CS202149B1

CS202149B1 - Valve spring

Info

Publication number: CS202149B1
Application number: CS731876A
Authority: CS
Inventors: Frantisek Fidrmuc
Original assignee: Frantisek Fidrmuc
Priority date: 1976-11-12
Filing date: 1976-11-12
Publication date: 1980-12-31

Description

Vynález se týká ventilové pružiny spalovacích motorů, zejména potom motorů s torzně měkkým klikovým a vačkovým hřídelem.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to valve springs for internal combustion engines, and more particularly to torsion-soft crankshaft and camshaft engines.

Dosud známé ventilové pružiny se navrhují tak, že mají buď nízkou schopnost tlumení a při stanovení průměru vychází se z vysokých hodnot vlastní frekvence kmitání, nebo se navrhují s nízkou vlastní frekvencí a s poměrně vysokým vnitřním tlumením.The prior art valve springs are designed to have either a low damping capability and are based on high natural vibration frequency values when determining the diameter, or are designed with a low natural frequency and relatively high internal damping.

Nevýhodou uvedených ventilových pružin s vysokou vlastní frekvencí je značné zvýšení přídavného namáhání, které roste s druhou mocninou vlastní frekvence. U ventilových pružin s nízkou vlastní frekvencí dochází k rozkmitání pružiny vlivem nízkých složek harmonického rozvoje zdvihové křivky ventilu, které mají veliké hodnoty amplitud. Návrh pružiny s vysokou vlastní frekvencí a vysokým tlumením, která by byla vhodná pro všechny druhy vačkových hřídelů není prakticky možný, neboť neúměrně roste maximální namáhání i rozkmit pomáhání při zdvihu ventilů. Pružiny s nízkou vlastní frekvencí a nízkým tlumením jsou pro moderní vysokootáčkové motory zcela nevhodné.A disadvantage of said high-frequency valve springs is the considerable increase in additional stresses that increase with the square of the natural frequency. For low-frequency valve springs, the spring oscillates due to the low harmonic components of the valve lift curve, which have large amplitude values. The design of a spring with a high natural frequency and a high damping that would be suitable for all types of camshafts is not practically possible, as the maximum stress and the amplitude of the valve lift assistance increase disproportionately. Springs with low natural frequency and low damping are completely unsuitable for modern high-speed engines.

Výše uvedené nedostatky jsou odstraněny ventilovou pružinou podle vynálezu s průměrem drátu úměrným vlastní frekvenci, počtu činných závitů a druhé mocnině středního průměru vinutí, přičemž podstata spočívá v tom, že velikost její vlastní frekvence je rovna součinu otáček vačky, odpovídajících maximálním otáčkám motoru a 0,95 -e 1,05 násobku nejblíže vyšší harmonické složky Fourierova rozvoje zdvihové křivky ventilu, ležící vpravo od bodu A,; ve kterém se podruhé mění smysl kmitání hormonických a její délka má při maximálním zdvihu ventilu velikost τ · λ , j. \ -l ⁴⁵ * 75 , >The above drawbacks are overcome by a valve spring according to the invention having a wire diameter proportional to the natural frequency, the number of active turns and the square of the mean winding diameter, wherein its natural frequency is equal to the product of the cam speed corresponding to the maximum engine speed. 95e-1.05 times the nearest higher harmonic component of the Fourier valve lift curve to the right of point A; in which the sense of hormonal oscillation changes for a second time and its length at the maximum valve lift is τ · λ, j. \ -l ⁴⁵ * 75,>

L mm = d . (n + n_z) + —--(mm).L mm = d. (n + n _z ) + - (mm).

JJ. nJJ. n

Použitím ventilové pružiny podle vynálezu zajistí se minimální velikost složek harmonického rozvoje zdvihové křivky ventilu rozkmitávajících pružinu, minimálně potřebná velikost vlastní frekvence kmitání pružiny a tím velmi klidný chod ventilových pružin i celého rozvodu až do nej vyšších otáček motoru. Zvýší se tak životnost pružin i rozvodu, sníží se pokles síly na pružině během provozu a odstraní se nebezpečí praskání pružin i při použití méně jakostních pružinových materiálů.By using the valve spring according to the invention, the minimum size of the components of the harmonic development of the spring-stroke valve curve, the minimum required natural spring vibration frequency and thus the very smooth operation of the valve springs and the entire manifold up to the highest engine speed are ensured. This will increase the life of the springs and the timing, reduce the spring force during operation, and eliminate the risk of spring breakage even when using less-quality spring materials.

Na připojených výkresech znázorňuje obr. 1 ventilovou pružinu ve volném stavu, obr. 2 znázorňuje charakteristiku pružiny, obr. 3 znázorňuje závislost velikosti složek harmonického rozvoje zdvihové křivky ventilu na úhlu otevření ventilu, obr. 4 znázorňuje závislost velikosti složek harmonického rozvoje zdvihové křivky ventilu na plnosti zdvihové křivky.Fig. 1 shows the valve spring in the free state, Fig. 2 shows the spring characteristic, Fig. 3 shows the dependence of the magnitude of the harmonic development components of the valve lift curve on the valve opening angle, Fig. 4 shows the dependence of the magnitude of the harmonic development components of the valve lift curve fullness of the stroke curve.

Průzkumem mnoha zdvihových křivek ventilů byla zjištěna závislost velikosti složek c_k harmonického rozvoje na úhlu otevření TH ventilu a na plnosti zdvihové křivky PL ventilu (viz obr. 3 a 4). Z obr. 3 je patrno, že s větším úhlem otevření TH ventilu se složky harmonického rozvoje posouvají doleva a bod A, který je rozhodující pro optimální návrh ventilové pružiny se rovněž posouvá směrem k nižším harmonickým. Z obr. 4 je obdobně vidět, že s vyšší plností zdvihové křivky PL se bod A rovněž posouvá doleva. Při návrhu ventilové pružiny postupujeme tím způsobem, že zdvihovou křivku pro požadované otevření ventilu rozvineme do Fourierovy řady a sestrojíme diagram závislosti velikosti složek harmonického rozvoje a úhlu otevření ventilu. Z diagramu obdržíme důležitý bod A, který leží na nodélné souřadnicové ose x v místě, kde se podruhé mění smysl kmitání harmonických složek. Optimální návrh ventilové pružiny spočívá v tom, že se její vlastní frekvence volí tak, aby se v oblasti maximálních otáček motoru uplatňovaly na jejím rozkmitání harmonické složky blízké bodu A.Examination of many valve stroke curves revealed the dependence of the size of the components c _{on the} harmonic development on the opening angle of the TH valve and on the fullness of the valve stroke curve PL (see Figures 3 and 4). It can be seen from Fig. 3 that with a larger opening angle of the TH valve, the components of the harmonic development shift to the left and the point A, which is crucial for the optimal design of the valve spring, also moves towards the lower harmonics. Similarly, it can be seen from FIG. 4 that with the fullness of the PL curve, point A also moves to the left. When designing the valve spring, proceed by expanding the stroke curve for the required valve opening into a Fourier series and constructing a diagram of the magnitude of the harmonic components and the valve opening angle. From the diagram we get an important point A, which lies on the longitudinal coordinate axis x at the place where the sense of oscillation of the harmonic components changes for the second time. The optimum design of the valve spring is that its natural frequency is selected so that the harmonic component close to point A is applied to its oscillation in the region of the maximum engine speed.

Například Fourierův rozvoj zdvihové křivky pro otevření ventilu 240° protíná podruhé podélnou souřadnicovou osu x v bodě A, který leží mezi 9. a 10. harmonickou. Maximálním otáčkám motoru n_max = 5200 1/min. odpovídají vzhledem k převodu mezi klikovým a vačkovým hřídelem poloviční otáčky vačky, to znamená n_va6 = 2600 1/min.For example, the Fourier expansion of the stroke curve for valve opening 240 ° intersects the longitudinal coordinate axis x at the second point A, which lies between the 9th and 10th harmonic. Maximum engine speed n _max = 5200 rpm. they correspond to half the cam speed, i.e. n _va6 = 2600 rpm, due to the transmission between the crankshaft and the camshaft.

Optimální vlastní frekvence f_p pružiny má ležet podle předmětu vynálezu v rozmezí:According to the present invention, the optimal natural frequency f _{p of the} spring should be in the range of:

f_p = (0,95 + 1,05) . kio . ~~ ⁼ (°>⁹⁵ * V⁰⁵) · ¹⁰ = ⁴¹² * ^{455 Hz}>f _p = (0.95 + 1.05). kio. ~~ ⁼ (°> ⁹⁵ * May ⁰⁵ ) · ¹⁰ = ⁴¹² * ^{455 Hz} >

oU oU kde k je řád kmitání n_vač je maximální otáčky vačky [1/min].OU OU where k is the order of vibration n _Vac is the maximum speed cam [1 / min].

Stanovení rozměrů pružiny provede se podle známého vzorce pro výpočet vlastní frekvence f_p pružiny v závislosti na průměru drátu d, středním průměru vinutí D a počtu činných závitů n:The spring dimensions are determined according to the known formula for the calculation of the natural frequency f _{p of the} spring depending on the wire diameter d, the mean winding diameter D and the number of active coils n:

“ ³’⁶ ' nťír~^(Hz)'“ ³ ' ⁶ ' ni ~ ^(Hz) '

Z tohoto vztahu lze volbou veličin, které jsou dány zástavbou pružiny v hlavě válců, to je středního průměru vinutí D a počtu činných závitů n, stanovit průměr drátu d pružiny, který má velikost:From this relation, by selecting the quantities given by the spring installation in the cylinder head, i.e. the mean winding diameter D and the number of active coils n, the diameter of the spring wire d can be determined as follows:

J _f ⁿ · °² Z X ^d ' ^f' Sfi.To» kde d je průměr drátu pružiny (mm), f_p je vlastní frekvence pružiny (Hz), n je počet činných závitů,J · _f ⁿ ° ² ZX ^d ^'f' Sfi.To »where d is the diameter of the spring wire (mm), f _p is the natural frequency of the spring (Hz), n is the number of active coils,

D je střední průměr vinutí pružiny (mm).D is the mean diameter of the spring coil (mm).

Výhodou takto navržených pružin je omezení vlivu torzního kmitání vačkového hřídele na rozkmitání pružin. Z teoretického rozboru harmonického rozvoje zdvihové křivky ventilu s uvažováním nerovnoměrného otáčení vačky vyplývá, že kromě harmonických složek řádu k rezonují s vlastní frekvencí pružiny f_p i složky řádu k + κ a k — κ, kde κ je řád kmitání vačkového hřídele. Z praktických měření vyplynulo, že kmitání vačkového hřídele je vybuzeno druhou harmonickou kroutícího momentu na klikovém hřídeli. Protože je mezi klikovým a vačkovým hřídelem převod 2:1, bude řád kmitání vačkového hřídele κ — 4. Složky řádu k — κ nejsou pro rozkmitání ventilové pružiny nebezpečné, neboť jejich amplituda c_k je malá. Složky řádu k + κ však mohou být pružině nebezpečné, neboť řád kmitání k je nízký a amplitudy kmitání nízkých harmonických jsou velké. Bude-li však navržena pružina podle vynálezu, uplatní se na jejím rozkmitání harmonické složky okolí bodu B, kde se poprvé mění smysl jejich kmitání, neboť mezi body AaB jsou právě čtyři jednotky harmonických.The advantage of such springs is the limitation of the influence of the camshaft torsional oscillation on the spring oscillation. From theoretical analysis harmonious development valve lift curve in consideration of uneven rotation of a cam that, apart harmonics order to resonate with the natural frequency f _p and a spring component of order k + κ and - κ, where κ is the order of vibration of the camshaft. Practical measurements have shown that the camshaft vibration is excited by a second harmonic torque on the crankshaft. Since there is a 2: 1 transmission between the crankshaft and the camshaft, the camshaft oscillation order will be κ - 4. Components of the order k - κ are not dangerous for valve spring vibration because their amplitude c _k is small. However, components of the order k + κ can be dangerous to the spring, since the order of oscillation k is low and the amplitudes of low harmonic oscillations are large. If, however, a spring according to the invention is proposed, the oscillation of the harmonic component of the neighborhood of point B is applied, for the first time the sense of their oscillation changes, since there are exactly four harmonic units between the points A and B.

Dalšího omezení přídavného namáhání Δτ ventilové pružiny od jejího stlačení při maximálním zdvihu ventilu je možno dosáhnout vhodnou volbou délky L min pružiny ve stlačeném stavu, která má mít velikostFurther limitation of the additional stress Δτ of the valve spring from its compression at maximum valve lift can be achieved by a suitable choice of the length L min of the spring in the compressed state to be

D πD π

Lmin = d . (η + n_z) H---— (mm), cLmin = d. (η + n _z ) H --- (mm), c

kde Lmin je délka pružiny ve stlačeném stavu při maximálním zdvihu ventilu (mm), d je průměr drátu pružiny (mm),where Lmin is the spring length in the compressed state at maximum valve lift (mm), d is the spring wire diameter (mm),

D je střední průměr vinutí pružiny (mm), n je počet činných závitů pružiny, n_z je počet závěrných závitů pružiny a c je konstanta, jejíž velikost se pohybuje v rozmezí 45 -+ 75.D is the mean diameter of the spring coil (mm), n is the number of active coils of the spring, n _z is the number of coil turns of the spring, and c is a constant of 45 - + 75.

Návrhem pružiny podle vynálezu dosáhneme minimální velikosti složek harmonických rozkmitá vajících ventilovou pružinu v oblasti maximálních otáček motoru a minimální potřebnou hodnotu vlastní frekvence pružiny f_p. Tím dosáhneme velmi klidného chodu ventilových pružin i celého rozvodu až do nej vyšších otáček motoru, zvýší se životnost pružin a rozvodu, sníží se pokles síly na pružině během provozu a odstraní se nebezpečí praskání pružin.By designing the spring according to the invention, we achieve a minimum size of the harmonic components oscillating the valve spring in the region of the maximum engine speed and the minimum necessary value of the natural frequency of the spring f _p . This ensures a very smooth running of the valve springs and the entire timing system up to the highest engine speed, increases the lifetime of the springs and timing, reduces the spring force during operation and eliminates the risk of spring rupture.

Ventilové pružiny podle vynálezu lze s výhodou využít u moderních rychloběžných motorů a u motorů s torzně měkkým klínovým a vačkovým hřídelem.The valve springs according to the invention can be advantageously used in modern high-speed engines and in engines with torsionally soft V-cam and camshafts.

Claims

Object of the invention

The first valve spring internal combustion engine in which the diameter of the wire is proportional to its own frequency, the number of active coils and the square of the mean diameter of the coil spring, characterized in that the natural frequency (f _p) is equal to the product of the cam speed _(va n c) the corresponding maximum motor speed and 0.95 + 1.05 times the closest higher harmonic component of the Fourier valve lift curve to the right of the point (A) at which the sense of harmonic vibration changes for the second time.

2. The internal combustion engine valve spring according to claim 1, characterized in that its length (L _min ) i is at the maximum valve lift

_Lmin = d. (η + n _z ) + where d is the spring wire diameter [mm], n is the number of active coils, n _z is the number of coils and D is the mean diameter of the spring coil [mm].