Всережимные автоматические регуляторы предназначены для поддержания задаваемой угловой скорости вала двигателя в ши­роком диапазоне скоростных режимов — от номинального до минимального.

Однако механические регуляторы, показанные, например, на рис. 76 или 78, не в состоянии решить эту задачу, так как по мере уменьшения регулируемой угловой скорости степень нерав­номерности ? и степень нечувствительности ?_р резко возрастают и быстро достигают недопустимых значений (см. рис. 73 и 75). Поэтому диапазон рабочих скоростных режимов обычного механического регулятора невелик, и такой регулятор нельзя исполь­зовать в качестве всережимного.

Приспособление механического регулятора к условиям всережимной работы осуществляется путем введения в конструк­цию регулятора специальных усовершенствований, исправляю­щих характеристики степени нечувствительности и степени неравномерности.

Для уменьшения степени нечувствительности в соответствии с формулой (219) необходимо либо уменьшать силы сухого трения f, либо увеличивать восстанавливающую силу Е чувствитель­ного элемента.

Уменьшение силы f достигается улучшением качества обра­ботки трущихся поверхностей регулятора и топливного насоса,

уменьшением числа трущихся пар и обильной смазкой регуля­тора.

Там, где это возможно, трение скольжения заменяют трением качения. Например, в регуляторе, показанном на рис. 83, уси­лие грузов 5 передается муфте 6 через упорный подшипник ка­чения. Муфта регулятора на рис. 86 воздействует на рычаг 17 через ролик с игольчатым подшипником. В регуляторе, показан­ном на рис. 87, а, между лапками грузов 15 и муфтой 14 также установлен упорный подшипник качения, а сама муфта переме­щается по смазываемому вращающемуся валику, что способст­вует резкому уменьшению силы сухого трения в этом сочленении.

Восстанавливающую силу Е можно увеличить, увеличивая поддерживающую силу A?_p², в соответствии с уравнением (202), что достигается либо увеличением массы грузов, либо введением передачи, повышающей угловую скорость ?_р при заданной ? вала двигателя.

В автоматических всережимных регуляторах прямого дей­ствия используют оба эти способа снижения степени нечувстви­тельности. Например, в регуляторе УТН-5 (см. рис. 87) или 4МТНМ вместо обычных двух грузов на траверсе устанавливают четыре груза, вращающихся без повышающей передачи (см. рис. 64). Аналогичное решение было принято при создании регулятора, показанного на рис. 93. Для увеличения значения под­держивающей силы чувствительный элемент регулятора имеет два ряда шаровых грузов. Недостатком такой конструкции ре­гулятора (без повышающей передачи) является увеличение массы грузов, а иногда и габаритных размеров регулятора. Однако пониженная угловая скорость грузов способствует снижению из­носа трущихся поверхностей.

Во всережимных регуляторах, показанных на рис. 81, 83, 90 и 92, использована повышающая передача, давшая возмож­ность уменьшить размеры грузов и их число.

Введение увеличенной массы грузов или повышающей пере­дачи снижает значение степени нечувствительности во всем диа­пазоне возможных скоростных режимов (см. кривую 2 на рис. 75).

Для изменения зависимости ? = f (?_ср) в желаемом направ­лении можно использовать несколько методов, вытекающих из рассмотрения формул (213) или (215).

Аргументом в формуле (213) является ?_р. _ср — угловая ско­рость выбираемого скоростного режима, а искомой величиной — ?.

Построение зависимости ? = f (?_р. _ср) для регуляторов с пе­ременной предварительной деформацией пружин при заданных значениях r_п = const, r_cp = const, ?_р0 = const дает одну кривую, показанную на рис. 73. При построении этой зависимости для регуляторов с постоянной предварительной деформацией необ­ходимо учитывать зависимость r'_cp = f (?_р. _ср).

Форма кривой ? = f (?_р. _ср), получаемой таким образом, свидетельствует о том, что при проектировании всережимного механического регулятора, предназначенного для обслужива­ния широкого диапазона скоростных режимов, конструктор встретится с определенными трудностями. Эти трудности свя­заны с ограничением на минимальном регулируемом режиме максимально допустимого значения степени неравномерности (обычно 40% для регуляторов транспортных двигателей).

Так, если ограничить максимальное значение степени нерав­номерности 50%, то возможный минимальный скоростной режим (см. точку В на рис. 73) составит в этом случае приблизительно 0,7 номинального скоростного режима (точка А). Такой автоматический регулятор не может быть всережимным.

Таким образом, при сохранении постоянства параметров r_п, r_ср и ?_р0 создать всережимный регулятор для широкого диапа­зона скоростных режимов не представляется возможным.

Чтобы решить задачу создания всережимного регулятора с приемлемой характеристикой ? = f (?_р. _ср), необходимо отка­заться от постоянства одного из трех указанных параметров.

Изменение r_ср. На рис. 94 показаны зависимости степени неравномерности от скоростного режима при постоянных значе­ниях параметра ? = r_п / r_ср. Аргументом зависимости на рис. 94 выбран параметр ? = ?_р. _ср/?_р0 (при ?_р. _ср = ?_р0 чувствитель­ный элемент становится астатическим и ? = 0). Кривые пока­зывают, что при увеличивающихся значениях r_ср, т. е. при умень­шающихся значениях ?, зависимости ? = f (?_р. _ср) становятся все более пологими, и при ? = 0,05 минимальный регулируемый скоростной режим при ? = 50% снижается почти до 0,2 астати­ческого. Однако улучшение характера зависимости ? = f (?_р. _ср)достигается в этом случае нежелательным увеличением размеров чувствительного элемента (увеличивается r_ср).

Поэтому использовать увеличение r_ср для указанных целей можно лишь в опре­деленных пределах.

Изменение г_п. Параметр ? (рис. 94) можно уменьшить за счет уменьшения диапазона перемещения грузов r_п в преде­лах перемещения рейки топливного насоса до подачи холостого хо­да при заданном значении r_ср. Следовательно, путем уменьшения r_п на минимальном регулируемом скоростном режиме можно сни­зить значение ? до желаемого предела и тем самым расширить диапазон всережимности. Однако уменьшение r_п на минималь­ном скоростном режиме приведет к уменьшению ? также и на но­минальном скоростном режиме, где ? и так невелика (2—4%). Это может привести к потере устойчивости режимов работы при повышенных /угловых скоростях, так как чувствительный эле­мент по своим свойствам может оказаться слишком близким к аста­тическому (F_р = 0).

Таким образом, метод снижения r_п на минимальных скорост­ных режимах для расширения диапазона всережимности можно использовать только в случае, если конструкция автоматического регулятора допускает постепенное увеличение r_п по мере роста регулируемого скоростного режима.

Полное перемещение r_п грузов при заданном топливном на­сосе зависит не только от конструкции чувствительного элемента, но и от конструкции механизма, связывающего рейку топливного насоса с муфтой в регуляторах прямого действия. Поэтому в ка­честве средства постепенного увеличения r_п можно предложить соответствующее изменение передаточного отношения рычага 5 (рис. 95), связывающего муфту 13 регулятора с рейкой топлив­ного насоса (через тягу 7). Для этого с рычагом управления 3 при помощи рычага 4 следует связать перемещение опоры 11.

При смене регуляторной характеристики поворачивается ры­чаг управления 3, изменяющий предварительную деформацию пружины. Одновременно с помощью профилированного рычага 4 и направляющей рейки 12 перемещается опора 11, изменяющая передаточное отношение рычага 5.

Характер изменения степени неравномерности в зависимости от скоростного режима регулятора такого типа наиболее наглядно можно проследить по графику на рис. 96. На этом графике по оси абсцисс откладывают радиус r вращения центра тяжести груза, а по оси ординат поддерживающую силу С?_р² и приве­денную к центру тяжести груза восстанавливающую силу регу­лятора Е'. Так как в соответствии с формулой (193) график С = f (r) представляет собой луч, исходящий из начала коорди­нат, то по результатам умно­жения инерционного коэффи­циента С на различные значе­ния ?_р² можно построить так называемую квадратичную сет­ку (см. рис. 61, б) С?_р² = f (r). Угол наклона луча такой сетки определяется массой грузов ре­гулятора и их угловой скоро­стью.

На поле квадратичной сет­ки путем приведения усилия пружины к центру тяжести гру­за наносят характеристику вос­станавливающей силы Е' = f (r) (см. рис. 96).

Точка 1 характеристики определяется из условия одновремен­ного расположения ее на минимальном радиусе вращения (крайнее внутреннее положение грузов) r_miп и на луче, соответствую­щем минимальной угловой скорости ?_р1.

При постоянном передаточном отношении полному переме­щению рейки топливного насоса соответствует перемещение грузов на г_{п mах}. В связи с этим на минимальном скоростном режиме

Путем уменьшения r_{п шах} до r_п уменьшается и степень нерав­номерности до значения

Введение переменного r_п па номинальном скоростном режиме не влияет на степень неравномерности

а построение зависимости степени неравномерности ? от средней угловой скорости ?_{р ср} для регулятора, показанного на рис. 95, дает кривую 2 вместо кривой 1 (рис. 97). Следовательно, диапа­зон всережимности расширился, например от 0,74 ?_р._ср._ном до 0,27 ?_р. _ср>ном. Закон изменения r_п = f (?_р. _ср) определяется формулой (213), если заданы ?_р0; r_ср и ? = f (?_р. _ср).

Изменение ?_р0. Качественная зависимость астатической угло­вой скорости от параметров регулятора определяется форму­лой (214).

Изменение ?_р0 наиболее просто можно получить за счет вве­дения переменной приведенной жесткости b_r пружины.

Во многих всережимных регуляторах прямого действия при­меняют установку нескольких последовательно включающихся цилиндрических пружин, каждая из которых имеет постоянную жесткость. Регуляторы такого типа показаны на рис. 83, 87 и 93.

У всережимного регулятора с постоянной предварительной деформацией пружины (см. рис. 83) на минимальных скоростных режимах работает только одна наружная пружина 11. По мере увеличения частоты вращения грузы 5 чувствительного элемента расходятся и перемещают муфту 6 влево.

При перемещении муфты на ?z₁ (см. рис. 84) дополнительно включается в работу пружина 10 (см. рис. 83). В регуляторе (см. рис. 93) последова­тельно включаются три пружины, причем внутренняя и сред­няя пружины установлены без предварительной деформации. При дальнейшем перемещении муфты все пружины работают совместно. Работа этих пружин показана на графике (рис. 98, а). Перемещение грузов на участке от r_min до r₂ соответствует пере­мещению муфты на участке ?z₁, поэтому в этот период работает только наружная пружина с жесткостью b₂. В точке 2 включается вторая пружина с жесткостью b₂, и до точки 3 две пружины ра­ботают совместно. Уклон характеристики восстанавливающей силы от радиуса вращения грузов Е' = f (r) на участке 2—3 определяется суммарной жесткостью b₁ + b₂. Участок r₃ — r₂ соответствует перемещению муфты ?z₂, поэтому в точке 3 вклю­чается третья пружина, и уклон характеристики на участке 3—4 определяется суммарной жесткостью трех пружин b₁ + b₂ + b₃.По характеристикам С?_р² = f (r) можно определить угловую скорость грузов, при которых происходят включения второй и третьей пружин (?_р2 и ?_рз).

С помощью характеристики Е' = f (r) и по значению силы сопротивления f в формуле (219) можно построить кривую изменения степени нечувствительности регулятора в зависимости от радиуса вращения грузов или от скоростного режима двигателя (рис. 99).

Для построения зависимости сте­пени неравномерности регулятора от среднего значения угловой скорости регулируемого режима можно вос­пользоваться формулой (213), при­чем каждому участку характеристи­ки Е' = f (r) (см. рис. 98, а) соот­ветствует своя собственная угловая скорость ?_р0і- астатического режима, определяемая из условия

где k_пр — число пружин, работающих на выбранном участке; b_ri — жесткость i-й пружины, приведенная к центру тяжести груза; т_г — масса грузов регулятора.

Зависимость степени неравномерности многопружинного ре­гулятора от среднего значения угловой скорости регулируемого режима (рис. 99) представляет собой совокупность нескольких кривых 1—2, 3—4 и т. д., число которых соответствует числу пружин. При увеличении скоростного режима происходит постепен­ный переход с одной кривой на другую по мере включения в ра­боту дополнительных пружин (участки 2—3, 4—5 и т. д.).

Сравнение ломаной кривой 1—2—3—4—5—6 с одной из кри­вых 1—2 или 3—4, соответствующих работе регулятора с пружи­ной постоянной жесткости, показывает, что введение последова­тельного включения дополнительных пружин значительно уве­личивает диапазон всережимности регулятора.

Для всережимного механического регулятора с последова­тельным включением пружин и их переменной предварительной деформацией (см. рис. 86) график Е' = f (r) имеет вид, представ­ленный на рис. 98, б. У регуляторов такого типа грузы чувстви­тельного элемента (и муфты) совершают полное перемещение в пределах одного регулируемого режима (r_шах — r_min). На минимальном скоростном режиме 1—2 при минимальной предвари­тельной деформации пружины (крайнее левое положение рычага 7 на рис. 86) работает только одна пружина 18. При увели­чении предварительной деформации (поворот рычага 7 против часовой стрелки) вторая пружина 13 включается в точке 8 (см. рис. 98, б), а при одновременном перемещении и муфты это включение происходит в какой-то промежуточной точке 6. Далее обе пружины 13 и 18 (см. рис. 86) работают совместно. Результаты введения дополнительных пружин в таких регуляторах аналогичны уже изложенному.

В последнее время получают распространение всережимные механические регуляторы, в которых для расширения диапазона их работы вместо нескольких последовательно включающихся пружин используется одна пружина постоянной жесткости, но с переменным наклоном пружины по мере смены скоростного режима.

Изменение наклона пружины, как и последовательное вклю­чение пружин, вызывает изменение приведенной к муфте жест­кости пружин (пружины), что дает возможность ограничить не­равномерность работы на минимальных регулируемых скорост­ных режимах.

На рис. 100 показан всережимный регулятор ЯМЗ-240 с пе­ременным наклоном пружины. Чувствительный элемент регулятора состоит из двух грузов 23, укрепленных на осях траверсы. Центробежная сила грузов лапками с роликами передается муфте 22 и через силовой 11 и двуплечий 9 рычаги силовой пру­жине 10. Другой конец силовой пружины связан с рычагом 1, положение которого определяется положением рычага управ­ления 7.

Для остановки двигателя скобу 18 следует повернуть в край­нее нижнее положение. Со скобой жестко связана кулиса 20, которая, поворачиваясь вместе со скобой 18, одновременно по­ворачивает рычаг 6 по часовой стрелке относительно оси, связы­вающей рычаг 6 с пятой 15, и тем самым тягой 3 перемещает рейку 2 в сторону выключения подачи топ­лива. При неработающем двигателе стартовая пружина 4 перемещает рычаг 6, рейку 2 и пяту 15 в крайнее левое положение — поло­жение наибольшей подачи топлива (точка А на рис. 88). В этом слу­чае пята 15 (см. рис. 100) отходит от силового рычага 11 на некоторое расстояние, так как поворот силового рычага 11 по часовой стрел­ке относительно оси ограничивается регулировочным винтом 13, опирающимся (в этом случае) на валик. Такое движение пяты 15 приводит к тому, что в образовавшийся зазор между пятой 15 и силовым рычагом 11 входит клин 17 под действием возвратной спиральной пружины 19, поворачивающей рычаг 21 клина отно­сительно оси серьги 14.

При пуске двигателя рейки 2 топливного насоса вначале удерживается стартовой пружиной 4 в положении наибольшей подачи топлива, затем при угловой скорости ?_н > ?_нA пру­жина 4 деформируется, и рейка перемещается в сторону умень­шения подачи, топлива (см. АВ на рис. 88). Как только пята 15 коснется силового рычага 11, цикловая подача топлива оказы­вается соответствующей внешней скоростной характеристике двигателя.

При желании изменить скоростной режим двигателя необ­ходимо повернуть рычаг 7 и жестко связанный с ним рычаг 1. При этом изменяется не только предварительная деформация пружины 10, но и ее наклон. Тем самым изменяется приведенная к муфте жесткость пружины b_r и, следовательно, угловая ско­рость при астатическом режиме. Чем меньше наклон пружины 10, тем выше ее приведенная жесткость и в соответствии с форму­лой (214) выше угловая скорость ?_р0 при астатическом режиме. Следствием этого является более пологий вид характеристики ? = f (?_р. _ср) и расширение возможного диапазона всережимности.

Аналогично работает всережимный регулятор RSV фирмы «Р. Бош» (рис. 101, а). Конструкция регулятора обеспечивает автоматическое увеличение подачи топлива при пуске (рис. 101, б). Снижение подачи топлива с пускового уровня (см. точку А на рис. 88) до уровня, соответствующего полной нагрузке (точка В), осуществляется за счет деформации слабой пусковой пружины 10 на участке движения муфты 26 до соприкоснове­ния ее с рычагом 14. На холостом ходу с минимальной угловой скоростью коленчатого вала рычаг 7 управления и связанный с ним рычаг 6 натяжения пружины 16 (рис. 101, в) находятся в крайнем правом положении, обеспечивающем минимальную предварительную деформацию пружины 16. Рычаг 14 при этом опирается на пружину 18, работающую при холостом ходе, за счет чего повышается устойчивость таких режимов (см. харак­теристику 7 на рис. 88). При работе двигателя на номинальном режиме (рис. 101, г) муфта 26 соприкасается с корректором (точка N на рис. 88). В случае снижения скоростного режима при полной нагрузке (внешняя характеристика) пружина 19 корректора обеспечит дополнительное перемещение муфты 26 и, следовательно, рейки 8 в сторону увеличения подачи топлива с целью коррекции внешней характеристики. Для остановки дви­гателя (рис. 101, д) достаточно повернуть рычаг 24 по часовой стрелке. Рычаг 12 повернется при этом относительно точки В и переместит рейку 8 в положение выключения подачи топлива.

Пружина 16 регулятора имеет переменный наклон. Для уве­личения скоростного режима рычаг 7 поворачивают влево, и угол ? уменьшается (рис. 102). Это приводит к уменьшению угла наклона пружины ?. По мере уменьшения угла ? увеличивается жесткость пружины, приведенная к муфте 26 регулятора (см. рис. 101).

Определение восстанавливающей силы всережимных регуля­торов с переменным наклоном пружины имеет свои специфиче­ские особенности. В соответствии со схемой регулятора (рис. 102) Е₀ зависит только от положения рычагов 6 и 7, т. е. от угла ?. Точка В₍₎ при ? = ?₀ соответствует минимальной пред­варительной деформации и, следовательно, минимальному ре­гулируемому скоростному режиму.

где R — плечо рычага управления 6 (см. рис. 102); Н — расстоя­ние между осью поворота рычага управления и точкой А₁; ?₁ — угол наклона пружины при ?Н = 0 (?z = 0).

Значение угла ?₁ зависит от конструкции регулятора и по­ложения рычага управления (см. ?ОBD и ?А₁ВD на рис. 103):

где P_min — минимальное усилие пружины, обеспечивающее под­держание минимального скоростного режима.Величина Р_min определяется при настройке регулятора вы­бором положения точки В₀.

Сила Р₀ (рис. 103, б) раскладывается на две составляющие: горизонтальную Е₀^’ и силу Ф₀, действующую вдоль оси рычага регулятора 14 (рис. 101) и воспринимаемую его опорой.

Сила Е₀^’ может быть выражена в виде разности или суммы величин А₁N₁ и A₁М₁, в зависимости от расположения точки А₁ по отношению к промежуточной точке А ₀ при угле ? = 0 (см. рис. 102). Расположение точки А₁ слева от А₀ принимается положительным. Из соотношения ?A₁S₁M₁ и ?M₁S₁N₁ следует, что

Следует учитывать, что при ?₁ ? 10° с достаточной степенью точности в выражении (223) и во всех других, вытекающих из указанной формулы, может быть принято соs ?₁ = 1,0, что не­сколько упростит расчет восстанавливающей силы.

где L_св = L₀ — L_min —длима пружины в свободном состоянии.

Передаточное отношение u_п = c / a с достаточной точностью может быть принято постоянным при всех возможных положениях рычага 14 (рис. 102), и поэтому после приведения Е'₀ к муфте

Зависимости угла ? наклона пружины 16 от положения ры­чага управления при ?H = 0 (?z = 0), найденные по фор­муле (221), и зависимости относительного значения начальной восстанавливающей силы E₀/b, найденные по формуле (225), показаны на рис. 104 при условии, что R = 54 мм; ?H_п = 10 мм; L₀ = 57 мм; u_п = 72 .130; H = 13 мм.

Приращение восстанавливающей силы ?Е зависит от пере­мещения муфты ?z.

Полное перемещение муфты регулятора ?z_n определяется полным перемещением ?h_п рейки 8 топливного насоса, связанной с муфтой тягой 9 и рычагами 12 и 13 (см. рис. 102), поэтому

где u_р- передаточное отношение механизма, связывающего рейку с муфтой.

Если известно перемещение муфты, то можно найти перемеще­ние ?H точки А по соотношению

где ?Р — приращение усилия пружины при перемещении муфты регулятора.

С достаточной точностью связь деформации пружины ?L с пере­мещением ?Н точки А можно найти из соотношения (см. рис. 103, а)

Так как ? — текущий угол наклона пружины (?₁ ? ?), то приращение усилия пружины

Зависимость ?₂ = f (?) при выбранных размерах регулятора представлена на рис. 104 (кривая 3).

Промежуточные значения ? в соответствии с выражением (232) определяются соотношением

Таким образом, с учетом соотношений (225) и (234) восстанав­ливающая сила регулятора с наклонной пружиной может быть найдена но формуле

Для построения характеристик Е  = f (z) по формуле (235) следует преж­де всего найти зависимости ?₁ == f (?) и ?₂ = f (?) (рис. 104). Затем при

выбранных значениях ? = const построить зависимости ? = f (?z) по формуле (233) в пределах ?₁ < ? < ?₂ и ? = f (?z) рис. 105, а). Выполнение перечисленных расчетов и построений позволяет найти зависимости Е₀ = f (?z) по формуле (225) и b_np = f (?z) по формуле (230). Отношение приведенной жесткос­ти b_пр к действительной для регулятора с принятыми выше раз­мерами показано на рис. 105, б.

Постепенное уменьшение жесткости по мере уменьшения ско­ростного регулируемого режима приводит к менее резкому нара­станию значения степени неравномерности (см. кривую 2 на рис. 97). Следовательно, и этим путем диапазон всережимности можно довести до желаемого.