שיטת עיצוב של קפיץ שסתום

עיצוב קפיצי השסתום חשוב לביצועי מערכת המנוע לא פחות מעיצוב המצלמה. הפונקציות של קפיץ השסתום כוללות מניעת ציפה של השסתום ממושב השסתום תחת עומסי לחץ גז ושליטה בתנועת השסתום למניעת הפרדת רכבת השסתומים. עיצוב קפיצי השסתום משפיע על מתח הפיקה, חיכוך רכבת השסתומים ורפרוף קפיץ. קפיצי השסתומים של מנוע הם בדרך כלל קפיצי דחיסה סליל פתוחים- עם קצוות סגורים. רוב המנועים משתמשים בקפיצי קצב- קבועים, אם כי חלקם משתמשים בקפיצי קצב משתנה-. עבור מנועי דיזל עם מהירות נמוכה יותר, עיצוב קפיץ בודד מספיק בדרך כלל, אך לפעמים נדרש עיצוב קפיץ כפול עם קפיץ שיכוך או קפיץ פנימי כדי להפחית את חומרת רפרוף קפיץ השסתומים. עיצוב קפיץ שסתום הוא משימה מורכבת מאוד. הוא משמש כדוגמה להמחשת העקרונות של תכנון מערכת המנוע משתיים או שלוש סיבות. ראשית, שיטת עיצוב הקפיץ האנליטי מראה את הקשר בין פרמטרי עיצוב רכיבים לפרמטרים של עיצוב מערכת. שנית, שיטת תכנון הקפיץ האנליטי מראה שניתן לנסח את אותה בעיית תכנון בשתי דרכים שונות: האחת היא להתייחס אליה כפתרון דטרמיניסטי, והשנייה היא לפתור אותה כבעיית אופטימיזציה. בבנייה המתמטית של בעיית האופטימיזציה, הן פונקציית המטרה והן פונקציית האילוץ רשומות כדוגמאות לפונקציות מפורשות. יש לציין כי בתחומים אחרים של תכנון מערכות מנוע (כגון ביצועי מחזור, תכנון מצלמות ודינמיקת רכבת השסתומים), הפונקציות המשמשות לבניית אופטימיזציה הן בדרך כלל פונקציות מורכבות יותר. שלישית, שיטת עיצוב הקפיץ האנליטי נותנת דוגמה לשימוש בשיטות עיצוב גרפיות לבניית דיאגרמות עיצוב של פרמטרים. ניתן להשתמש בדיאגרמות פרמטרים טיפוסיות אלה כדי להתמודד עם בעיות תכנון רב-ממדיות- שנתקלות בהן לעתים קרובות בתכנון מערכות מנועי דיזל.
בתכנון קפיצי שסתומים, נתוני הקלט הידועים כוללים את הדברים הבאים:
① הרמת שסתום מקסימלית;
② בהתחשב באורך התקנת הקפיץ;
③ עומס קדם קפיץ נדרש
④ קשיחות קפיצית נדרשת. יש לציין כי עומס הקפיץ והקשיחות הם פרמטרים עיצוביים ברמת מערכת המנוע, שצריכים לעמוד בדרישות של כוח הקפיץ המקסימלי המותר ומתח הפיקה, שסתום הפליטה אינו-צף והרכבת השסתומים אינה-תעופה. קיימת אינטראקציה חזקה בין עיצוב קפיצי שסתום לעיצוב פקה. אם קשה למצוא פתרון בתכנון קפיץ, יש לשנות את נתוני הקלט הללו.
בתכנון קפיצי שסתום, הפרמטרים הבאים מחושבים נתוני תפוקה:
① פרמטרים בסיסיים או עצמאיים של עיצוב קפיץ (כלומר, קוטר קפיץ ממוצע, קוטר חוט סליל קפיץ, מספר סלילי עבודה);
② פרמטרי תכנון נגזרים (לדוגמה, אורך חופשי קפיצי, אורך דחיסה מקסימלי, אורך דחוס, מרווח חופשי בין סלילים, מרווח מוצק בין סלילים בדחיסה מקסימלית, תדר טבעי קפיץ וסדר רפרוף, עומס קפיץ מרבי, כוח פיתול קפיץ מרבי). פרמטרים בסיסיים של עיצוב קפיץ קובעים את קשיחות הקפיץ.
חלק מפרמטרי הפלט כפופים לאילוצי עיצוב. לדוגמה, אורך ההתקנה וקוטר הקפיץ הממוצע מוגבלים על ידי שטח האריזה. מתח הפיתול של הקפיץ בדחיסת קפיץ מקסימלית ובאורך דחוס מוגבל על ידי חיי עייפות הקפיץ, חוזק ומגבלת הלחץ המקסימלית המותרת. המגבלות על הגנת רפרוף קפיץ מושגות על ידי שליטה על הפער המוצק והתדר הטבעי של הקפיץ. סדר רפרוף הקפיץ מתייחס ליחס בין התדר הטבעי של הקפיץ לתדירות הפעולה של המנוע. על מנת להבטיח שהקפיץ לא יתנפנף חזק במהלך הפעולה. התדר הטבעי של קפיץ השסתום צריך להיות בדרך כלל לפחות פי 13 מתדירות הפעולה של המנוע; כלומר, יש לקוות שסדר רפרוף הקפיץ גבוה מ-13. ניתוח תדר טבעי באביב מראה שאם הקפיץ רגיש מאוד לאחת ההרמוניות הדומיננטיות של פרופיל הפיקה, ישנה נטייה להתרחשות רפרוף. במקרה זה, יש לשנות את עיצוב הפקה או הקפיץ. לפעמים ניתן להשתמש בקשיחות משתנה או קפיצים מקוננים כדי לשנות את תדירות הקפיץ כדי לעזור להקל על בעיית הרפרוף.
עיצוב קפיץ הוא בעיית פרמטרים רב-ממדיים- שניתן לטפל בה בצורה גרפית כדי לבחון מגמות רגישות לפרמטרים. המטרה של אופטימיזציה של עיצוב קפיצי השסתום היא למקסם את התדר הטבעי של הקפיץ כדי להפחית את רטט הקפיץ תוך עמידה באילוצים הבאים:
① עומס קדם קפיץ וקשיחות קפיץ שסתום הנדרשת על ידי מערכת המנוע;
② מתח קפיץ מקסימלי מותר;
③ מרווח פיזי מתאים כדי לשלוט ברפרוף הקפיץ.