Szeleprugó tervezési módszere

A szeleprugó kialakítása ugyanolyan fontos a motorrendszer teljesítménye szempontjából, mint a bütyök kialakítása. A szeleprugó funkciói közé tartozik, hogy megakadályozza a szelep leúszását a szelepülékről gáznyomásos terhelés esetén, valamint a szelep mozgásának vezérlését a szelepsor szétválásának megakadályozása érdekében. A szeleprugó kialakítása befolyásolja a bütykös feszültséget, a szelepsor súrlódását és a rugó lebegését. A motorok szeleprugói általában nyitott -tekercses spirális nyomórugók, zárt végekkel. A legtöbb motor állandó-sebességű rugókat használ, bár néhányan változó sebességű-rugókat. Alacsonyabb fordulatszámú dízelmotoroknál általában elegendő egy rugós kialakítás, de néha dupla rugós kialakításra van szükség csillapító rugóval vagy belső rugóval, hogy csökkentsék a szeleprugó lebegésének súlyosságát. A szeleprugó tervezése nagyon összetett feladat. Példaként szolgál a motorrendszer tervezési elveinek szemléltetésére két vagy három okból. Először is, az analitikus rugótervezési módszer megmutatja az alkatrész tervezési paraméterei és a rendszer tervezési paraméterei közötti kapcsolatot. Másodszor, az analitikus rugós tervezési módszer azt mutatja, hogy ugyanaz a tervezési probléma kétféleképpen is megfogalmazható: az egyik, hogy determinisztikus megoldásként, a másik pedig optimalizálási problémaként oldja meg. Az optimalizálási probléma matematikai felépítésében mind a célfüggvény, mind a kényszerfüggvény az explicit függvények példájaként szerepel. Meg kell jegyezni, hogy a motorrendszer tervezésének más területein (például a ciklusteljesítmény, a bütyök tervezése és a szelepsor dinamikája) az optimalizálási konstrukcióhoz használt funkciók általában összetettebb implicit függvények. Harmadszor, az analitikus rugós tervezési módszer példát ad a grafikus tervezési módszerek alkalmazására paraméter-sweep tervezési diagramok készítésére. Ezek a tipikus paraméterdiagramok felhasználhatók a dízelmotor-rendszerek tervezése során gyakran előforduló többdimenziós tervezési problémák kezelésére.
A szeleprugó kialakításánál az ismert bemeneti adatok a következőket tartalmazzák:
① Maximális szelepemelés;
② Tekintettel a rugó beépítési hosszára;
③ Szükséges rugó előfeszítés
④ Szükséges rugómerevség. Meg kell jegyezni, hogy a rugó előfeszítése és merevsége olyan tervezési paraméterek a motorrendszer szintjén, amelyeknek meg kell felelniük a legnagyobb megengedett rugóerő és bütyökfeszültség, a kipufogószelep nem-lebegése és a szelepsor nem-repülése követelményeinek. Erős kölcsönhatás van a szeleprugó kialakítása és a bütyök kialakítása között. Ha a rugós tervezésben nehéz megoldást találni, ezeket a bemenő adatokat módosítani kell.
A szeleprugó tervezésénél a következő paraméterek számítanak kimenő adatokat:
① Alapvető vagy független rugótervezési paraméterek (pl. rugó átlagos átmérője, rugótekercs huzalátmérője, működő tekercsek száma);
② Származtatott tervezési paraméterek (pl. rugómentes hossz, maximális összenyomási hossz, tömörített hossz, szabad rés a tekercsek között, tömör rés a tekercsek között maximális összenyomódásnál, rugó sajátfrekvenciája és lebegési sorrendje, maximális rugóterhelés, maximális rugó torziós erő). Az alapvető rugótervezési paraméterek határozzák meg a rugó merevségét.
Egyes kimeneti paraméterekre tervezési megkötések vonatkoznak. Például a beépítési hosszt és a rugó átlagos átmérőjét a csomagolási hely korlátozza. A rugó torziós feszültségét maximális rugónyomásnál és tömörített hossznál a rugó kifáradási élettartama, szilárdsága és a maximálisan megengedhető feszültséghatár korlátozza. A rugós lebegés elleni védelem korlátait a szilárd hézag és a rugó sajátfrekvenciájának szabályozásával érik el. A rugólebegés sorrendje a rugó sajátfrekvenciájának és a motor üzemi frekvenciájának arányára vonatkozik. Annak érdekében, hogy a rugó ne rezegjen erősen működés közben. A szeleprugó természetes frekvenciája általában legalább 13-szorosa a motor működési frekvenciájának; vagyis remélhetőleg a rugólebegés sorrendje nagyobb, mint 13. A rugós sajátfrekvencia-elemzés azt mutatja, hogy ha a rugó nagyon érzékeny a bütyökprofil valamelyik domináns harmonikusára, akkor hajlamos a lebegés. Ebben az esetben a bütyök vagy a rugó kialakítását módosítani kell. Néha változó merevségű vagy egymásba ágyazott rugók használhatók a rugó frekvenciájának megváltoztatására, hogy enyhítsék a lebegési problémát.
A rugós tervezés egy több-dimenziós paraméter-probléma, amely grafikusan kezelhető a paraméterérzékenységi trendek vizsgálatához. A szeleprugó-tervezés optimalizálásának célja a rugó sajátfrekvenciájának maximalizálása a rugó rezgésének csökkentése érdekében, miközben megfelel a következő korlátozásoknak:
① A motorrendszer által megkövetelt rugó előfeszítés és szeleprugó merevsége;
② Maximális megengedett rugófeszültség;
③ Megfelelő fizikai hézag a rugó lebegésének szabályozásához.