Método de projeto da mola da válvula

O projeto da mola da válvula é tão importante para o desempenho do sistema do motor quanto o projeto do came. As funções da mola da válvula incluem evitar que a válvula flutue para fora da sede da válvula sob cargas de pressão de gás e controlar o movimento da válvula para evitar a separação do trem de válvulas. O projeto da mola da válvula afeta a tensão do came, o atrito do trem da válvula e a vibração da mola. As molas das válvulas de um motor são geralmente molas de compressão helicoidais abertas-com extremidades fechadas. A maioria dos motores usa molas de taxa-constante, embora alguns usem molas de taxa-variável. Para motores diesel de velocidade mais baixa, um projeto de mola única geralmente é suficiente, mas às vezes é necessário um projeto de mola dupla com uma mola de amortecimento ou mola interna para reduzir a gravidade da vibração da mola da válvula. O projeto da mola da válvula é uma tarefa muito complexa. Serve como exemplo para ilustrar os princípios do projeto de sistemas de motores por duas ou três razões. Primeiro, o método analítico de projeto de molas mostra a conexão entre os parâmetros de projeto de componentes e os parâmetros de projeto de sistema. Em segundo lugar, o método analítico de projeto de molas mostra que o mesmo problema de projeto pode ser formulado de duas maneiras diferentes: uma é tratá-lo como uma solução determinística e a outra é resolvê-lo como um problema de otimização. Na construção matemática do problema de otimização, tanto a função objetivo quanto a função restrição são listadas como exemplos de funções explícitas. Deve-se notar que em outras áreas do projeto de sistemas de motores (como desempenho de ciclo, projeto de cames e dinâmica de trem de válvulas), as funções usadas para construção de otimização são geralmente funções implícitas mais complexas. Terceiro, o método analítico de projeto de molas fornece um exemplo do uso de métodos de projeto gráfico para construir diagramas de projeto de varredura de parâmetros. Esses diagramas de parâmetros típicos podem ser usados ​​para lidar com problemas de projeto multi{16}dimensionais frequentemente encontrados em projetos de sistemas de motores diesel.
No projeto da mola da válvula, os dados de entrada conhecidos incluem o seguinte:
① Elevação máxima da válvula;
② Dado o comprimento de instalação da mola;
③ Pré-carga de mola necessária
④ Rigidez de mola necessária. Deve-se observar que a pré-carga e a rigidez da mola são parâmetros de projeto no nível do sistema do motor, que precisam atender aos requisitos de força máxima permitida da mola e tensão do came, válvula de escape não-flutuante e trem de válvula não-voador. Existe uma forte interação entre o projeto da mola da válvula e o projeto do came. Se for difícil encontrar uma solução no projeto de molas, estes dados de entrada devem ser modificados.
No projeto da mola da válvula, os seguintes parâmetros são dados de saída calculados:
① Parâmetros básicos ou independentes de projeto de mola (ou seja, diâmetro médio da mola, diâmetro do fio da bobina da mola, número de bobinas de trabalho);
② Parâmetros de projeto derivados (por exemplo, comprimento livre da mola, comprimento máximo de compressão, comprimento compactado, folga livre entre as bobinas, folga sólida entre as bobinas na compressão máxima, frequência natural da mola e ordem de vibração, carga máxima da mola, força máxima de torção da mola). Os parâmetros básicos do projeto da mola determinam a rigidez da mola.
Alguns parâmetros de saída estão sujeitos a restrições de projeto. Por exemplo, o comprimento de instalação e o diâmetro médio da mola são limitados pelo espaço de embalagem. A tensão de torção da mola na compressão máxima da mola e no comprimento compactado é limitada pela vida útil da mola, resistência e limite máximo de tensão admissível. As restrições na proteção contra vibração da mola são alcançadas controlando a folga sólida e a frequência natural da mola. A ordem de vibração da mola refere-se à relação entre a frequência natural da mola e a frequência operacional do motor. Para garantir que a mola não vibre fortemente durante a operação. A frequência natural da mola da válvula geralmente deve ser pelo menos 13 vezes a frequência operacional do motor; isto é, espera-se que a ordem de vibração da mola seja superior a 13. A análise da frequência natural da mola mostra que se a mola for muito sensível a um dos harmônicos dominantes do perfil do came, há uma tendência à ocorrência de vibração. Neste caso, o design do came ou da mola precisa ser modificado. Às vezes, rigidez variável ou molas aninhadas podem ser usadas para alterar a frequência da mola e ajudar a aliviar o problema de vibração.
O design Spring é um problema de parâmetros multi{0}dimensionais que pode ser tratado de maneira gráfica para examinar tendências de sensibilidade dos parâmetros. O objetivo da otimização do projeto da mola da válvula é maximizar a frequência natural da mola para reduzir a vibração da mola e, ao mesmo tempo, atender às seguintes restrições:
① Pré-carga da mola e rigidez da mola da válvula exigida pelo sistema do motor;
② Tensão máxima permitida da mola;
③ Espaço físico apropriado para controlar a vibração da mola.