Hiện nay với các động cơ cao tốc thường được sử dụng trục cam với biên dạng được thiết kế theo qui luật chuyển động cho trước của xupáp. Khi các thông số ban đầu của cam được lựa chọn đúng thì kiểu biên dạng này sẽ đảm bảo đóng mở xupáp êm và không gây ra va đập của cơ cấu phối khí, người ta gọi cam với biên dạng kiểu này là cam không va đập.
Động cơ Diesel D243 là động cơ sản xuất theo công nghệ cũ của Belarut, trục cam có biên dạng là cam lồi, ba cung. Vì vậy, cơ cấu phối khí làm việc không êm, ứng suất trên bề mặt tiếp xúc lớn, trị số thời gian tiết diện thấp. Để thiết kế và tối ưu biên dạng cam không va đập thay thế cho loại cam lồi ba cung trên, có thể tiến hành bằng nhiều phương pháp khác nhau với sự hỗ trợ của công cụ máy tính và các phần mềm mô phỏng. Trong bài này, tác giả đã sử dụng phần mềm TYCON do hãng AVL (Cộng hoà áo) sản xuất để tính toán thiết kế biên dạng cam không va đập theo phương pháp Polydyne.
Xây dựng mô hình mô phỏng cơ cấu phối khí xupáp treo.
Để tính toán mô phỏng cơ cấu phối khí, trước tiên phải xây dựng mô hình mô phỏng cho cơ cấu phối khí. Việc xây dựng mô hình phải tiến hành theo hai bước là lựa chọn các phần tử cho mô hình và nhập dữ liệu cho các phần tử của mô hình.
Lựa chọn các phần tử và kết nối các phần tử mô hình : Cơ cấu phối khí xupáp treo, trục cam đặt ở thân máy, mômen được truyền từ trục khuỷu tới bánh răng trục cam làm quay trục cam, các vấu cam tác động lên con đội, qua đũa đẩy, cò mổ đẩy mở xupáp, xupáp được đóng kín nhờ lò xo xupáp. Sơ đồ hệ thống cơ cấu được trình bày như Hình 1.
Với sơ đồ trên hệ thống xupáp treo như Hình 1, chúng ta có thể lựa chọn các phần tử tương ứng trong phần mềm TYCON và kết nối các phần tử lại với nhau, ta được mô hình mô phỏng hệ thống phối khí xupáp treo như hình Hình 2.
- Nhập thông số cho các phần tử mô hình: Mỗi phần tử trong mô hình được đặc trưng bởi các thông số cơ bản như khối lượng, độ cứng, mô đun đàn hồi. Các thông số này có thể bằng tính toán, đo đạc và theo các bảng, đồ thị được xây dựng bằng thực nghiệm hoặc các số liệu kinh nghiệm khuyến cáo của phần mềm Tycon, Các thông số nhập cho các phần tử mô hình được tính toán và lựa chọn giới thiệu trong tài liệu [2].
Mô hình Thiết kế biên dạng cam không va đập theo phương pháp polydyne bằng phần mềm Tycon.
Với mô hình mô phỏng cơ cấu phối khí đã xây dựng, các bước tiến hành thiết kế cam không va đập theo phương pháp polydyne bằng phần mềm Tycon có thể tiến hành theo sơ đồ khối ở Hình 3.
Các thông số đầu vào để thiết kế biên dạng cam là: f - Tổng chiều dài góc nâng cam[0GQTC], được xác định dựa vào góc mở sớm và đóng muộn của xupáp nạp và xupáp thải. Tuy nhiên khi thiết kế cam theo phương pháp polydyne, thì không cần phải chọn góc mở sóm đóng muộn mà có thể lựa chọn theo góc nâng cam sau đó sẽ tối ưu góc mở sớm đóng muộn sau; hmax – Chiều cao nâng lớn nhất của cam[mm]; Ram- Góc của phần Ram[0GQTC]; r0 – Bán kính lưng cam[mm].
Các thông số lựa chọn trong uá trình thiết kế: p, q, r, s, C4 là các hệ số của đa thức biểu diễn biên dạng cam: y = L(1 + C2x2 + C4x4 + Cpxp + Cqxq + Crxr + Csxs): (1)
L - Hành trình nâng lớn nhất phần trên đoạn Ram (tại x = 0); y - Hành trình nâng theo x; x - Góc quay tương đối của cam được xác định như sau: x = f/a (2); f - Góc quay của cam tính từ điểm hành trình nâng lớn nhất; a - Nửa chiều dài của phần nâng cam. C2, Cp, Cq, Cr, Cs- Các hệ số được xác định dựa vào p, q, r, s.
Các thông số kiểm nghiệm: Các thông số lựa chọn sao cho thoả mãn được các yêu cầu sau:
ứng suất tiếp xúc trên bề mặt cam(dtx): dtx < [dtx], đây là một trong những điều kiện quan trọng nhất là thông số hội tụ sự ảnh hưởng của các thông số khác, [dtx] = 600 - 1200MN/m2[1],[4].
- Trị số thời gian tiết diện trung bình(fktb): Phải lớn nhất để đảm bảo nạp đầy không khí mới và thải sạch sản phẩm cháy ra khỏi xylanh.
- Tốc độ va đập của xupáp: Tốc độ va đập của xupáp có thể đánh giá gián tiếp thông qua tốc độ chuyển động của con đội trong vùng cung chuyển tiếp (vcondoi), [vcondoi] = 0,1 - 0,15m/s [1].
- Gia tốc của xupáp: Động cơ D243 là gốc động cơ dùng cho máy kéo do đó có thể chọn: Giá trị gia tốc dươngcủa xupáp(j+), [j+] = 1500 - 2500m/s2[1],[4]; Giá trị gia tốc âm của xupáp(j-), [j-] = -(500 - 800)m/s2[1],[4].
- Hệ số an toàn của lò xo: k = 1,24 - 1,6 [1],[4].
Kết quả tính toán thiết kế cho cam nạp, cam thải cơ cấu phối khí động cơ D243.
Các thông số đầu vào tính toán thiết kế biên dạng cam nạp và cam thải : Bảng 1.
Các thông số lựa chọn được trong quá trình thiết kế: Bảng 2.
Kết quả thiết kế biên dạng cam: Hình 4,5,6,7
Các thông số kiểm nghiệm: Trình bày trên Bảng 3.
5. Kết luận.
- Dựa trên cơ sở thiết kế cam không va đập theo phương pháp polydyne và phần mềm Tycon, đã xây dựng được mô hình thiết kế cam không va đập.
- Với việc áp dụng mô hình để thiết kế cam nạp, cam thải động cơ D243 cho thấy, có thể lựa chọn được một biên dạng cam không va đập có trị số thời gian tiết diện lớn hơn trị số thời gian tiết diện của cam cũ, nhưng các thông số kiểm nghiệm đánh giá kết quả thiết kế đều nằm ở miền giá trị cho phép. Điều này cho phép cải thiện đuợc chế độ làm việc của động cơ.
- Mô hình xây dựng mới chỉ dừng lại ở chỗ lựa chọn các thông số đầu vào sao cho trị số thời gian tiết diện là tốt nhất, nhưng vẫn đảm bảo các chỉ tiêu về động lực học và độ bền của cơ cấu trong quá trình làm việc. Đối với một động cơ cụ thể, thì điều này là chưa đủ, mà điều quan trọng vẫn là phải lựa chọn sao cho có được một biên dạng cam và một pha phối khí tối ưu để quá trình trao đổi khí tốt nhất, tăng được hệ số nạp nhằm cải thiện các chỉ tiêu tiết kiệm năng lượng của động cơ. Vấn đề này sẽ được trình bày tiếp trong đề tài thiết kế biên dạng cam tối ưu cho động cơ bằng cách kết hợp mô hình đã được xây dựng với mô hình tính toán nhiệt động bằng phần mềm Boost.
