Federal-Mogul Powertrain, подразделение компании Federal-Mogul Holdings Corporation (NASDAQ: FDML), разработало упрощенную динамическую имитационную модель процесса закрывания клапана для расчета динамических нагрузок, воздействующих на клапаны двигателя. Благодаря более высокой точности расчета деформаций и механических напряжений, возникающих под нагрузками, данный метод позволяет более точно оценить усталостную прочность клапана и помогает выбрать оптимальные материалы на ранних стадиях проектирования двигателя.

«Возникающие при закрывании клапана динамические нагрузки имеют решающее значение для проектирования впускных и выпускных клапанов, — говорит Жан-Мария Оливетти (Gian Maria Olivetti), технический директор Federal-Mogul Powertrain. — С помощью нового метода моделирования можно быстро рассчитать максимальные нагрузки на клапаны, что позволяет сэкономить время и определить конкретные направления работы».

При разработке впускных и выпускных клапанов для двигателей внутреннего сгорания пристальное внимание уделяется нагрузкам, возникающим в процессе закрывания клапанов. Особенно это касается ДВС, оснащенных системами турбонаддува. Часто бывает так, что на момент проектирования клапанов для новых двигателей конструкция системы привода клапанов все еще находится в разработке. Это заставляет производителей клапанов ограничиваться упрощенными имитационными моделями, в которых оценка нагрузок на клапаны выполняется только по основным параметрам, таким как скорость закрывания клапана, возвратное усилие клапанной пружины и зазор между штоком клапана и направляющей.

При закрывании клапана, как правило, сначала одна из его сторон касается седла клапана, что приводит к возникновению высоких нагрузок на шток. Динамическая имитационная модель процесса закрывания, разработанная и испытанная подразделением Federal-Mogul Powertrain, позволяет выполнять точный расчет подобных нагрузок. Это, в свою очередь, способствует оптимальному выбору компонентов на этапе разработки концепции и более точной оценке срока службы.

По словам д-ра Гидо Баярда (Guido Bayard), руководителя отдела Federal-Mogul Powertrain по технологиям клапанов, помимо определения усталостной прочности, для анализа и сравнения различных вариантов конструкции клапанов можно также использовать расчет нагрузок, возникающих при закрывании клапана, посредством динамического моделирования методом конечных элементов. «Распределение механических напряжений в значительной степени зависит от геометрии различных элементов, например зоны перехода стержня в тарелку или конической зоны тарелки, — объясняет он. — Благодаря моделированию методом конечных элементов мы можем быстро оценить максимальные нагрузки на клапан и вероятные усталостные разрушения. Это также позволяет нам сделать обоснованный выбор варианта конструкции и материала на ранних этапах проектирования».

Результаты, полученные с помощью имитационной модели, были подтверждены практическими испытаниями клапанов на специальном стенде, разработанном Federal‑Mogul Powertrain и позволяющем задействовать только один клапан для анализа отдельных процессов закрывания. Такой стенд лучше подходит для проверки действия имитационной модели, чем головка блока цилиндров в сборе, по нескольким причинам: он обеспечивает большую гибкость при анализе геометрических параметров, гарантирует более точный контроль результатов и предоставляет доступ к различным методам измерений.