Особливості синтезу оптимальних кулачкових профілів для газорозподільних механізмів транспортних засобів
DOI:
https://doi.org/10.33216/1998-7927-2025-293-7-79-89Ключові слова:
транспорт, енергетичні установки, транспортні технології, ресурсозбереження, експлуатація, автоматизація, комп’ютерне моделювання, математичне плануванняАнотація
У статті розглянуто особливості синтезу оптимальних кулачкових профілів для газорозподільних механізмів транспортних засобів, які відіграють ключову роль у забезпеченні ефективності, надійності та екологічності енергетичних установок. Наголошено на актуальності проблеми вдосконалення конструкцій двигунів внутрішнього згоряння в умовах зростаючих вимог до ресурсозбереження та зниження експлуатаційних витрат. Показано, що традиційні методи проектування кулачкових профілів не враховують у повному обсязі складні взаємозв’язки між кінематичними та динамічними характеристиками клапанного механізму, що призводить до підвищеного зносу, шумів, вібрацій і зниження паливної економічності.
Запропоновано нову методологію синтезу оптимальних кулачкових профілів, яка базується на використанні узагальнених математичних моделей і методів математичного планування експерименту. Це дозволяє формувати оптимальні параметри прискорень штовхача на різних ділянках його руху з урахуванням обмежень на радіус кривизни профілю, контактні напруження, коефіцієнт запасу клапанних пружин і умови забезпечення безрозривної динаміки механізму. Реалізація математичних планів другого порядку дала можливість побудувати номограми для визначення оптимальних параметрів, які забезпечують підвищення коефіцієнта повноти діаграми підйому штовхача та зниження динамічних навантажень.
Отримані результати доводять, що оптимізація кулачкових профілів сприяє зменшенню навантажень на елементи газорозподільного механізму, підвищенню ресурсу його роботи та надійності, а також покращенню процесів газообміну в циліндрах двигуна. Це забезпечує зростання потужності, паливної економічності та екологічних характеристик транспортних енергетичних установок. Розроблений підхід має практичне значення як для створення нових двигунів, так і для модернізації існуючих конструкцій, відповідаючи сучасним тенденціям розвитку транспортних технологій.
Результати дослідження відкривають перспективи подальшої автоматизації проектування газорозподільних механізмів та інтеграції комп’ютерного моделювання в інженерну практику. Це дозволяє створювати інноваційні рішення у сфері двигунобудування, спрямовані на досягнення високих показників ефективності та довговічності транспортних систем.
Посилання
1. Jiang Z., Zhu T., Chen Z., Fan R., Gao Y., Zhang H., Wang L. A general design method of cam profile based on cubic splines and dynamic model: case study of a gravity-driven tricycle. Mathematics. 2022. 10(12). 1979. https://doi.org/10.3390/math10121979
2. Mo Y.K., Shim J.K., Kwak S.W., Jo M.S., Park H.S. Type synthesis of variable compression ratio engine mechanisms. Applied Sciences. 2020. 10(18), 6574. https://doi.org/10.3390/app10186574
3. Qin W., Chen Y. Study on optimal kinematic synthesis of cam profiles for engine valve trains. Applied Mathematical Modelling. 2014. Vol. 38. Issue 17–18. 4345–4353. https://doi.org/10.1016/j.apm.2014.02.015
4. Sulim A.O., Fomin O.V., Khozya P.O., Mastepan A.G. Theoretical and practical determination of parameters of on-board capacitive energy storage of the underground rolling stock. Scientific Bulletin of National Mining University. 2018. Issue 5(1), P. 79-87. doi:10.29202/nvngu/2018-5/8
5. Фомін О.В., Логвіненко О.А., Бурлуцький О.В., Фоміна А.М. Аналіз існуючих та перспективних профілів складових елементів несучих систем одиниць рухомого складу залізниць. Вісник Національного технічного університету «ХПІ». Серія: Динамiка та мiцнiсть машин. 2016. № 46(1218). С. 66-72. DOI: 10.20998/2078-9130.2016.46.88052
6. Kim J.H., Ahn K.Y., Kim S.H. Optimal synthesis of a spring-actuated cam mechanism using a cubic spline. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. 2002. 216(9). 875-883. https://doi.org/10.1177/095440620221600902
7. Fomin O., Sulym А., Kulbovsky I., Khozia P., Ishchenko V. Determining rational parameters of the capacitive energy storage system for the underground railway rolling stock. Eastern-European journal of enterprise technologies. 2018. Vol. 2. No. 1 (92). Р. 63-71. https://journals.uran.ua/eejet/article/view/126080
8. Logvinenko A.A. Peculiarities of stress calculation of basic parts of valve timing gear of modern locomotive electric power installations. Metallurgical and mining industry (Machine building). 2014. No.6. P. 52-56. https://www.metaljournal.com.ua/MMI-2014-No6/
9. Gorobchenko O., Fomin O., Fomin V., Kovalenko V. Study of the influence of electric transmission parameters on the efficiency of freight rolling stock of direct current. Eastern-European journal of enterprise technologies. 2018. Vol. 1. No. 3 (91). Р. 60-67. https://journals.uran.ua/eejet/article/view/121713
10. Yu J., Huang K., Luo H., Wu Y., Long X. Manipulate optimal high-order motion parameters to construct high-speed cam curve with optimized dynamic performance. Applied Mathematical Modelling. 2020. Vol. 371. 124953. https://doi.org/10.1016/j.amc.2019.124953
11. Фомін О.В., Горбунов М.І., Бурлуцький О.В., Логвіненко О.А., Фоміна А.М. Математичне описання термічної правки вагонних металоконструкцій. Вчені записки Таврійського національного університету імені В.І. Вернадського:Серія: Технічні науки. 2018. Том 29(68). № 1. Частина 3. С.151-155. http://www.tech.vernadskyjournals.in.ua/eng/journals/2018/1_2018/part_3/28.pdf
12. Mo Y.K., Shim J.K., Kwak S.W., Jo M.S., Park H.S. Type synthesis of variable compression ratio engine mechanisms. Applied Sciences. 2020. 10(18). 6574. https://doi.org/10.3390/app10186574
13. Xie F., Zhong B., Yang G., Zhao P., Hong W., Su Y. Design and motion characteristics of cam driven hydraulic variable valve mechanism. Automotive Engineering. 2020. Vol. 42. Issue 3. 307–314. https://doi.org/10.19562/j.chinasae.qcgc.2020.03.005
14. Фомін О.В., Логвіненко О.А., Дьомін Р.Ю., Бородай Г.П., Фомін В.В., Бурлуцький О.В. Математичні моделі зміни основних показників базових несучих елементів кузовів напіввагонів. Науково-практичний журнал «Залізничний транспорт України». 2013. № 5/6(102/103). С. 95-104.
15. Sun S.Y., Wang D.S., Zhou Q.Z. Thermodynamic simulation and optimum design of valve train for cam engine with the counter position placement. Applied Mechanics and Materials. 2011. Vol. 66–68. 1234–1239. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.66-68.1234
16. Sun L.W., Su T.X., Xu J.F., Wang Q., Xu C.L., You G.D. Dynamics analysis and cam profile optimal design of the valve train in the diesel engine with high specific power. Advanced Materials Research. 2011. Vol. 308–310. 1636–1640. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.308-310.1636
