Топливный насос высокого давления

 

 

 

Министерство образования  Российской Федерации

МОСКОВСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ  им. Н.Э. БАУМАНА

 

Факультет «Машиностроительные  технологии»

Кафедра «Метрология  и взаимозаменяемость»

 

 

 

 

 

Расчетно-пояснительная  записка

к курсовому  проекту

 

 

 

 

 

Выполнила: Стришкова Д.И.

Группа: МТ 4 - 101

Консультант: Миронченко В.И.

 

 

Москва 2012

Содержание 

 

Задание
Объект исследование
Анализ поставленной задачи
Выбор средства контроля
Определение погрешности  прибора
Установление условий для проведения измерений
Выбор и обоснование метода и схемы измерений
Разработка схемы измерительного приспособления
Выбор датчика
Эксплуатационная погрешность
Погрешность от силовых деформаций
Погрешность отсчета
Динамическая погрешность
Результирующая погрешность измерения
Заключение
Список литературы

 

 

Задание

При выполнении курсового проекта необходимо:

• провести анализ поставленной измерительной задачи;
• определить перечень контролируемых параметров;
• оценить величину допустимой погрешности измерения;
• назначить условия проведения измерений;
• выбрать и обосновать метод измерения;
• разработать схему измерения и схему измерительного приспособления;
• рассчитать ожидаемую погрешность результата измерения.

 

 

 

Объект  исследования

ТОПЛИВНЫЙ НАСОС ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ (ТНВД)

• Назначение и устройство

 Насос (рис. 1) предназначен для подачи топлива  через форсунку в цилиндры  дизеля под высоким давлением  в определенном количестве и  в строго определенный момент.

Все детали насоса размещены в пустотелом корпусе 23, отлитом из специального магниевого чугуна. В верхней части корпуса нарезана резьба под нажимной штуцер. Ниже сделаны несколько расточек различного диаметра, образующих полость для топлива и кольцевой борт под гильзу 16. В стенке корпуса имеется отверстие «г» с резьбой под штуцер 25, а в боковом приливе просверлено горизонтальное отверстие «д» диаметром под зубчатую рейку 6. Внизу корпус имеет прямоугольный фланец «б» с четырьмя отверстиями и цилиндрический выступ «а», обеспечивающий центровку насоса с бобышкой 13 (см. рис. 2). Над фланцем «б» в корпусе насоса расположено контрольное окно «в», используемое при ремонте.

Сверху в  корпус вставляют стальную гильзу 16, уплотняя ее алюминиевым кольцом 7. От проворота гильзу фиксируют штифтом 18, запрессованным в корпус, для чего на ее наружной поверхности профрезерована канавка «р». Верхняя часть гильзы утолщена, так как в ней при работе насоса создается высокое давление топлива.

Гильза вместе с плунжером образует прецизионную пару, обработанную с высокой степенью точности. В случае неисправности гильзы или плунжера замене подлежит комплект в сборе.

Снизу в корпус насоса вставляют стальной стакан 21, передающий усилие от толкателя топливного насоса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Толкатель топливного насоса (а) и положения плунжера при различной подаче топлива (б): боковой лист блока; 2 — распределительный вал; і — топливный кулачок; 4 — угольник; 5 — фланец; б — верхний горизонтальный лист; 7 — тарелка; * — стакан; Р — плунжер; 10 — корпус топливного насоса; 11 — пружина; 12 — отражательная гайка; 13 — бобышка; 14 — сливная трубка; 15 – сальник Гуферо; 16 — регулировочный болт; 17 — контргайка; 18 — корпус толкателей; 19 — толкатель; 20 — палец; 21 — плаика; 22 — болт; 23 — стопорное кольцо; 24, 25 — наружное и внутреннее кольца ролика; 26 — гильза; а — вертикальный паз; б — шестигранник; в, г, з — канавки; д, ж, и — отверстия; е — выступ бобышки на плунжер.

Толкатель топливного насоса (рис. 2, а) передает усилие от кулачка распределительного вала на плунжер топливного насоса. Толкатель 19 изготовлен из качественной стали и имеет цилиндрическую форму. Ролик состоит из двух колец — внутреннего 25 и внешнего 24, между которыми имеется зазор. Такая конструкция ролика обеспечивает ему повышенную прочность в условиях высоких скоростей движения толкателя топливного насоса, что обусловлено геометрической формой топливного кулачка распределительного вала.

 

 

 

• Работа топливного насоса.

При набегании  топливного кулачка 3 (см. рис. 2, а) распределительного вала 2 на ролик, толкатель 19 начинает двигаться вверх и своим регулировочным болтом 16 воздействует через стакан 5 на плунжер 9 топливного насоса. Ход плунжера при любой частоте вращения коленчатого вала дизеля одинаков, так как зависит только от размеров кулачка 3. Профиль кулачка обеспечивает значительное ускорение движущегося плунжера.

При скорости 0,4 — 0,8 м/с плунжер своей торцовой кромкой перекрывает оба отверстия «с» в гильзе. Так как при дальнейшем движении плунжера объем надплунжерного пространства быстро уменьшается, то давление топлива в нем резко возрастает. Когда усилие, создаваемое давлением топлива над плунжером, становится больше усилий пружины 14 и остаточного давления в нагнетательном трубопроводе, клапан 9 открывается и топливо нагнетается в трубопровод высокого давления 13. Нагнетание топлива происходит до тех пор, пока кромка «л» плунжера не откроет одно отверстие в гильзе и не сообщит тем самым надплунжерное пространство с топливным коллектором.

Давление топлива  над плунжером резко падает, несмотря на продолжающееся движение плунжера вверх. Нагнетательный клапан 9 закрывается. Как только нижняя кромка цилиндрического разгрузочного пояска «ж» клапана входит в корпус 8, прекращается сообщение трубопровода высокого давления 13 с камерой над плунжером. При дальнейшей посадке клапана до упора коническим пояском «з» в седло происходит некоторая разгрузка трубопровода 13 от высокого остаточного давления из-за освобождения небольшого объема при посадке клапана.

Количество  подаваемого насосом топлива  зависит от длительности нагнетания его плунжером, что определяется расстоянием между торцовой и спиральной кромками плунжера, измеряемым по оси отверстия «с». Регулирование подачи топлива осуществляется объединенным регулятором дизеля, который, перемещая рейки, заставляет втулки 19 поворачивать плунжеры 22 насосов высокого давления.

 

 

Постановка  задачи

Для обеспечения  качества ТНВД при массовом производстве необходимо современное контрольное  оборудование.

Практические  потребности производства ставят задачи по широкому спектру проблем контроля геометрических параметров и расположения поверхностей.

В частности, разработка средств контроля нужна для случая измерения и контроля геометрических параметров отдельной детали.

Желательно, чтобы  разработанное оборудование было выполнено на основе типовых составляющих: контроллера, датчиков, концевых выключателей для возможности унификации с другими средствами контроля.

Анализ поставленной измерительной задачи создает предпосылки  для получения измерений высокого качества, так как исключает проведение некорректных измерительных операций за счет автоматизации контроля.

Конструкция измерительного приспособления определяется рядом  факторов. Из них на первое место  следует поставить характеристики самих измеряемых величин. Так как  в машиностроении сложились определенные правила задания размеров, точности формы и взаимного расположения поверхностей, а так же других параметров, то разработка схемы и конструкции измерительного приспособления должна быть основана, в первую очередь, на решении вопроса: что измеряется? Если при измерении размеров ответ на этот вопрос, как правило, не вызывает затруднений (измеряется расстояние между двумя точками), то при измерении отклонений формы и расположения поверхностей могут возникнуть определенные сложности, связанные со спецификой нормирования допусков формы и расположения поверхностей и необходимостью их взаимного учета или исключения. Поэтому при ответе на этот вопрос следует пользоваться ГОСТ 24642-81 (СТ СЭВ 301-76) и ГОСТ 2.308-79 (СТ СЭВ 368-76), в которых приведены основные понятия, термины, определения и обозначения по видам отклонений формы и расположения поверхностей их нормированию и принципах измерения.

 

 

Объект измерения

В данном проекте  требуется улучшить устройство для  контроля отклонения от симметричности паза толкателя.

Особенностью задачи является зависимый допуск.

 

 

 

 

 

 

 

 

 
Контролируемые параметры

Наружный диаметр d=25f7	∆случ=0,004мм, ∆сумм=0,006мм
Ширина паза 4,5(+0,40) мм	∆случ=0,06мм, ∆сумм=0,1мм
Допуск симметричности (зависимый) (T/2+0,05) мм	∆случ=0,006+∆з’; ∆сумм=0,1+∆з, где ∆з – часть допускаемой  основной погрешности, зависящей от диаметра и ширины паза, ∆з’=0,6∆з

 

Средство  контроля

Для толкателя  топливного насоса высокого давления рассматривается прибор для контроля симметричности паза толкателя. Данный прибор в дальнейшем можно полностью автоматизировать.

Принцип работы

Устройство позволяет с одной установки детали измерять диаметр, ширину паза в двух сечениях, его симметричность относительно оси толкателя и разбраковывать детали по каждому параметру в соответствии с допусками.

При работе с  данным прибором деталь (по пазу) устанавливается  на призму, прижимается наружным диаметром  к ней и далее досылается до упора (в виде клина), на котором она  поворачивается относительно своей  оси и ориентируется.

Затем нажимают на рычаг. При этом щупы, измеряющие ширину паза, расходятся до упора в боковые стенки паза. Измерения выполняются шестью датчиками. Процессор считывает результаты измерения и далее проводится разбраковка.

Особенности

Особенностью метрологической схемы контроля в данной задаче является то, что допуск на симметричность задан зависимым от значений использованных допусков наружного диаметра толкателя и ширины паза.

При уменьшении диаметра и увеличении ширины паза допуск на симметричность паза соответственно увеличивается.

Величина  отклонения от симметричности с учётом использованных допусков определяется по формулам для первого сечения (датчики Д1,Д2):

(|0,5(Д1-Д2)+К1|-|0,5(Д1+Д2)+0,5(0,02-Д5+Д6)|)<Т/2        

второго сечения (датчики ДЗ,Д4):

(|ДЗ-Д4+К2| - |0,5(ДЗ+Д4)+0,5(0,02-Д5+Д6) |) <Т/2 

где Д1...Д6 - показания индуктивных  датчиков ИД8-3 относительно установочной меры, Kl, К2 - коэффициенты   для приведения собственно отклонения от симметричности к крайним сечениям паза:

К1=3(0,5(Д1-Д2)-0,5(ДЗ-Д4))/9,5 

К2=3(0,5(ДЗ-Д4)-0,5(Д1-Д2))/9,5 

0,5(Д1-Д2)., 0,5(ДЗ-Д4) - собственно отклонение  от симметричности соответственно в первом и втором сечениях, Т - допуск на симметричность паза.

Рис.3  Метрологическая  схема

 

 

 

Расчет погрешности прибора

Расчет точности будет тем реальнее, чем большее  число влияющих факторов будет учтено.

Основные составляющие погрешности измерений, согласно РД 50-98-86:

• Погрешность средства измерения
• Погрешность установочной меры
• Погрешность измерительного усилия
• Погрешность температурной деформации
• Погрешность методики измерений
• Погрешность базирования
• Погрешность передаточного механизма
• Погрешность преобразователя
• Погрешность отсчета

 

Установление  условий проведения измерения

 Нормальные условия проведения измерений

Каждое измерение  выполняется в определенных условиях, которое характеризуются одной  или несколькими внешними влияющими  величинами. Эти величины часто оказывают  заметное влияние на измеряемую величину и используемое средство измерений. С целью обеспечения единства измерений к условиям их проведения предъявляются жесткие требования. Для конкретных областей измерений устанавливают единые условия, называемые нормальными. Значение влияющей величины, соответствующее нормальным условиям называют номинальным значением влияющей величины. Номинальные значения влияющих величин при выполнении линейных и угловых измерений регламентирует ГОСТ 8.050-73.

Согласно ГОСТ 8.050-73 нормальные условия выполнения линейных и угловых измерений:

• температура окружающей среды 20°С;
• атмосферное давление 101324,72 Па (760 мм рт. ст.);
• относительная влажность окружающего воздуха 58 % (нормальное парциальное давление водяных паров 1333,22 Па);
• ускорение свободного падения (ускорение силы тяжести) 9,8 м/с²;
• направление линии измерения линейных размеров до 160 мм у наружных поверхностей – вертикальное, в остальных случаях – горизонтальное;
• относительная скорость движения внешней среды равна нулю;
• значения внешних сил равны нулю.

 Установление области допустимых отклонений основных влияющих величин

В реальных условиях при выполнении измерительных операций трудно обеспечить определенные номинальные значения влияющих величин. Поэтому задача сводится к установлению пределов возможных изменений влияющих величин. Наиболее простыми и доступными с точки зрения пользования являются рекомендации по условиям измерения, выдаваемые в виде таблиц и номограмм. Таблицы, построенные по этим принципам, включены в ГОСТ 8.050-73.

• Пределы допустимых отклонений от нормального направления

линии измерения и нормированных параметров ориентации средств и

объектов измерений  при линейных измерениях составляют:

±2° – по квалитетам 5 – 9;

• Отклонение температуры объекта измерения и рабочего пространства от нормального значения в процессе измерения должны соответствовать указанным в табл. 1.

 

Таблица 1

Пределы допускаемого отклонения температуры  объекта измерения и рабочего пространства от нормальной, °С

Если в рабочее  пространство помещается деталь с отклонением  от нормальной температуры большим, чем указано в табл. 1, то деталь должна выдерживаться в рабочем пространстве (табл. 2). Средства измерений должны находиться в условиях, указанных в табл. 2, не менее 24 ч до начала измерений.

Таблица 2

Время выдержки объектов контроля до начала измерений в рабочем пространстве, ч

3. В рабочем пространстве допускаются только плавные изменения температуры со скоростью не более 0,1°С/мин.

4. Давление воздуха  в рабочем пространстве не  должно быть менее атмосферного. Допускается превышение атмосферного  давления не более чем на 3 кПа.

5. Допускаемое  отклонение влажности ±20%.

6. Уровень шума  в рабочем пространстве не  должен превышать 80 дБ при измерениях  величин с нормированной точностью  с 6-го по 10-й квалитет.

Однако такие  рекомендации, ввиду того, что они  даются безотносительно к размерам, конфигурации и материалу измеряемых деталей, а также к используемым средствам измерений, могут носить только сугубо ориентировочный характер.

 

Выбор и обоснование  метода и схемы измерения

• Выбор и обоснование метода измерения

Для линейных измерений наибольшее распространение получили прямые методы измерений: метод непосредственной оценки (погрешность метода отсутствует) и метод сравнения с мерой (погрешность этого метода определяется погрешностью используемой меры, а погрешности, связанные с температурными и силовыми деформациями компенсируются настройкой измерительного приспособления).

Если рассмотренные  методы не позволяют решить измерительную  задачу, прибегают к косвенным  методам, при которых искомое  значение величины Y находят на основании известной зависимости между Y и величинами x1, x2 ,..., xn , подвергаемыми прямым измерениям

Y = f (x1,x2,…,xn).

Так как реализуется  задача контроля зависимого допуска, то метод измерений – косвенный.

При измерениях диаметра и ширины паза используется метод сравнения с мерой.

Погрешность метода измерений

• При измерении  внешнего диаметра толкателя

Погрешность установочной меры

В соответствии с РД 50-98-86: для меры 3-его класса из диапазона размеров (10-30) мм, допуск на неё T_M= 1,7 мкм. Случайная погрешность меры 3-его разряда составляет не более Δ_м = 1 мкм.

• При измерении ширины паза толкателя

Погрешность установочной меры

Случайная погрешность  меры 3-его разряда составляет не более Δм = 1 мкм. 

Разработка  схемы измерительного приспособления

При разработке схемы измерительного приспособления необходимо стремиться к тому, чтобы конструкция приспособления была по возможности проще, а погрешность показаний, обусловленная схемой, была бы как можно меньше. Этого можно достичь, если при разработке схемы приспособления руководствоваться следующими положениями:

1) линия действия  измерительного приспособления  должна располагаться вдоль контролируемого  геометрического параметра (принцип  Аббе);

2) число звеньев схемы  приспособления, выполняющих передаточную  функцию должно быть минимальным (принцип наикратчайшей размерной цепи);

3) протяженность отдельных  звеньев схемы в направлении  измерения должна быть наименьшей;

4) число передаточных  механизмов, выполняющих масштабную  функцию, должно быть минимальным,  а их характеристики (передаточные функции) линейными;

5) измеряемая деталь относительно  приспособления должна быть лишена 6-и степеней свободы. Исключение  может составлять лишь свобода  поворота детали вокруг оси,  совпадающей с направлением измерения;

6) при использовании в схеме измерительного приспособления рычажных передач необходимо стремиться к тому, чтобы рычаги были одноименными (синусными или тангенсными). Центры сфер должны быть расположены на теоретическом рычаге в его начальном положении, а обе плоскости должны быть параллельны плечам теоретического рычага в этом положении, и составлять с ними одинаковый угол одного знака;

8) вместо опор  качения и скольжения для поступательно  и вращательно перемещающихся  пар следует применять звенья, подвешенные на плоских пружинах;

9) контакт чувствительного  элемента измерительного приспособления  с поверхностью детали должен  быть точечным.

 

Разработанную схему измерительного приспособления необходимо проверить на соблюдение принципа инверсии:

• условия измерения должны соответствовать условиям эксплуатации и формообразования детали;
• траектория движения при контроле (измерении) соответствует траектории движения при эксплуатации и формообразовании;
• линия измерения совпадает с направлением рабочего усилия при эксплуатации;
• измерительные, конструкторские и технологические базы совпадают;
• форма измерительного наконечника, силовая нагрузка на деталь и другие параметры соответствуют параметрам сопрягаемой с ней контрдетали;
• физические (в частности геометрические) свойства образцовой детали, используемой при настройке измерительного приспособления, подобны свойствам контролируемой детали.

 

Погрешность схемы измерений

• для диаметра

Измерительная схема представлена на рисунке ниже:

 

Рисунок 4

При выбранной  измерительной схеме погрешности базирования Δ_б  возникать не будет.

• для ширины паза

Рис 5

При определении  ширины паза погрешность угла призмы не оказывает никакого влияния, поэтому  погрешности базирования не будет.

 

Выбор датчика

Требования, предъявляемые  к датчикам:

• высокая точность и чувствительность измерения;
• долговечность, высокая стабильность и надежность в работе;
• небольшие размеры (особенно измерительного наконечника) и вес;
• малое измерительное усилие и его постоянство в пределах рабочего хода измерительного наконечника;
• высокая собственная частота подвижной системы датчика, малая чувствительность к вибрациям и ускорениям;
• достаточно большие пределы измерений.

 

Индуктивный преобразователь представляет собой две последовательно соединенные  катушки индуктивности, внутри которых  перемещается ферритовый стержень,  жестко связанный с измерительным наконечником преобразователя (дифференциальная схема соединения).

При перемещении измерительного наконечника  индуктивность одной катушки  индуктивности увеличивается, а  другой – уменьшается (и наоборот), в результате чего сигнал, поступающий с точки соединения катушек индуктивности, меняется по амплитуде (рис 6).

Рис. 6

1 – контролируемый объект, 2 –  ферритовый стержень, 3 – катушки  индуктивности

 

Метрологические характеристики индуктивного преобразователя мод.75511

Таблица 3

Параметры	Диапазон измерений (показаний)
	40 мкм (от -20 до +20)	400 мкм (от -200 до +200)	2000 мкм (от -1000 до +1000)
Предел допускаемой  основной погрешности на границах диапазона, мкм	0,06	0,4	4
Предел допускаемой  дополнительной погрешности, мкм	0,03	0,2	2
Предел допускаемой  основной погрешности внутри диапазона  измерения, мкм	0,01+L/400	0,01+L/666	1+L/333

 

Длина полного  хода измерительного наконечника 

преобразователя, мм        2,5

Измерительное усилие преобразователя, сН    70

Колебание измерительного усилия в пределах

всего диапазона  показаний, сН      10

Погрешность измерительного преобразователя

Для индуктивного датчика мод. 75511  погрешность измерения Δ_си = 0,4 мкм на диапазоне 400 мкм (-200 мкм до 200 мкм)

 

Погрешность от преобразующего механизма

• для диаметра

По ГОСТ 11007 возьмём  цилиндрический наконечник D5x8.

Схема двухточечная с двумя штоками.

Рисунок 7

При цилиндрических наконечниках погрешность будет  иметь вид:

,

где Δx – смещение детали в направлении перпендикулярном линии давления наконечников

R_д – радиус детали

R_н – радиус наконечника

Приняв допустимое смещение Δx=0,1 мм

мкм

• для паза

Схема двухточечная с двумя воспринимающими рычагами

Рисунок 8

 

Наконечник  выбираем цилиндрический, тогда контакт  будет линейным и охватывать стенку по всей длине сечения.

Погрешность при  такой схеме равна 0, если AA параллельно ВВ. Так как в чертеже на установочную меру не установлен допуск на непараллельность  стенок паза, считаем их параллельными.

 

Эксплуатационная  погрешность

Группа эксплуатационных погрешностей, возникающих в результате эксплуатации измерительного прибора, является наиболее многочисленной. Источниками  появления поэлементных эксплуатационных погрешностей могут быть:

• отличие условий эксплуатации от нормальных: непостоянство температурного режима (температуры помещений, приспособления, деталей), влажности, атмосферного давления, наличие загрязнений, недостаточное время прогрева электросхемы, наличие посторонних источников вибрации и других помех;
• силовые деформации, вызывающие упругие перемещения и перемещения в пределах зазоров, непостоянство измерительного усилия во времени вследствие гистерезиса пружин, упругого последствия, непостоянства сил трения, несбалансированности отдельных деталей приспособления, динамических нагрузок и т.д.;
• контактные деформации, зависящие от измерительного усилия, шероховатости контролируемой поверхности, формы чувствительного элемента приспособления и формы детали;
• изнашивание наконечников, подвижных частей деталей передаточных и масштабных механизмов, штоков, рычагов, подвижных частей преобразователей, электрических контактов, элементов подвесок, базирующих элементов, подвижных частей и т.п.;
• непостоянство характеристик источников питания (напряжения, частоты, давления и т.п.).
• Кроме того, возможно появление грубых отклонений в виде: попадания под наконечники крупных частиц: абразива, металла, загрязнений, появление заеданий, поломок и т.п.

Многие из этих погрешностей при рассмотрении конкретного  измерительного прибора оказывают  незначительное влияние на результирующую погрешность, кроме того, в каждом конкретном случае может быть свой комплекс доминирующих эксплуатационных погрешностей.

Поскольку в  рамках курсового проекта нет возможности привести исчерпывающие сведения о методах оценок всех составляющих эксплуатационной погрешности, то при расчете следует обратиться к нормативной, справочной и учебной литературе.

 

 

Расчет  температурной погрешности

Данная погрешность  присутствует практически при всех измерениях размеров, и влияние ее обычно растет при увеличении требований к точности и уменьшении измеряемого  размера.