňuje libovolně měnit a volit všechny důležité paramery zdvihové křivky ventilu jako max. a min. hodnoty druhé derivace a velikosti třetí derivace zdvihu. Přitom je splněn požadavek spojitosti i třetí derivace zdvihu. Čtvrtá derivace zdvihu je rovněž spojitá až na malou nespojitost ve spojení prvého a druhého úseku. Podle potřeby je možné dosáhnout velké plnosti nebo nízkých hodnot třetí derivace zdvihu pro hladký chod mechanismu. Tvar zdvihové křivky v prvém úseku tvořený částí sinusovky umožňuje dosažení přesného souladu setrvačných sil mechanismu se silou vratné pružiny. Funkce použitá pro tvarování zdvihové křivky v ostatních úsecích umožňuje volbou konstant velmi přehledně a s velkou volností tvarovat zejména druhou derivaci zdvihové křivky, přičemž je vždy zaručena spojitost až do čtvrté derivace zdvihu. Náběh — devátý až třináctý úsek — dovoluje výpočetním postupem stejným jako ve zdvihové části dosáhnout spojitosti až čtvrté derivace zdvihu, což má význam hlavně při výrobě vaček na brousících strojích, kde takto navržený náběh zabrání rozvibrování stroje a tím zhotovení špatné vačky.This solution enables to change and select all important parameters of the valve stroke curve as max. And min. the value of the second derivative and the magnitude of the third derivative of the stroke. The requirement of continuity and the third stroke derivative is fulfilled. The fourth stroke derivative is also continuous except for a small discontinuity in the connection of the first and second sections. If desired, it is possible to achieve high fullness or low values of the third stroke derivative for smooth operation of the mechanism. The shape of the stroke curve in the first section formed by a portion of the sine wave allows accurate alignment of the inertia forces of the mechanism with the force of the return spring. The function used for shaping the stroke curve in the other sections makes it possible, in particular, to select the second derivative of the stroke curve very clearly and with great freedom by selecting constants, always ensuring continuity up to the fourth stroke derivative. The haunch - the ninth to the thirteenth sections - allows the calculation of the same as in the lift part to achieve a continuity of up to the fourth stroke derivation, which is important mainly in the production of cams on grinding machines.

Na přiloženém vyobrazení jsou znázorněny příklady, tvarování vzestupné i sestupné části zdvihové křivky vačky dle vynálezu. Na obr. 1 je znázorněna sestupná část zdvihové křivky složené z max. počtu třinácti úseků. Na vodorovné ose je ve všech obrázcích vynesen úhel otočení vačky φ. Na obr. 2 je znázorněna derivace (rychlost) zdvihové křivky podle úhlu otočení vačky φ z obr. 1. Na obr. 3 je znázorněna druhá derivace (zrychlení) zdvihové křivky z obr. 1. Na obr. 4 je znázorněna vzestupná část zdvihové křivky složené jen z některých úseků, v tomto případě z devíti. Na obr. 5 je znázorněna derivace (rychlost) zdvihové křivky z obr. 4 a na obr. 6 druhá derivace (zrychlení) zdvihové křivky z obr. 4.The attached figure shows examples of shaping the ascending and descending parts of the cam curve of the invention. Figure 1 shows the descending part of the stroke curve consisting of a maximum of thirteen sections. The cam axis φ is plotted on the horizontal axis in all figures. Figure 2 shows the derivative (velocity) of the lift curve according to the cam rotation angle φ of Figure 1. Figure 3 shows the second derivative (acceleration) of the lift curve of Figure 1. Figure 4 shows the ascending part of the lift curve composed of only some sections, in this case nine. Figure 5 shows the derivative (velocity) of the stroke curve of Figure 4 and Figure 6 shows a second derivative (acceleration) of the stroke curve of Figure 4.

Povrchová plocha vačky je vytvořena tak, že jí určená zdvihová křivka se skládá ze vzestupné a sestupné části. Vzestupnou částí se rozumí ta část zdvihové křivky, na níž zdvih ve zvoleném smyslu pohybu — na vyobrazení zleva do prava — roste, a sestupnou částí se rozumí ta část zdvihové křivky, na níž zdvih ve zvoleném smyslu pohybu klesá. Na obrázku 1 je znázorněna sestupná část zdvihové křivky, složená z max. počtu třinácti úseků A, B, €, D, E, F, G, Η, I, J, K, L, M. Vytvoření zdvihové křivky je nejlépe patrno na její druhé derivaci, která je na obrázku 3. Úseky A, B, C, D, E, F, G, H vytváří tzv. zdvihovou část vačky a úseky I, J, K, L, M tzv. náběh. V prvém úseku A je druhá derivace zdvihové křivky tvořena částí sinusovky a má zápornou hodnotu. Setrvačné síly ve vačkovém mechanismu (např. v rozvodu spalovacího motoru) vyvolané zápornou druhou derivací zdvihové křivky, jsou překonávány pružinou. Volbou konstant u sinusové funkce (např. tvaru h” = k sin 1 (99 + m), kde k, 1, m jsou konstanty) lze dosáhnout souladu setrvačných sil s druhou derivací zdvihové křivky. Druhý úsek B tvoří plynulý přechod ze záporné části druhé derivace zdvihové křivky (prvý úsek A) do kladné části druhé derivace zdvihové křivky tvořené úseky C, D, E, F, G. H. Devátý úsek I tvoří náběhovou část — ve vyobrazeném případě je v něm druhá derivace zdvihové křivky nulová a tedy první derivace zdvihové křivky (rychlost) je konstantní, což se často používá u vaček v rozvodu spalovacích motorů. Úseky J, K, L, M tvoří plynulý počátek náběhu. Druhá derivace zdvihové křivky v nich nabývá kladných hodnot.The cam surface is formed such that the stroke curve it determines consists of an ascending and descending part. Ascending part is the part of the stroke curve on which the stroke in the selected sense of movement - as shown from left to right - increases, and the descending part is the part of the stroke curve on which the stroke decreases in the selected sense of movement. Figure 1 shows the descending part of the stroke curve, consisting of a maximum of thirteen sections A, B, €, D, E, F, G, Η, I, J, K, L, M. its second derivative, which is shown in Figure 3. The sections A, B, C, D, E, F, G, H form the so-called stroke portion of the cam and the sections I, J, K, L, M so-called run. In the first section A, the second derivative of the stroke curve is formed by a part of the sine wave and has a negative value. The inertia forces in the cam mechanism (eg in the internal combustion engine) caused by a negative second derivative of the stroke curve are overcome by a spring. By choosing the constants of the sine function (eg of the form h ”= k sin 1 (99 + m), where k, 1, m are constants) the inertia forces can be reconciled with the second derivative of the stroke curve. The second section B forms a smooth transition from the negative part of the second derivative of the stroke curve (the first section A) to the positive part of the second derivative of the stroke curve formed by the sections C, D, E, F, GH the derivative of the stroke curve is zero, and hence the first derivative of the stroke curve (speed) is constant, which is often used in cams in internal combustion engines. The sections J, K, L, M form a smooth start of the rise. The second derivative of the stroke curve is positive.

Tím, že zdvihová křivka v úsecích B, C, D, E, F, G, Η, I, J, K, L, M je složena z paraboly třetího stupně a sinusovky vyjádřená rovnicí typu h = y + a (φ — x)³ + b (φ — x)² + c (φ — x) + d sin e (5» — x), kde e (φ — x) leží v intervale od 0 do π, x, y, a, b, c, d, e jsou konstanty a φ je úhel otočení vačky, přičemž konstanta x vyjadřuje úhlovou polohu počátku úseku A, B, C, D, E, F, G, Η, I, 3, K, L, M, od vrcholu vačky, je umožněno dosažení spojitosti až čtvrté derivace zdvihové křivky na rozhraní úseků A, B, C, D, E, F, G, Η, I, J, K, L, M. Na rozhraní úseků A, B je dosaženo spojitosti až třetí derivace zdvihové křivky a nespojitost čtvrté derivace je velmi malá, neboť hodnota čtvrté derivace zdvihové křivky je v celém prvém úseku A velmi malá a na začátku druhého úseku B je nulová. Volbou konstant můžeme získat vhodné křivky pro tvarování druhé derivace zdvihu. Lze takto získat buď sinusovku nebo přímku, případně kombinaci. Šířka úseku A, B, C, D, E, F, G, Η, I, J, K, L, M, závisí na požadavcích na tvarování zdvihové křivky, respektive její druhé derivace, přičemž nemusí být vždy využito maximálního počtu úseků A, B, C, D, E, F, G, Η, I, J, K, L, M, neboť některé lze vypustit, nebo volit jejich šířku nulovou. Příklad je na obrázku 4, 5, 6. Je zde zakreslena vzestupná část zdvihové křivky ventilu a její první a druhá derivace. Vypuštěny jsou úseky E, F, G, L.In that the stroke curve in the sections B, C, D, E, F, G, Η, I, J, K, L, M is composed of a third degree dish and a sine wave expressed by the equation of the type h = y + a (φ - x ) ³ + b (h - x) ² + c (h - x) + d sin e (5 »- x), where e (h - x) lies in the range from 0 to π, x, y, a, b , c, d, e are constants and φ is the cam rotation angle, with the constant x expressing the angular position of the beginning of the section A, B, C, D, E, F, G, Η, I, 3, K, L, M the cam peak, it is possible to achieve continuity up to the fourth derivative of the stroke curve at the interface of sections A, B, C, D, E, F, G, Η, I, J, K, L, M. The third derivative of the stroke curve and the discontinuity of the fourth derivative are very small, since the value of the fourth derivative of the stroke curve is very small throughout the first section A and is zero at the beginning of the second section B. By selecting constants we can obtain suitable curves for shaping the second stroke derivative. Either a sine wave or a straight line or a combination can be obtained. The width of the sections A, B, C, D, E, F, G, Η, I, J, K, L, M depends on the requirements for shaping the stroke curve or its second derivative, and the maximum number of A sections may not be used , B, C, D, E, F, G, Η, I, J, K, L, M, since some can be omitted or their width can be zero. An example is shown in Figures 4, 5, 6. The upward portion of the valve stroke curve and its first and second derivatives are plotted. Sections E, F, G, L are omitted.

Podle potřeby je možno takto vytvořit vačku s velkou plností nebo velmi plynulou či jakýkoliv kompromis, přičemž je vždy zajištěna plynulost a spojitost. Tvarování vačky dle vynálezu je určeno především pro rozvod spalovacích motorů, ale je možné využít i v jiných vačkových mechanismech.If desired, a cam with a high fullness or a very smooth or any kind of compromise can be created, while always ensuring continuity and continuity. The shaping of the cam according to the invention is intended primarily for the distribution of internal combustion engines, but can also be used in other cam mechanisms.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

A multi-element cam with continuous acceleration, the cam curve of which defines the cam shape consists of an ascending and descending part consisting of sections connected to each other such that at the coupling points of two adjacent sections the stroke curve has the same stroke and its first, second and third derivative, characterized in that the stroke curve has the shape of a part of a sinusoid in the first section (A), while in other sections (B, D, C, E, F, G, Η, I, J, K, L, M,) composed of the third degree dish and sine wave, expressed by the equation of the type h - y + a (φ - x) ³ + b (99 - x) ² + c (φ - x) + d sin e (φ - x), where e ( 59 - x) lies in the range from 0 to π, x, y, a, b, c, d, e are constants and φ is the cam rotation angle, with constant (x) representing the angular position of the beginning of the section (A, B, C , D, E, F, G, I, J, K, L, M) from the top of the cam.