Компоненты газораспределительного механизма

Двигатели автомобилей могут быть оборудованы газораспределительными механизмами разных типов, что зависит от компоновки двигателя, и, главным об­ра­зом, от взаимного расположения коленчатого вала, выпускных и впускных клапанов и рас­пре­де­ли­тель­но­го вала. Количество распределительных валов зависит от типа двигателя.

Распределительный вал (рис. 4.41) обеспечивает своевременное открытие и закрытие клапанов. Он представляет собой металлический вал, образованный опорными шейками 2 и расположенными между ни­ми кулачками 4 для открытия впускных и выпускных клапанов. Опорные шейки вращаются в подшипниках скольжения в виде биметаллических втулок, установленных в отверсти­ях блока цилиндров при нижнем расположении вала или в отверстиях головки блока при верхнем расположении. Для обес­печения необходимой жесткости распредвала число опорных шеек обычно равно числу коренных опор коленчатого вала.

Помимо кулачков впускных и выпускных клапанов, на валу могут быть предусмотрены кулачки для привода топливных насосов 5, задающие роторы 6 или шестерни для привода различных агрегатов (например, масляного насоса или прерывателя-распределителя). Внутри вала проходит канал, через который подводится масло от средней опорной шейки к другим шейкам и кулачкам. К переднему торцу вала крепится ведомая звездочка 6 (шестерня 1) привода. Распредвал отдельных двигателей (ЯМЗ 45340, ЯМЗ 536) приводится от шестерни, установленной на заднем конце коленчатого вала. Вал устанавливается в специальном корпусе подшипников, отлитом из алюминиевого сплава, который за­креплен на верхней плоскости головки блока цилиндров. От осе­вых перемещений распределительный вал фиксируется упорным фланцем 3.

Высота рабочего профиля Н кулачка распредвала обычно выражается в миллиметрах, и показывает расстояние, на которое перемещается клапан или толкатель клапана. Суммарный подъем клапана – это высота рабочего профиля кулачка, или восходящее движение толкателя клапана, помноженное на передаточное отношение, определяемое соотношениями длин плеч коромысла. Форма кулачков оказывает влияние на рабочие фазы распределения газов, частоту и продолжительность работы клапанов. Чем выше рабочий профиль кулачка возвышается над базовой окружностью, тем большее количество воздуха и топлива можно будет ввести в цилиндр двигателя. Чем больше воздуха и топлива будет участвовать в процессе сгорания внутри цилиндра двигателя, тем выше мощностной потенциал двигателя. Одноименные кулачки (под впускные или вы­пускные клапаны) располагаются в четырехцилиндровом двигате­ле под углом 90°, шестицилиндровом — под углом 60°, восьмицилиндровом — под углом 45°.

В большинстве рядных двигателей, имеющих по два клапана на цилиндр, применяется один распределительный вал. В настоящее время распространены двигатели с четырьмя клапанами на цилиндр. В этом случае в головке обычно устанавливают два распреде­лительных вала: один для впускных, другой для выпускных клапанов. В V-образных двигателях применяются один распределительный вал при расположении вала в развале между бло­ками и два распределительных вала — по одному на каждый блок при их верхнем расположении.

Для обеспечения технологичности диаметры опорных шеек выполняют одинаковыми, собираемость в этом случае обеспечивается установ­кой подшипников с гарантированным зазором 0,03…0,09 мм. Иногда, для облегчения установки распределительного вала в блок или головку блока, диаметры опорных шеек делают неодинаковыми, уменьшая размер от передней к последней на 2…3 мм.

Осевая фиксация распределительного вала осуществляется специ­альными ограничительными фланцами, крепящимися болтовым соеди­нением к блоку или головке блока. Допустимая величина осевого пере­мещения не должна превышать 0,1…0,2 мм.

Распределительный вал ГРМ штампуют из мало­углеродистой стали или отливают из специального чугуна и под­вергают термической обработке. Кулачки, опорные шейки, эксцентрики шестерни в целях повышения их износо­стойкости подвергают дополнительной обработке: валы из малоуглеродистых сталей подвергают цементации, валы из среднеуглеродистых сталей закаливают токами высокой частоты на глубину 2… 3 мм. Затем кулачки и опор­ные шейки шлифуют и полируют.

Клапанный механизм обеспечивают соединение цилиндра с трубопроводами впускной и выпускной систем в процессе газообмена в соответствии­ с принятыми фазами газораспределения, герметизацию камеры сгорания в процессе сжатия и расширения.

Клапанный механизм (рис. 4.42) включает впускной или выпускной клапан, пружину, элементы крепле­ния клапана и пружины, направляющую втулку, седло клапана.

Клапаны ГРМ устанавливаются в головке блока, при этом место их соединения также имеет конусную форму и называется седлом.

Клапан состоит из головки (или тарелки) и стержня. Головки обычно имеют небольшой (около 2 мм) цилиндрический поясок и уплотнительную фаску. Клапанный стержень выполнен в форме цилиндра, в верхней части оснащен специальной канавкой 12 для установки сухариков. Торцы стержней (3…5 мм) закали­вают. Для того чтобы предотвратить попадание масла в камеру, между клапанным стержнем и направляющей втулкой устанавливается уплотняющий маслосъемный колпачок 13, выполненное из маслостойкой резины.

Каждый клапан оснащен внутренней 5 и наружной 4 пружинами. Крепление пружин происходит при помощи шайб 14, тарелки 6 и сухарика 7.

Впускные клапаны изготавливаются из стали, из легированных сталей с высоким содержани­ем хрома и никеля, а выпускные клапаны – из жаропрочной стали. Для изготовления седел клапанов применяется жаропрочный чугун.

Современные автомобильные двигатели, чаще всего используемые для серийных автомобилей, оснащены двумя клапанами впуска и двумя клапанами выпуска, установленные на каждом цилиндре.

Открытие клапанов производится за счет привода, который передает усилие от распредвала на клапан.

Впускные клапаны. Массовое наполнение двигате­ля зависит от величин проходного сечения, открывае­мого клапаном и продолжительности открытия. Пло­щадь впускного отверстия равна площади конической поверхности, расположенной между тарелкой клапана и его седлом. Эта площадь пропорциональна диаметру опорной поверхности клапана, высоте подъема клапана и зависит от угла фаски клапана. Большинство клапанов выполняется с углом фаски 45 °. Для форсированных дви­гателей угол фаски иногда выполняется равным 30 °. При меньшем угле фаски площадь впускного отверстия уве­личивается, однако при этом уменьшается жесткость та­релки, что может привести к колебаниям клапана и на­рушению процесса впуска. Уплотнительные фаски клапанов шли­фуют и притирают к седлам, а стержни подвергают термообработке, шли­фовке, полировке и покрывают хромом. Впускные клапаны могут изготавливать с вогнутой или тюльпанообразной формой головки, что обеспечивают снижение гидравлических потерь при по­ступлении свежего заряда в цилиндр и уменьшение массы клапана. Температура головки впускного клапана достигает 300…420 °С.

Диаметр тарелки клапана ограничивается его расположением в камере сгорания, конструкцией головки ци­линдра, диаметром цилиндра. Увеличение числа впуск­ных клапанов позволяет добиться наибольшего эффекта по наполнению. Большинство современных двигателей легковых автомобилей имеют по два впускных клапана, но встречаются двигатели и с тремя клапанами. Это обеспечивает увеличение существенное суммарного проходного сечения.

Выпускные клапаны. Впуск происходит под дейст­вием разрежения в цилиндре, а начало выпуска под дей­ствием значительно большего давления в цилиндре, по­этому выпускные клапаны выполняются всегда меньшего диаметра, чем впускные. Выпускной клапан работает в более тяжелых температурных условиях, чем впускной. Температура выпускного клапана при опти­мальных углах опережения зажигания и составах смеси доходит до 950 °С. Этот клапан выполняют составным. Его головку делают из жаропрочной хро­мистой стали, а стержень — из специальной хромистой стали.

При снижении углов опережения за­жигания, применении топлива с меньшей скоростью сго­рания, нарушении герметичности клапана и ряде других факторов перегрев клапана прогрессирует, что может вызывать его прогар. Для снижения температуры выпускною клапана с це­лью повышения надежности и уменьшения требований к октановому числу топлива существуют различные способы. Это применение двух клапанов меньшего диаметра вместо одного; применение натриевого охлаждения (рис. 6.4, б). С этой целью клапан выполняют полым с утолщенным стержнем и примерно на ²/₃ полости заполняют металлическим натрием, температура плавления которого составляет около 97 ° С. В рабочем состоянии расплав­ленный натрий, перемещаясь внутри полости при возвратно-поступатель­ном движении клапана, увеличивает интенсивность отвода теплоты от горя­чей головки к более холодному стержню и далее к направляющей втулке. В двигателях с непосредственным впрыском бензи­на и наддувом за счет увеличения перекрытия клапанов охлаждение достигается продувкой камеры сгорания. Выпускные клапаны выполняют с выпуклой формой головки, что улучшает об­текание клапана при выпуске отработавших газов со стороны цилиндра.

Так как выпускной клапан работает в более тяжелых температурных условиях, чем впускной, его выполняют составным. Головку делают из жаропрочной хро­мистой стали, а стержень — из специальной хромистой стали.

Движение стержней клапанов осуществляется по направляющим втулкам, которые обеспечивают строго перпендикулярное относи­тельно седла перемещение клапанов. Сами направляющие соединены с головкой блока цилиндров.

Материалом для изготовления направ­ляющих втулок служат в основном перлитный чугун и металлокерамика, представляющая собой смесь из порошков железа, меди и графита, которые подвергаются прессованию, спеканию в печи и пропитыванию маслом. От возможного просачивания в цилиндры масла, стекающего по стержням клапанов, последние снабжаются самоподжимными манжетами (маслосъемными колпачками).

Клапанные пружины обеспечивают посадку клапана на седло и удерживают его в закрытом положении в течение заданной продолжительности по углу поворота коленчатого вала, а также препятствуют открытию клапанов под дей­ствием избыточного давления в газовоз­душных каналах головки цилиндров. На каждый клапан ставится одна или две пружины. Использование двух пружин в клапанном узле позволяет уменьшить габариты клапанного узла и повысить долговечность пружин. Пружины крепятся на стержне клапана с помощью втулки 8, тарелки 6 и разрезного сухаря 7.

Для того чтобы при поломке одной из пружин витки ее не попадали между вит­ками другой, навивку пружин выполняют в разных направлениях.

Усилие пружины передается клапану через тарелку 6 с втулкой 8, которая сое­динена с клапаном разрезными конически­ми сухариками. Чтобы повысить долговечность опорной поверхности головки блока цилиндров, под пружину устанавливают стальную штампо­ванную тарелку.

Клапанные пружины изго­товляют из высокопрочной пружинной проволоки методом холодной навивки. Пружину подвергают закалке и среднему отпуску. Концевые вит­ки пружин шлифуют для получения плоской кольцевой опорной поверхности. Для повышения усталостной прочности пружины обрабатывают стальной дробью, а для защиты от коррозии пру­жину оксидируют, оцинковывают или кадмируют.

Чтобы убрать выборки под клапаны в днище поршня, сёдла клапанов в дизельных двигателях могут быть утоплены глубже в головку блока цилиндров (рис. 4.43). Вместе с использованием более плоских тарелок клапанов это позволило снизить объём, в котором образуются токсичные вещества.

Толкатели – это детали ГРМ, основным назначение которых является передача усилий от кулачков распредвала к штангам.

Выделяют три вида толкателей – грибовидные, роликовые и цилиндрические. Движение толкателей может происходить как по направляющим в блоке цилиндров, так и в небольших корпусах, прикрепленных к цилиндровому блоку. Толкатель представляет собой стальной стаканчик, установленный в отверстии блока. Донышко толкателя контактирует с кулачком, а во внутреннюю полость его входит штанга, передающая усилие от толкателя к коромыслу.

Для изготовления толкателей применяется высокопрочная сталь или чугун.

Штанги предназначены для передачи действий от толкателей к коромыслам. Штанга представляет собой полый цилиндрический стержень со стальными наконечниками и изготавливаются из износостойкого алюминиевого сплава, соединяются с одной стороны с коромыслом, с другой – с толкателем. На концы штанг напрессовывают стальные сферические наконеч­ники, подвергнутые термообработке и шлифованию.

Коромысло осуществляет передачу усилия от штанги к впускным/выпускным клапанам. Коромысло представляет собой разноплечий рычаг, качающийся на оси. Подшипником служит бронзовая втулка, предназначенная для уменьшения трения между ними.

Коромысла отливают из чугуна или штампуют из стали.

При верхнем расположении распредвала воздействие вала на клапан может осуществляться либо через коромысло (рис. 4.40, а), либо непосредственно на клапан через толкатель. Толкатель, показанный на рис. 64.40, нажимает на стержень клапана, который открывается, преодолевая сопротивление пружины. Перемещение толкателя осуществляется за счет воздействия кулачка при повороте распредвала, опирающегося на регулировочную шайбу. Последняя меняется при необходимости при проверке и регулировке теплового клапанного зазора.

При верхнем размещении распредвала используют разъемные подшипники, которые обычно выполняют непосредственно в теле опорных стоек, если они отлиты из алюминиевого сплава. В чугунные стойки устанавливают вклады ши с заливкой антифрикционным сплавом.

Смазка к подшипникам при верхнем расположении вала подво­дится через внутреннюю полость вала и отверстия в его опорных шейках и кулачках.

Привод распредвала. Привод распредвала от коленчатого вала, как было указано выше, осуществляется, шестернями, цепью, зубчатым ремнем или может быть смешанным.

Шестеренчатый или смешанный (рис. 4.40) привод применяется в двигателях грузовых автомобилей (автобусах) или легковых автомобилях большой мощности, цепной и ременной – в легковых автомобилях.

При цепном приводе (рис. 4.40, а) на большинстве автомобильных двигателей исполь­зуется одна или несколькими однорядных, или двухрядных втулочно-роликовых цепей. Привод цепью более надежный, хо­тя и несколько более шумный, чем привод зубатым рем­нем.

Конструкция двигателя с приводом зубчатым рем­нем (рис. 4.40, б) упрощается, т.к. не требуется его смазки и появляет­ся возможность использования его дли привода внеш­них агрегатов (насоса охлаждающей жидкости, генера­тора). Ременный привод состоит из зубчатого шкива коленчатого вала, похожего по виду и конструкции зубчатого шкива распределительного вала (или двух валов), ремня ГРМ, натяжного ролика, шкива насоса охлаждающей жидкости. Для обеспечения оптимального прилегания ремня ГРМ к поверхностям шкивов, применяются промежуточные ролики (блоки). Благодаря промежуточным роликам, ремень работает строго на своем месте, что способствует отсутствию перескоков зубчатого соединения во время работы двигателя.

Профиль зуба ремня ГРМ, обеспечивающий постоянную без проскальзывания передачу мощности, может иметь различный размер, форму и шаг. Форма профиля зубца приводного ремня бывает 3-х видов: трапециевидный, округлый и смешанный. Трапециевидная форма зубца (рис. 4.44) является стандартной. Если для передачи больших крутящих моментов требуются повышенные эксплуатационные возможности приводного ремня, то используются зубцы округлого профиля. Гораздо реже используются зубцы смешанного профиля, сочетающие в себе эксплуатационные возможности двух предыдущих видов.

Для сохранения продольной устойчивости приводного ремня, в изготовлении гибкого корда используют стекловолокно. При этом сохраняется поперечная гибкость приводного ремня. Оболочка ремня, в которой располагаются кордовые нити, изготавливается из синтетического неопренового каучука. Это служит защитой корда от грязи и масла и препятствует преждевременному износу. Зубцы приводного ремня также изготавливаются из неопрена. Они привариваются к верхнему неопреновому слою покрытия. Зубцы обеспечивают безрывковую передачу и оптимальное сцепление между ремнем и роликами натяжителей.

Несмотря на использование в зубчатых ремнях синтетических материалов со стекловолокнистым или прополочным кордом, недостатком привода зубчатым ремнем, является необходимость менять ремни через за­данный пробег (обычно 90…210 тыс. км).

Системы привода распределительного вала зубчатым ремнем или цепью оснащаются натяжителем с механическим или гидравлическим приводом (рис. 4.40) для ком­пенсации отклонений в результате изнашивания в процессе эксплуатации. Натяжители цепей 3 натягивают пластмассовый башмак. С целью предотвращение колебаний на участках ведущих участков цепи устанав­ливаются успокоители, как правило, из пластмассы.

Устройство гидравлического привода гидронатяжителя показано на рис. 4.45.

Гидронатяжитель стальной, выполнен в виде плунжерной пары, состоящей из корпуса 4 и плунжера 3. Внутри плунжера установлена пружина 5, которая сжата корпусом клапана 1 с наружной резьбой, в котором расположен обратный шариковый клапан. Корпус 4 и плунжер 3 связаны между собой через храповое устройство, состоящее из запорного кольца 2, кольцевых канавок в корпусе и канавки специального профиля на плунжере. Гидронатяжитель устанавливается на двигатель в «заряженном» состоянии, когда плунжер 3 удерживается в корпусе 4 с помощью стопорного кольца 6.

В рабочем состоянии гидронатяжитель «разряжен», когда стопорное кольцо 6 выведено из канавки в корпусе и не удерживает плунжер.

Гидронатяжитель работает следующим образом. Под действием пружины 5 и давления масла, поступающего из масляной магистрали, плунжер 3 нажимает на башмак цепи, а через него — на цепь. По мере вытяжки цепи и износа башмака плунжер выдвигается из корпуса 4, передвигая запорное кольцо 2 храпового устройства из одной канавки корпуса в другую. При изменении скоростного режима работы двигателя и возникновении ударов со стороны цепи на башмак плунжер 3 движется назад, сжимая пружину 5; при этом шариковый клапан закрывается и происходит дополнительное демпфирование за счет перетекания масла через зазор между плунжером и корпусом.

Обратный ход плунжера ограничивается шириной канавки на плунжере.

Ременный и цепной приводы распределительного вала способствуют бес­шум­ной работе газораспределительного механизма.

Частота вращения рас­пределительного вала у четырехтактных двигателей в 2 раза мень­ше частоты вращения коленчатого вала, поэтому шестерня или шкив привод распредвала по диаметру выполняется в 2 раза больше.

Тепловой зазор в клапанном механизме. По мере разогрева двигателя в процессе его работы наблюдается различ­ное удлинение блока, головки цилиндров и клапанного привода. В результате этого может не обеспечиваться плотная посадка клапана в седле, что отрицательно повлияет на выходные показатели двигателя и техническое состояние клапана. Для нормальной работы дви­гателя между деталями клапанного привода в холодном состоянии предусматривается тепловой зазор, значение которого зависит от температурного ре­жима работы двигателя, конструкции ГРМ и материалов деталей привода и двигателя. Для каждого конкретного двигателя тепловые зазоры устанавли­вают исходя из опытных данных. Тепловой зазор можно ценить соотноше­нием; ΔS_к = (0,03 ÷ 0,05) h_т (здесь h_т — максимальная высота подъема толка­теля).

Следует отметить ошибочное мнение, что по мере прогрева двигателя зазор в клапанном механизме уменьшается. Это неверно, потому что зазор может как увеличиваться, так и уменьшаться. Это зависит от конструкции и материалов из которых выполнен блок, головка блока, газораспределительный механизм. Хотя при нагревании металлы расширяются, однако применение разных металлов (сталь, чугун, алюминий), которые имеют различный коэффициент расширения и использование сложного привода с помощью штанг, в сумме может привести не к уменьшению, а к уменьшению клапанного зазора.

Когда зазор увеличен, клапаны открываются не полностью, в результате чего ухудшается наполнение цилиндров свежим зарядом и очистка их от продуктов сгорания, а также возникают ударные нагрузки на детали клапанного механизма.

При недостаточном зазоре клапаны неплотно садятся в седла (полностью не закрываются), вследствие чего происходит утечка газов, образование нагара с обгоранием рабочих поверхностей седла и клапана.

Тепловые зазоры и порядок их регу­лировки указаны в инструкциях по эксплуатации двигателей автомобилей.

Гидравлические толкатели. В настоящее время в газораспределительных механизмах дви­гателей легковых автомобилей для привода впускных и выпуск­ных клапанов находят широкое применение гидравлические тол­катели, которые расположены в направляющих отверстиях головки цилиндров по оси отверстий под клапана или приводятся в действие коромыслами.

Благодаря гидротолкателям уменьшаются стуки, ме­ханизм работает более плавно и четко, устраняются не­исправности двигателя, которые могли быть при нару­шении зазоров (прогары клапанов, потеря мощности и т.п.). В связи с отсутствием зазора, не изменяются фазы газораспределения при износе деталей клапанного ме­ханизма. Кроме того, при техническом обслуживании автомобиля не требуется регулировать зазор в клапан­ном механизме.

Гид­ротолкатель (рис.4.46) состоит из корпуса толкателя 2, цилиндра 6, плунжера 3 и обратного шарикового клапана 4, который под­жат к отверстию в поршне пружиной. Поршень и плун­жер разжимаются возвратной пружиной 5, находящейся между ними.

Работают гидротолкатели следующим образом.

Когда клапан закрыт, масло поступает в толкатель через канавку и отверстие в боковой поверхности. Масло проходит через паз, расположенный в верхней части толкателя и поступает в цилиндр толкателя. Пружина и масло, находящиеся между цилиндром 6 и плунже­ром 3, разжимает их и прижимает верхнюю плоскость корпуса 2 толкателя к кулачку, а нижнюю плоскость плунжера к торцу клапана, выбирая зазор в клапанном механизме. Жесткость этой пружины и давление масла намного меньше жесткости пружины клапана 7 и поэтому клапан остается закрытым, когда толкатель касается затылочной части кулачка (рис. 4.46, а).

Когда на толкатель начинает воздействовать набега­ющая часть кулачка, происходит короткий ускоряющий удар по корпусу толкателя, а т.к. шариковый клапан закрыт, то в камере «с» создается высокое давление. Поскольку жидкость (масло) в камере «с» практически несжимаема, узел цилиндр-плунжер становится жест­ким и передает усилие от кулачка на клапан (рис. 4.46, б).

Кроме чашечных гидротолкателей в двигателях могут применяться гидротолкатели 3, на которые воздействуют коромысла 4 (рис. 4.47). Коромысла качаются на вставных осях 6. Гидротолкатель находится в каждом рычаге непосредственно над стержнем клапана. Масло подводится к гидротолкателю от вставной оси через продольное сверление 5 в рычаге клапана. Равномерное распределение давления в зоне контакта рычага с клапаном обеспечивается подпятником 2. Для уменьшения потерь на привод клапанов в указанном коромысле трение скольжения заменено трением качения, за счет применения ролика.

Принцип действия гидротолкателя с коромыслом аналогичен чашечному гидротолкателю.

Чтобы убрать выборки под клапаны в днище поршня, сёдла клапанов в дизельных двигателях могут быть утоплены глубже в головку блока цилиндров (рис. 4.48). Вместе с использованием более плоских тарелок клапанов это позволило снизить объём, в котором образуются токсичные вещества.