バルブスプリングの設計方法

バルブ スプリングの設計は、エンジン システムの性能にとってカムの設計と同じくらい重要です。バルブスプリングの機能には、ガス圧力負荷下でバルブがバルブシートから浮き上がるのを防止し、バルブトレインの分離を防ぐためにバルブの動きを制御することが含まれます。バルブ スプリングの設計は、カム応力、バルブ トレインの摩擦、スプリングのフラッターに影響します。エンジンのバルブ スプリングは通常、両端が閉じた開放コイル圧縮コイル スプリングです。-ほとんどのエンジンは定レート スプリングを使用しますが、可変レート スプリングを使用するものもあります-。低速ディーゼル エンジンの場合、通常はシングル スプリング設計で十分ですが、バルブ スプリングのフラッターの深刻さを軽減するために、ダンピング スプリングまたはインナー スプリングを備えたダブル スプリング設計が必要になる場合があります。バルブスプリングの設計は非常に複雑な作業です。これは、2 つまたは 3 つの理由から、エンジン システム設計の原則を説明するための例として機能します。まず、解析ばね設計法は、コンポーネント設計パラメータとシステム設計パラメータの間の関係を示します。第 2 に、解析ばね設計法は、同じ設計問題を 2 つの異なる方法で定式化できることを示しています。1 つは決定論的解として扱う方法、もう 1 つは最適化問題として解決する方法です。最適化問題の数学的構築では、目的関数と制約関数の両方が明示的な関数の例としてリストされます。エンジン システム設計の他の領域 (サイクル パフォーマンス、カム設計、バルブ トレイン ダイナミクスなど) では、最適化の構築に使用される関数は通常、より複雑な陰関数であることに注意してください。 3 番目に、解析ばね設計法では、グラフィカル設計法を使用してパラメーター スイープ設計図を作成する例を示します。これらの典型的なパラメータ図は、ディーゼル エンジン システム設計でよく遭遇する多次元の設計問題に対処するために使用できます。-
バルブ スプリングの設計では、既知の入力データには次のものが含まれます。
① 最大バルブリフト；
② バネの取り付け長さを考慮すると、
③必要なスプリングプリロード
④必要なバネ剛性。スプリングのプリロードと剛性はエンジン システム レベルの設計パラメータであり、最大許容スプリング力とカム応力、排気バルブの非フローティング、およびバルブ トレインの非フライングの要件を満たす必要があることに注意してください。バルブスプリングの設計とカムの設計の間には強い相互作用があります。ばね設計で解決策を見つけることが難しい場合は、これらの入力データを変更する必要があります。
バルブ スプリングの設計では、次のパラメータが計算された出力データになります。
① 基本的または独立したばね設計パラメータ (つまり、ばねの平均直径、ばねコイルの線径、作動コイルの数)。
② 導き出される設計パラメータ（例：ばねの自由長、最大圧縮長、圧縮長、コイル間の自由ギャップ、最大圧縮時のコイル間の固体ギャップ、ばねの固有振動数とフラッター次数、最大ばね荷重、最大ばねねじり力）。基本的なばね設計パラメータによってばねの剛性が決まります。
一部の出力パラメーターは設計上の制約を受けます。たとえば、取り付け長さとスプリングの平均直径は、梱包スペースによって制限されます。ばねの最大圧縮時および圧縮長さにおけるばねのねじり応力は、ばねの疲労寿命、強度、および最大許容応力制限によって制限されます。スプリングのフラッター保護に関する制約は、ソリッド ギャップとスプリングの固有振動数を制御することによって達成されます。ばねのフラッターの次数は、ばねの固有振動数とエンジンの動作周波数の比を指します。動作中にスプリングが強くバタつかないようにするため。バルブスプリングの固有振動数は通常、エンジンの動作周波数の少なくとも 13 倍である必要があります。つまり、スプリングのフラッターの次数が 13 よりも高いことが望まれます。スプリングの固有振動数解析により、スプリングがカム プロファイルの主要な高調波の 1 つに非常に敏感である場合、フラッターが発生する傾向があることがわかります。この場合、カムまたはスプリングの設計を変更する必要があります。場合によっては、変動する剛性や入れ子になったスプリングを使用してスプリングの周波数を変更し、フラッターの問題を軽減することができます。
Spring 設計は、グラフィカルな方法で処理してパラメータ感度の傾向を調べることができる多次元パラメータ問題です。-バルブ スプリング設計の最適化の目標は、次の制約を満たしながら、スプリングの固有振動数を最大化してスプリングの振動を低減することです。
① エンジンシステムに必要なスプリングプリロードとバルブスプリングの剛性。
② 最大許容ばね応力。
③ スプリングのバタつきを抑制するための適切な物理的クリアランス。