Газораспределительные механизмы ДВС. Часть 1. Методические указания к выполнению самостоятельной работы студентами по дисциплине ''Автомобили''

Министерство образования РФ

Гергенов С.М. Механизмы ДВС: Методические указания к выполнению самостоятельной работы студентами по дисциплине СД.06.01. «Автомобили», с.

Восточно-Сибирский государственный технологический университет Кафедра “Автомобили” СД.06.01. Автомобили Часть 1 Газораспределительные механизмы ДВС Гергенов С.М.

Методические указания к выполнению самостоятельной работы студентами по дисциплине СД.06.01.«Автомобили» для специальности 150200 “Автомобили и автомобильное хозяйство”

Улан-Удэ 2001

В методических указаниях рассматриваются вопросы, связанные с изучением устройства, принципа работы основных механизмов двигателей внутреннего сгорания: кривошипно-шатунного и газораспределительного. Методические указания предназначены для студентов очной и заочной форм обучения, обучающихся по специальностям 150200 “Автомобили и автомобильное хозяйство”, 230100 «Сервис и техническая эксплуатация транспортных и технологических машин и оборудования (автомобильный транспорт)» и 1705 «Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта». Могут быть использованы при изучении курсов СД.06.02 «Автомобильные двигатели», «Теория двигателей внутреннего сгорания», «Испытания автомобилей», а также при выполнении дипломного проекта.

Восточно-Сибирский государственный технологический университет, 2001 г.

1. Общие положения Газораспределение или газообмен, являясь неотъемлемой частью действительного (рабочего) цикла ДВС, служит для управления процессами впуска в цилиндры двигателя свежего заряда (горючей смеси или воздуха) и выпуска отработавших газов в соответствии с принятым для двигателя порядком работы. Для реализации процессов газообмена впускные и выпускные отверстия цилиндров должны открываться и закрываться, с заданной закономерностью, с помощью специальных запирающих элементов (клапаны, золотники), кинематически связанных с коленчатым валом. Совокупность этих элементов, деталей передачи движения с ними, управления ими и привода образуют газораспределительный механизм (ГРМ). Важные функции ГРМ состоят еще в том, чтобы надежно уплотнять впускные и выпускные отверстия цилиндров, а также способствовать лучшей очистке цилиндров и обеспечивать хорошее наполнение их свежим зарядом. В зависимости от конструкции запирающих элементов ГРМ, в настоящее время, существует три способа газораспределения: клапанное, золотниковое и комбинированное. Клапанное газораспределение получило преобладающее применение в четырехтактных автомобильных ДВС. Остальные способы газораспределения реализованы в двухтактных ДВС, в частности, золотниковое газораспределение – в ДВС малой мощности (мотоциклетные и др.), комбинированное (клапанно-золотниковое) газораспределение - в ДВС большой мощности (тепловозные, судовые). Важнейшей характеристикой любого способа газообмена, является круговая диаграмма фаз газораспределения (рис. 1, 2), отражающая продолжительность открытия впускных или выпускных отверстий цилиндра в градусах угла

поворота коленчатого вала относительно мертвых точек. В зависимости от назначения отверстий, соединяющих цилиндровую полость двигателя с впускным или выпускным трубопроводами, различают фазы впуска (продувки) и выпуска. Величину фаз выбирают сообразно с тактностью двигателя, особенностями его конструкции и быстроходностью. Правильность выбора фаз газораспределения для каждой конкретной модели двигателя уточняют экспериментально при доводке двигателя на стенде. Клапанное газораспределение (рис. 1) имеет следующие преимущества: - простота конструкции; - малая стоимость изготовления и ремонта; - хорошее уплотнение камеры сгорания; - хорошая эксплуатационная надежность. К недостаткам клапанного газораспределения следует отнести: - повышенную шумность; - не обеспечивает желаемого (в идеале мгновенного) открытия и закрытия впускных и выпускных отверстий цилиндров, а изменяет их проходное сечение, как показано, например, на рис. 2, б, пропорционально высоте подъема клапана с увеличением до максимального значения и последующего уменьшения до полного закрытия. Однако последний недостаток сводится к минимуму за счет расширения фаз впуска и выпуска, как показано на рис. 1, а. В четырехтактных ДВС такты впуска и выпуска осуществляют за 180° угла поворота коленчатого вала. Однако изза газодинамических сопротивлений впускной и выпускной систем, инерционности газовых потоков, дросселирующего действия впускных и выпускных отверстий цилиндров, продолжительность процессов впуска и выпуска должна быть существенно большая. Так, общая продолжительность фаз впуска и выпуска в автомобильных двигателях (рис. 1, а)

достигает 230…300° вследствие развитых углов опережения о открытия клапанов: впускного за ϕ вп=10…30° до в.м.т., выо пускного за ϕ вып =40…70° до н.м.т.; и запаздывания закрыз тия клапанов: впускного за ϕ вп=40…80° после н.м.т., выпуз скного за ϕ вып=10…50° после в.м.т. Открытие впускного клапана с небольшим углом опережения требуется для: - приоткрытия клапана к моменту прихода поршня в в.м.т. с целью увеличения эффективного проходного сечения щели между клапаном и седлом. - использования инжекционного действия потока отработавших газов, выходящих с большой скоростью через открытый выпускной клапан, для подсасывания свежего заряда с целью продувки цилиндров. Угол опережения выбирается небольшим во избежание

Рис. 1. Диаграмма фаз газораспределения (а) и подъема клапана (б) четырехтактного двигателя ВАЗ-2108, характеризующая изменение проходного сечения впускного отверстия по углу ϕ поворота коленчатого вала.

потерь топлива при продувке цилиндров (для ДВС с внешним смесеобразованием) и обратного выброса свежего заряда во впускную систему. Закрытие впускного клапана с большим углом запаздывания требуется для использования инерционности и скоростного напора свежего заряда, поступающего в цилиндр в конце впуска с большой скоростью, с целью дополнительного наполнения цилиндров (дозарядки); К примеру, на номинальном режиме работы ДВС дозарядка цилиндров составляет 10…15 % от свежей горючей смеси или воздуха, потребляемых двигателем. Открытие выпускного клапана с большим углом опережения требуется для: - приоткрытия клапана к моменту прихода поршня в н.м.т. с целью увеличения эффективного проходного сечения щели между клапаном и седлом; - лучшей очистки цилиндров за счет свободного истечения газов под избыточным давлением. К этому моменту газы в цилиндре имеют давление около 0,4…0,5 МПа и истекают в атмосферу с большой скоростью, равной скорости при критическом перепаде давлений. Считают, что за эту первую фазу выпуска из цилиндра выбрасывается примерно 60…70 % всех отработавших газов и только 20…30 % их удаляется при последующем ходе поршня от н.м.т. к в.м.т., когда осуществляется вторая фаза выпуска. Если выпускной клапан открывать в момент нахождения поршня в н м. т., то все отработавшие газы пришлось бы удалять из цилиндра при движении поршня к в.м.т. и затрачивать на это большую работу. Закрытие выпускного клапана с небольшим углом запаздывания требуется для использования инерционности и скоростного потока отработавших газов с целью дополнительной очистки и продувки цилиндров свежим зарядом. Положение, когда поршень находится вблизи в.м.т. и оба клапана

одновременно приоткрыты, называют перекрытием клапанов, которое достигает 30…40° угла поворота коленчатого вала. Рабочий цикл в двухтактных двигателях осуществляют за один оборот коленчатого вала, поэтому в сравнении с четырехтактными двигателями продолжительность фаз газораспределения у них примерно в 2 раза меньше. Круговая диаграмма фаз двухтактного двигателя, имеющего кривошипно-камерную продувку, существенно отличается от диаграмм четырехтактных двигателей еще и тем, что характеризует газообмен одновременно в надпоршневой и кривошипной полостях двигателя. На рис. 2 представлена типичная диаграмма газообмена двухтактного двигателя ИЖ-ПЗ, позволяющая наглядно прослеживать одновременность наполнения цилиндра и принудительного вытеснения из него отработавших газов в процессе продувки. В рассматриваемом примере выпуск продолжается только 154°, а продувка всего 121" угла поворота коленчатого вала, поэтому очистка и наполнение циРис. 2. Диаграмма газообмена линдров в двигателях с двухтактного двигателя ИЖ-П3 с кривошипно-камерной продувкой двухтактным рабочим циклом всегда бывает хуже, чем в четырехтактных.

2. Клапанные механизмы газораспределения В клапанных ГРМ клапаны, перекрывающие впускные и выпускные отверстия цилиндров, называют соответственно впускными и выпускными. Широкое распространение получили конструкции двигателей с двухклапанными ГРМ, включающие в себя один впускной и один выпускной клапаны (рис. 3, 4). В двигателях с цилиндрическими и клиновидными камерами сгорания клапаны располагаются в один ряд вдоль оси блока (см. рис. 3). Впускные и выпускные клапаны чередуются (рис. 3, а) или располагаются попарно (рис.3, б). В последнем случае впускные клапаны соседних цилиндров могут иметь один общий иди раздельные патрубки для каждого клапана (рис. 3, а, в). Двухрядное расположение клапанов (рис. 4) применяют в двигателях с искровым зажиганием (ДсИЗ), имеющих шатровые или полусферические камеры сгорания. Оси клапанов могут быть наклонены к оси цилиндра, что позво-

Рис.3. Однорядное расположение двух клапанов на один цилиндр: а, в — впускные в выпускные клапаны чередуются, б— те же, расположены попарно

ляет увеличить диаметры горловин клапанов и упростить форму каналов в головке. В дизелях двухрядное расположение клапанов обычно не применяется в связи с трудностью размещения форсунок в местах, удобных для обслуживания. В ДсИЗ с однорядным расположением клапанов впускной и выпускной трубопроводы могут быть размещены как с одной стороны головки цилиндров (рис. 3, а. б), так и с обеих сторон Рис. 4. Двухрядное расположение двух клапанов на один цилиндр (рис. 3, в). В двигателях с двухрядным расположением клапанов и в Vобразных двигателях трубопроводы располагаются по обе стороны головки цилиндров (рис. 4). Все большее распространение получают конструкции механизма газораспределения с тремя (рис. 5) и четырьмя клапанами на один цилиндр (рис. 6). С одной стороны, переход от двух- к трех- и четырехклапанным вариантам и усложняет механизм газораспределения и конструкцию головки цилиндров, с другой стороны это позволяет: - увеличить площади проходных сечений клапанов при уменьшении их размеров; - с уменьшением диаметра головки клапана увеличить ее жесткость и улучшить охлаждение. - снизить инерционные нагрузки на детали механизма газораспределения; - снизить расход топлива примерно на 9 г/(кВт-ч). Трехклапанные механизмы с одним выпускным клапаном большого диаметра и двумя впускными (рис. 5, а) или с од-

ним впускным большого диаметра и двумя выпускными (рис. 5, б). При установке четырех клапанов на один цилиндр (рис. 6) одноименные клапаны могут располагаться вдоль продольной оси блока (рис. 6, а) или в двух рядах (рис. 6, б). При двухрядном расположении Рис. 5. Варианты расположения стержень выпускного клапатрех цилиндров на один клапан на, расположенного со стороны выпускного патрубка, подвергается интенсивному нагреву. С этим связано более широкое распространение конструкций с расположением одноименных клапанов в раз-

Рис. 6. Варианты расположения четырех цилиндров на один клапан

личных рядах. При выборе схемы привода клапанов стремятся максимально снизить массы движущихся элементов механизма газораспределения и увеличить его общую жесткость. В зависимости от расположения распределительного вала ГРМ подразделяют на механизмы с нижним или средним и верхним расположением распределительных валов. В зависимости от расположения клапанов относительно цилиндра различают нижнеклапанные, верхнеклапанные и смешанные механизмы газораспределения, отдельные конструкции которых показаны на рис. 7. Индивидуальные особенности клапанных механизмов тесно связаны с выбором формы для камеры сгорания (КС) двигателя. Нижнеклапанное газораспределение самое простое и характеризуется тем, что впускные и выпускные клапаны расположены сбоку цилиндра, поэтому эти механизмы называют также механизмами с боковым расположением клапанов (рис. 7, а). Основными элементами его являются: клапан, клапанная пружина, толкатель, регулировочный болт и распределительный вал с кулачками (по числу клапанов), называемый поэтому также кулачковым. Клапаны 1 (впускной и выпускной) совершают осевые перемещения в направляющей втулке 3 и нагружены соответственно пружинами 4, которые закрепляют на клапане с помощью тарельчатой шайбы 5 и сухарей 12, поэтому они плотно перекрывают впускное и выпускное отверстия цилиндра. Под стержнями клапанов установлены толкатели 8, опирающиеся своей тарельчатой частью на распределительный вал 10, который через шестеренный привод получает вращение от коленчатого вала двигателя, вследствие чего кулачки 9 набегают на толкатели и поднимают их вместе с клапанами. В рассматриваемом случае кулачок 9 открывает впускной клапан 1 и надпоршневую полость цилиндра соединяет с впускным каналом 14. Далее при вращении кулачкового вала .клапанная

Рис. 7. Клапанные механизмы газораспределения. а) с нижним расположением клапанов; б) с верхним расположением клапанов; в) с направляющим стаканом; г) передача через коромысла; д) с механической опорой у промежуточного рычага е) с гидравлической опорой у промежуточного рычага

пружина 4 опускает клапан, т. е. закрывает впускное отверстие цилиндра. Так, кулачки вала со строго заданной последовательностью открывают, а пружины закрывают впускные и выпускные клапаны, обеспечивая смену рабочего тела в цилиндрах. Чтобы пружины плотно прижимали клапаны к кромкам 2, т. е. к седлам перекрываемых ими отверстий, клапаны и седла изготавливают с конусными фасками. С этой же целью в толкателе помещают регулировочный болт 6 с контргайкой 7, доступ к которым осуществляют через полость 11 в блоке цилиндров 13. Регулировочный болт ввертывают в тело толкателя так, чтобы обеспечить гарантированный зазор между ним и клапаном в рабочем (горячем) состоянии. Благодаря этому усилие пружины 4 полностью передается на уплотнительную фаску клапана как в холодном, так и в горячем состоянии деталей механизма газораспределения остова двигателя. Нижнеклапанному газораспределению присущи простота и жесткость конструкции, но возможности повышения степени сжатия двигателя ограничены вследствие наступающего при этом дросселированнн потока на входе в цилиндр. Камеры сгорания нижнеклапанных двигателей, размещаемые в головке цилиндров, известны как Г-образные, имеют относительно большие поверхности охлаждения, через которые непроизводительно теряется часть теплоты, выделяющейся при сгорании топлива, что ухудшает экономичность двигателя. К тому же в Г-образных камерах сравнительно легко возникают условия для разрушительного детонационнoгo сгорания смеси, поэтому в современных двигателях нижнеклапанные механизмы практически не применяют (ранее, применялись в ЗМЗ-52). Верхнеклапанное газораспределение (рис. 7, б) размещают одновременно в блоке и в головке цилиндров. Клапаны расположены (подвешены) при этом над цилиндром, вследствие чего такие механизмы называют иногда механизмами

с подвесными клапанами. Принцип их работы не отличается от рассмотренных выше нижнеклапанных, но они более сложны, так как имеют ряд дополнительных деталей: коромысло 18, шарнирно посаженное на ось 19, закрепленную в стойках (кронштейнах) 17, и толкающую штангу 16, передающую усилия от толкателя 8. Применение верхнеклапанных механизмов связано с увеличением высоты двигателя и заметно снижает общую жесткость системы. Тем не менее ГРМ с нижним расположением распределительного вала и верхним расположением клапанов широко применяется в мало- и среднеооборотных двигателях V-образной компоновки грузовых автомобилей (ЗМЗ-53, ЗИЛ-130, КамАЗ-740 и др.). Верхнеклапанное газораспределение снимает ограничения по степени сжатия, уменьшает гидравлическое сопротивление на впуске и позволяет более рационально компоновать камеры сгорания с размещением в головке цилиндров или в днище поршня, повышая этим общее использование теплоты в цилиндрах. Снижение жесткости механизма проявляется при работе двигателя с большой частотой вращения коленчатого вала вследствие деформации штанг и других деталей. Как результат этого закон подъема клапанов, т.е. зависимость высоты их подъема от угла поворота кулачков, нарушается и на некоторых участках не соответствует профилю кулачков распределительного вала, который подбирают из условий наивыгоднейшего наполнения. Опыты показывают, что деформация деталей механизма приводит к ухудшению мощностных и экономических показателей двигателя. Для устранения этого недостатка в современных быстроходных двигателях распределительный вал устанавливают на головке блока, что значительно упрощает кинематическую связь между его кулачками и клапанами (рис. 7, в, г, д, е). Двигатели в этом случае называют двигателями с верхним расположением распределительного вала (например, ВАЗ-2107, УМЗ-

412 и т.д.). На рис. 8 представлена компоновка механизма газораспределения двигателя с четырьмя клапанами на цилиндр с непосредственным действием кулачков двух распределительных валов на клапаны. Этот способ привода весьма эффективен, но имеет следующие недостатки: создает большое боковое усилие, передающееся на стержень клапана в процессе его подъема, отличается сложностью регулировки зазоров между клапанами и распределительным валом. Возникающие при этом боковые усилия приводят к изгибу стержня клапана и увеличению его износа. Поэтому, в настоящее время, повышенный износ стержней при непосредственном воздействии кулачка на клапан уменьшают двумя способами: - используют утолщенные (примерно, вдвое) стержни клапанов. В дизеле Д-12 клапаны регулируют с помощью устройства, (доказанного на рис. 19.4, б, состоящего из опорной тарелки 2 с резьбовой частью, ввернутой в стержень клапана, и замочной шлицевой шайбы 3, которую надевают на шлицованный конец стержня (клапана и прижимают к тарелке 2 клапанной пружиной. На соприкасающихся торцах замочной шайбы и тарелки клапана имеются пояски радиальных треугольных шлицев, фиксирующих тарелку в заданном положении относительно стержня. - освобождают стержни клапанов от восприятия боковых усилий. Разгрузка стержней осуществляется путем передачи силы, возникающей от действия кулачков (иногда и от коромысел.), на специальные стаканы 20 накрывающие стержни и пружины клапанов и перемещающиеся в своих направляющих гнездах 21 (см. рис.7, в), а тепловой зазор регулируют при этом подбором сменных шайб. На рис. 7, г, д, е показаны механизмы, в которых усилия от кулачков распределительного вала передаются стержням клапанов через коромысла и промежуточные рычаги. Коро-

Рис. 8. Клапанный механизм с верхним расположением двух распределительных валов

мысла использует довольно часто, но они тоже полностью не разгружают стержни клапанов от воздействия боковых сил. Однако относительная величина их всегда бывает меньше, чем в рассмотренном механизме дизеля Д-12. С этой точки зрения более практичны конструкции клапанного механизма с механической регулируемой опорой 22 у рычага (двигатель ВАЗ) и с гидравлической опорой 23 (см. соответственно рис. 7, д, е), где боковые усилия на стержень клапана воспринимаются в основном штоком, например, гидравлического устройства, на которое опирается промежуточный рычаг. Наличие гидравлической опоры у рычага обеспечивает постоянный контакт его с кулачком распределительного вала и исключает тем самым необходимость регулировки зазоров, в процессе эксплуатации. Масло к устройству 23 подают по каналу 24. 3. Золотниковые механизмы газораспределения По характеру движения золотников, перекрывающих (уплотняющих) впускные и выпускные окна (отверстия) цилиндров, различают механизмы с возвратно-поступательным и вращательным движением золотников.

Золотники, совершающие возвратно-поступательное движение, изготовляют в виде одинарных или сдвоенных цилиндровых гильз, приводимых в действие от кривошипов или эксцентриков распределительного вала с помощью шатунов или иной шарнирной связи. Такие сложные и громоздкие устройства теперь не применяют. Вращающиеся золотники изготовляют плоскими, конусными и цилиндрическими (рис. 9, а, б, в). Размещают их в головке цилиндра, а вращательное движение сообщают через шестерни от вала привода, кинематически связанного с коленчатым валом двигателя. Вращаясь, они в определенной последовательности открывают и закрывают впускное и выпускное окна цилиндра, обеспечивая своевременный впуск в него свежего заряда и выпуск в атмосферу отработавших газов. Для плоских и конических золотников характерно то, что ось вращения их параллельна оси цилиндра, поэтому в двигателях с несколькими цилиндрами они всегда обособлены друг от друга и имеют каждый свою пару шестерен привода. Золотники цилиндрической формы можно изготовлять в виде общего вала с обособленными лишь каналами для каждого цилиндра, что более конструктивно. Механизмы с вращающимися золотниками работают бесшумно и обеспечивают хорошее наполнение цилиндров двигателя на любых повышенных скоростных режимах. Но при этом возникают трудности в организации охлаждения и смазки самих золотников, что вызывает их перегрев, а также обусловливает необходимость сравнительно больших тепловых зазоров между поверхностями золотника и его корпуса, нарушающих герметизацию цилиндра. Кроме того, золотниковые механизмы дороги в производстве и ремонте, а привод их усложняет конструкцию двигателя и увеличивает его габарит. По указанным причинам чисто золотниковые механизмы газораспределения не получили распространения на рассматри-

Рис. 9. Золотниковые механизмы газораспределения и схемы продувки двухтактных двигателей. а) плоский золотник б) конусный в) цилиндрический г) кривошипно-камерная продувка с поперечно-контурной схемой д) схема петлевой продувки е) схема клапанно-щелевой прямоточной продувки

ваемых двигателях. Однако в несколько своеобразной форме их широко применяют в двигателях, работающих по двухтактному циклу (мотоциклетные и пусковые двигатели дизелей, различные стационарные и двигатели со свободно движущимися поршнями). Роль золотника выполняет в них поршень, который своими кромками открывает или закрывает выпускные, продувочные и впускные окна. Схема мотоциклетного двигателя, изображенная на рис. 9, г, может служить примером использования принципа золотникового газораспределения при осуществлении двухтактного рабочего цикла. Горючая смесь через впускное окно 10 поступает в кривошипную камеру под действием разрежения, которое создается движением поршня 7 к в.м.т. В результате воспламенения ранее поступившей в цилиндр смеси от свечи зажигания 8, расширения газов и последующего перемещения поршня от в.м.т. к н.м.т., как только кромка его юбки перекроет впускное окно 10, начинается сжатие горючей смеси в кривошипной камере. Процесс сжатия продолжается до тех пор, пока кромка днища поршня 7 не откроет продувочное окно 6, через которое надпоршневая полость цилиндра соединена с кривошипной камерой. С этого момента горючая смесь, под действием небольшого избыточного давления по перепускному каналу 5 вновь начинает поступать в цилиндр двигателя и через выпускное окно 9 вытесняет из него отработавшие газы. Продувка и выпуск продолжаются до перекрытия поршнем окна 6, а затем и окна 9 при движении поршня в сторону в.м.т. Так осуществляется кривошипно-камерная продувка. Уплотнение камеры 1 в местах выхода вала 2 обеспечивают с помощью самоподжимных сальников 3, вмонтированных в крышки 4. В двухтактных двигателях, поршни которых одновременно выполняют роль золотника, перекрывающего (уплотняющего) выпускные и впускные окна цилиндра, возможны две схемы организации потока газа в надпоршневой полос-

ти. Если поток движется от продувочного окна 6 (рис. 9, г) по контуру надпоршневой полости к выпускному окну 9, тоже расположенному в нижней зоне цилиндра, но с противоположной его стороны, то схема продувки называется поперечно-контурной. А в случаях, когда продувочные и выпускные окна расположены на одной стороне нижней зоны цилиндра одно над другим (рис. 9, д) поток входит в продувочное окно, лежащее ниже выпускного, описывает петлю по контуру надпоршневой полости и выходит частично вместе с отработавшими газами через выпускное окно. Такая схема контурной продувки называется петлевой. При использовании контурных схем продувки некоторые зоны цилиндровой полости плохо очищаются от остаточных газов, а часть свежего заряда теряется (выносится) вместе с отработавшими газами, что заметно ухудшает экономичность двигателей и снижает их мощностные показатели. Однако рассмотренное газораспределение отличается исключительной простотой, поэтому его используют в двигателях с относительно малым рабочим объемом. 3. Комбинированные механизмы газораспределения Механизмы газораспределения, в которых для уплотнения впускных и выпускных отверстий цилиндра применяют одновременно клапанные и золотниковые устройства, называются комбинированными. Используют такие механизмы в двухтактных двигателях с прямоточной клапанно-щелевой продувкой, где роль золотника выполняет поршень. Принципиальная схема клапанно-щелевой продувки, показанная на рис. 9, е, успешно используется в двухтактных дизелях ЯМЗ-204, -206. Поток воздуха поступает в цилиндры через продувочные отверстия 14, расположенные в нижней зоне цилиндровых гильз 12, далее, совершая вихревое движение вдоль оси цилиндра, поток воздуха вытесняет отработавшие

газы в трубопровод 22 через открытые к этому времени, клапаны 21, которые размещают в головке цилиндра. Чтобы повысить степень очистки и наполнения, каждый из цилиндров снабжают двумя выпускными клапанами 21, а продувку осуществляют с помощью роторной воздуходувки 11, приводимой в действие от коленчатого вала. Клапаны открываются кулачками распределительного вала 15 через роликовые толкатели 16, нагруженные пружинами 17, штанги 18 и коромысла 19, а закрываются пружинами 20. Поршень 13 на подходе к н.м.т. открывает продувочные отверстия 14 и закрывает их при обратном движении в сторону в.м.т. 4. Детали клапанных механизмов газораспределения Клапаны, перекрывающие впускные и выпускные отверстия цилиндров двигателя, имеют огpаниченные размеры и работают в тяжелых условиях, большие динамические нагрузки и высокие скорости перемещения в направляющих втулках при ограниченной смазке, сложность теплоотвода и неравномерный нагрев отдельных участков продуктами сгорания, обладающими повышенной коррозионной агрессивностью, поэтому принятые материалы н конструкция отдельных элементов клапана должны обеспечивать ему высокую прочность, стойкость против износа, коробления и корродирования. Клапаны поршневых двигателей состоят из головки 2 (или тарелки) и стержня 3 (рис. 10). Различают клапаны с плоской (рис. 10, а) , выпуклой (рис. 10, б) и тюльпанообразной (рис. 10, в) головками. Клапаны с плоской (тарельчатой) головкой отличаются сравнительно большой толщиной головки, малым радиусом переходов от стержня к головке и плоским торцом головки. Головки такой формы наиболее просты при изготовлении,

вследствие чего получили преимущественное применение для впускных и для выпускных клапанов. Выпуклая форма головки характерна для выпускных клапаиов. При этом улучшается обтекание клапана со стороны цилиндра при выпуске отработавших газов, повышается жесткость головки, но увеличиваются ее масса и тепловосприимчивость. С вогнутой или тюльпанообразной формой головки выполняют впускные клапаны, снижающие гидравлические потери при поступлении свежего заряда в цилиндр. Масса клапана при этом снижается, но также увеличиваются тепловосприимчивость головки и трудоемкость ее изготовления. Все головки обычно имеют небольшой (около 2 мм) цилиндрический поясок и уплотнительную фаску, снятую под

Рис. 10. Клапаны, направляющие втулки и седла клапанов

углом 45 ° или 30° (рис. 10, г). Фаску с углом 45° применяют для впускных и выпускных клапанов, а с углом 30° только для впускных клапанов (например, в двигателях ЗИЛ-130 и др.). Такая фаска, хотя и снижает общую жесткость клапана, но обеспечивает большую величину площади его проходного отверстия при заданной высоте подъема. Уплотнительные фаски клапанов шлифуют и притирают к седлам. Цилиндрический поясок позволяет сохранять основной размер клапана (dг) в случае перешлифовки уплотняющей фаски при ремонтах, увеличивает жесткость его головки и предохраняет ее кромки от разрушения (обгорания). Клапаны, оставшиеся без цилиндрического пояска, легко обгорают и непригодны для работы. Чтобы улучшить теплоотвод и увеличить жесткость клапана, поверхность его головки со стороны стержня выполняют наклонной с углом подъема 10…30° и плавным переходом (с большим радиусом) к стержню (например, рис. 10, б). Это позволяет избежать коробления фаски при нагреве и уменьшить гидравлические потери при обтекании клапана свежим зарядом при наполнении цилиндра. Для впускных клапанов угол выбирают около 10…15°, у выпускных он ближе к 20…30°. Остальные конструктивные размеры элементов клапанного механизма в практике двигателестроения выбираются относительно диаметра горловины впускного клапана dг (рис. 10) и имеют следующие соотношения (см. таблицу 1): Таблица 1. Конструктивные размеры элементов ГРМ dв dн

δ

l a b r

Впускной Выпускной клапан Клапан dв = (0,76…0,9)dг dв≈dг (1,12…1,16)dг (0,79…1,16)dг (0,16…0,25)dг - при отсутствии боковых сил; (0,3…0,4)dг - при действии боковых сил (2,5…3,5)dг (0,08…0,12)dг (0,05…0,12)dг (0,25…0,35)dг - для плоских и выпуклых До 0,5dг - для тюльпанообразных

Из таблицы видно, что головку впускного клапана в автомобильных двигателях обычно делают больше головки выпускного с целью улучшения наполнения цилиндров. Диаметр стержня δ зависит от величины боковых усилий, возникающих при открывании клапана, а также от величины тепловых потоков, которые необходимо отводить через стержень от головки клапана. При отсутствии боковых усилий (в случае привода через толкатель) или при небольшой их величине (привод через коромысло) стержень впускного клапана выполняют малого диаметра. При непосредственном приводе стержень воспринимает значительные боковые усилия и величина δ увеличивается. Также с большим δ выполняют стержень выпускного клапана. Длина клапана изменяется в широких пределах и зависит от его расположения в головке, возможностей установки направляющей втулки достаточной длины и пружин клапанов. На концах стержней клапанов в зависимости от принятого способа крепления клапанных пружин делают цилиндрические, конусные или, фасонные проточки (рис. 10, а, б, в, г ). Форма и высота проточек зависят от конструкции устройств фиксации тарелки пружин клапана. Обычно высота ее равна диаметру стержня клапана. Клапаны изготовляют из пруткового материала на горизонтально-ковочных машинах. Выбор материала для клапанов определяется условиями их работы. Впускные клапаны во время работы периодически омывает сравнительно холодный поток, но все-таки их головки нагреваются до температуры 300…400 °С. Материалами для впускных клапанов служат хромоникелевые 40ХН, 50ХН, хромоникелевомолибденовые 40ХН2МА и аналогичные им стали. Выпускные клапаны работают в более тяжелых условиях, так как периодически омываются горячим потоком отработавших газов, содержащих сернистые и другие агрессивные

компоненты. В бензиновых двигателях они нагреваются до 700…900 °С (до темно-вишневого цвета), а в дизелях имеют обычно несколько меньшую температуру нагрева (500…600 °С), но достаточную для того, чтобы заметно снизить прочность материала и вызвать опасность повышенного корродирования, коробления или обгорания кромок головки. Поэтому при проектировании выпускных клапанов используют различные конструктивные методы повышения их долговечности, такие, как: - комбинирование различных материалов; - применение специальных покрытий, - интенсификацию охлаждения головки клапана; - принудительное проворачивание клапана и т. д. Материалами выпускных клапанов являются жаропрочные и корозионно-стойкие сплавы: ЗОХ13Н7С2, 45Xf4Hl4B2M, 45Х22Н4МЗ, ЭП 322, 55Х20Г9АН4. Для снижения стоимости конструкции клапана его головку выполняют только из жаростойкого материала, а стержень - из более дешевой стали 40ХН с последующей сваркой встых. Для повышения долговечности и износостойкости выпускных клапанов на рабочую поверхность их головок (рис. 10, г) и торцы стержней (рис. 10, б) наносят твердые износостойкие сплавы ЭП869 (стеллит), ВЗК, Х20Н80 (нихром). Стержни подвергают термообработке, шлифовке, полировке и даже покрывают хромом. Торцы стержней, соударяющиеся с коромыслами (регулировочными болтами в нижнеклапанных механизмах), на длине 3…5 мм закаливают до высокой твердости, либо покрывают слоем износостойкого сплава (стеллита, нихрома и т.д.) или снабжают специальными легкосъемными наконечниками–колпачками, выполненных из этих же сплавов (например, в двигателе УМЗ-412). Для уменьшения тепловой напряженности клапанов (особенно выпускных) важное значение имеет отвод теплоты и поддержание нормального их теплового состояния.

Большая часть теплоты от клапана отводится через седло, поэтому применяют различные конструктивные мероприятия (приведенные ниже) для его охлаждения. Остальная часть теплоты от клапана отводится через его направляющую втулку. Во избежание заедания стержня клапана во втулке при его нагревании уменьшают диаметр стержня у головки (см. рис. 10, б) либо выполняют втулку с внутренним конусом (рис. 10, г). Для снижения тепловой напряженности выпускных клапанов в ряде двигателей (особенно форсированных), применяют натриевое охлаждение их. С этой целью клапан делают полым с утолщенным стержнем (рис. 10, г) и примерно 2/3 полости заполняют металлическим натрием, температура плавления которого составляет около 97 °С. В рабочем (горячем) состоянии двигателя натрий, будучи в расплавленном виде и перемещаясь внутри полости при возвратнопоступательном движении клапана, увеличивает интенсивность отвода теплоты от горячей головки к более холодному стержню и далее к направляющей втулке. Благодаря этому, а также затрате теплоты на испарение натрия нагревание головки клапана уменьшается на 100…200 °С. Натриевое охлаждение применяют, в частности, для выпускных клапанов V-образных двигателей ЗМЗ-66 и ЗИЛ-130. Полость в стержне 1 заполнена в них натрием 11 и заделана накладкой (заглушкой) 13 (рис. 11, а). Для увеличения долговечности и надежности работы фасок в сопряжении клапан-седло головка клапана должна поворачиваться относительно седла. В качестве примера на рис. 11 показано устройство, применяемое в двигателе ЗИЛ130. Механизм вращения клапана состоит из неподвижного корпуса 2, в наклонных канавках которого расположены пять шариков 3 с возвратными пружинами 10; дисковой пружины 9 и опорной шайбы 4 с замочным кольцом 5. Механизм устанавливается в расточке, сделанной в головке ци-

линдров под опорной шайбой 4 клапанной пружины 6, закрепляемой на стержне с помощью сухариков 8 и тарелки 7. При закрытом клапане давление на дисковую пружину 9 сравнительно невелико, и она выгнута наружным краем вверх, а внутренним краем опирается в заплечик корпуса 2. Шарики 3 отжаты пружинами 10 в исходное положение (рис. 11, б). В момент открытия клапана давление клапанной пружины на опорную шайбу 4 возрастает; под действием этого давления дисковая пружина 9, выпрямляясь, передает давление на шарики 3 и вызывает их перемещение в конечное положение (рис. 11, в). Вместе с шариками перемещаются дисковая пружина с опорной шайбой, клапанная пружина и клапан. Когда клапан закрывается, давление на дисковую пружину 9 уменьшается, и она, выгибаясь, вновь касается одним внутренним краем заплечиков корпуса 2, освобождая

Рис. 11. Выпускной клапан двигателя ЗИЛ-130 с механизмом его вращения около оси

тем самым шарики 3. Шарики под действием возвратных пружин перемещаются в исходное положение (рис. 11, б). Таким образом, при каждом открытии клапана происходит его поворот на некоторый угол (при номинальном скоростном режиме клапаны совершают 20…40 оборотов в минуту). С целью проворачивания клапанов (в том числе и впускных) в некоторых бензиновых двигателях применяют менее эффективное, чем рассмотренное выше, но более простое устройство, основанное на использовании свойств специального способа крепления клапанной пружины на стержне клапана. Так, например, представленное на рис. 12, а крепление пружины 2 на клапане состоит из опорной тарелки 3, втулки 4 и двух сухарей 5. Контакт между опорной тарелкой и втулкой имеет место только на небольшой торцовой поверхности втулки 4, поэтому во время работы двигателя под действием вибраций узла клапан-пружина скручивание пружины при подъеме клапана обеспечивает его проворачивание. Седла клапанов работают в условиях, во многом сходных с работой головок клапанов. Величина удельной нагрузки тарелки клапана при ударе его о седло достигает 113 МПа, а статическая нагрузка - 49 МПа. Это обусловило целесообразность установки седел не только в головках цилиндров из алюминиевого сплава, но и в чугунных. Для изготовления седел применяют специальные легированные чугуны или жаростойкие сплавы из легированной стали или металлокерамики, обладающие высокой твердостью (для выпускных с HRC 40…60 и для впускных - НВ 200). На рабочие поверхности седел выпускных клапанов иногда наносят слой тугоплавкого материала. Заготовки седел получают в виде маслот, отливаемых в песчано-глинистые формы, с последующей разрезкой на отдельные кольца. Хорошие результаты получают при обработке седла инструментами с углом заточки 15, 45 и 75° таким образом, чтобы уплотни-

Рис. 12. Крепление пружины на стержне клапана и уплотнение стержня: а) крепление пружины, обеспечивающее проворачивание клапана; б) уплотнение стержня резиновой самоподжимной манжетой; в) уплотнительная манжета стержня клапана автомобильного двигателя.

тельный поясок седла имел угол 45° и ширину около 2 мм (рис. 10, и). По своим размерам поясок должен подходить ближе к меньшему основанию конусной фаски клапана (иначе после восстановления изношенного седла клапан глубоко опустится в тело). Наружная поверхность кольца выполняется цилиндрической (рис. 10, ж) или конической (рис. 10, е). Крепятся седла в головке за счет натяга при запрессовке с дополнительной расчеканкой материала головки (рис. 10, д). У стальных седел дополнительно развальцовывается верхняя часть седла (рис. 10, з). При запрессовке цилиндрических и конических седел на их наружной поверхности вытачиваются кольцевые канавки (рис. 10, е, ж), в которые в результате запрессовки затекает металл головки. Цилиндрические седла запрессовываются в гнезда до упора,

а конические - с небольшим торцевым зазором до 0,04 мм (рис. 24, е). Толщина стенки седла δс=(0,08...0,15)dг, высота hс=(0,l6…0,25)dг. Натяг при запрессовке составляет 0,0015...0,0035 от наружного диаметра седла. Уплотняющие фаски седла и клапана изготовляют с разностью углов 0,5…1,5° (см. рис. 10, к). Фаска клапана имеет меньший угол и соприкасается с седлом только узким пояском у своего большого основания. Это обеспечивает хорошее уплотнение клапанного отверстия даже в условиях возможной деформации головки и, кроме того, позволяет осуществлять быструю притирку клапана к седлу в условиях эксплуатации. Направляющие втулки клапанов изготовляют в виде автономных деталей, конструкции которых показаны на рис. 10, а - г. В отечественных двигателях чаще всего используют гладкие, менее трудоемкие конструкции (рис. 10, а). Втулка, показанная на рис. 10, в, с внешним ограничительным буртиком позволяют центрировать клапанную пружину так же, как и с уступом (рис. 10, б), удобны при запрессовке, но в изготовлении они более сложны. Целесообразнее поэтому вместо буртика протачивать на втулке канавку под ограничительное кольцо (рис. 10, г). Направляющие втулки нередко используют для защиты стержней выпускных клапанов от воздействия горячего потока отработавших газов. В этих случаях их делают несколько длиннее направляющих втулок впускных клапанов и больше последних выдвигают в каналы отвода газов. Чтобы избежать заедания во втулке, стержень клапана изготовляют с меньшим диаметром у головки (см. рис. 10, б) или втулку со стороны, обращенной к головке клапана, немного растачивают (см. рис. 10, г), что создает одновременно и лабиринтное уплотнение. Глубокую посадку направляющей втулки впускного клапана не применяют, поскольку это увеличивает сопротивление на впуске. Материалами для изготовления направляющих втулок служат в

основном перлитный чугун и металлокерамика, представляющая собой смесь из порошков железа, меди и графита, которая подвергается прессованию, спеканию в печи и пропитыванию маслом. Металлокерамические втулки менее теплопроводны, но отличаются высокими антифрикционными свойствами; в настоящее время их применяют в двигателях ЗИЛ, ЗМЗ, ЯМЗ и др. Направляющие втулки смазывают маслом, которое вытекает из системы смазки и разбрызгивается коромыслами и клапанными пружинами. От возможного просасывания в цилиндры масла, стекающего по стержням впускных клапанов верхнеклапанных механизмов, последние снабжают самоподжимными манжетами 7, изготовленными из маслостойкой резины (см. рис. 12, б). Клапанные пружины обеспечивают плотное прилегание клапанов к седлам и своевременное закрытие их после завершения действия кулачков распределительного вала. Характеристику (жесткость) клапанных пружин подбирают из условий сохранения кинематической связи между деталями механизма газораспределения при работе двигателя на практически допустимом для него скоростном режиме. В существующих конструкциях клапанных механизмов наиболее широко применяют витые цилиндрические пружины с постоянным шагом навивки (рис. 13, а). Наружный диаметр пружин определяют из условий их размещения на двигателе, а высоту - тиРис. 13. Клапанные пружины: а) цилиндрические с постоянным шагом навивки; б) цилинд- пом газораспределерические с переменным шагом навивки; в) ко- ния.

Пружины нижнеклапанных механизмов обычно имеют 8…10 витков, верхнеклапанных - соответственно 6…8 витков. Два крайних витка являются опорными. Их размещают вплотную к соседним виткам и прошлифовывают, создавая сплошную кольцевую поверхность, перпендикулярную оси пружины (рис. 13). Один из этих витков, как показано на рис. 12, опирается на тарелки 3 и 4 крепления и центрирования наружной 2 и внутренней 6 пружин, а второй - на головку цилиндров 9 (при верхних клапанах). В алюминиевых головках (блоках) под пружины ставят стальную шайбу 5, предохраняющую поверхности от разрушения. Чтобы устранить возможность возникновения опасного для прочности пружины резонанса, на клапаны ставят по две пружины 6 с навивкой витков в противоположные стороны (рис. 12) или делают пружины с переменным шагом навивки (рис. 13, б). Шаг изменяется или по направлению к неподвижному концу пружины, или от середины к к обоим ее концам. По две пружины часто применяют в верхнеклапанных механизмах. Наружную изготовляют из проволоки диаметром 3,5…5,0 мм, а внутреннюю - с диаметром в сечении витка 2,0…3,5 мм (по расчетам для конкретных двигателей). Установка двух пружин с разной навивкой на каждый клапан позволяет также несколько уменьшать общую высоту клапанного механизма, что увеличивает надежность его работы. Так, в верхнеклапанных конструкциях при поломке одной из пружин клапаны не проваливаются в цилиндр, а витки поломанной пружины не могу войти в витки сохранившейся пружины, вызвать ее поломку и тяжелую аварию двигателя. При открытии клапана витки цилиндрических пружин, расположенные ближе один к другому, периодически соприкасаются. Количество рабочих витков при этом уменьшается, а жесткость и собственная частота колебаний пружины соответственно возрастают. Поэтому кроме цилиндрических пружин с постоянным и переменным шагом

Рис. 14. Детали газораспределительного механизма двигателя ЯМЗ-236: 1 – ведущая шестерня привода топливного насоса; 2 – упорный фланец распределительного вала; 3 – буртик на шестерне распределительного вала; 4, 6, 23 – болты; 5 – замковая шайба; 7 – ведомая шестерня привода топливного насоса; 8 – упорный фланец; 9 – шарикоподшипники; 10 – вал привода топливного насоса; 11 – ось коромысла; 12 – коромысло; 13 – упорная шайба; 14 – регулировочный болт; 15 – установочный штифт; 16 – штанга; 17 – направляющая втулка клапана; 18 – клапан впускной; 19 – клапан выпускной; 20 – втулки оси толкателей; 21 – ось толкателей; 22 – толкатели; 24 – подшипники (втулки) распределительного вала; 25 – втулки толкателя; 26 – ролики; 27 – распределительный вал; 28 – кулачки; 29 – опорная шейка вала

навивки в практике применяют другие их типы, например конусные или конические (рис. 13, в). Материалом для изготовления клапанных пружин служит стальная проволока марок С65А, 65ГА, 50ХФА и др. пружины подвергаются закалке и среднему отпуску до HRC 40…48. Для повышения усталостной прочности пружины обдуваются стальной дробью. Чтобы предохранить пружины от коррозии, их лудят, оцинковывают, красят или кадмируют. Распределительный вал представляет собой стержень с опорными шейками и кулачками, предназначенными для своевременного открытия клапанов. Конструкция вала и вариант его расположения относительно других деталей механизма показаны на рис 14. Число опорных шеек у распределительного вала чаще всего равно числу коренных шеек коленчатого вала; число кулачков соответствует числу клапанов, а размещение их на стержне вала определяется расположением цилиндров, порядком работы двигателя и принятыми фазами газораспределения. Кроме опорных шеек 29 и кулачков 28 распределительный вал в бензиновых двигателях имеет винтовую шестерню для привода маслонасоса и распределителя зажигания, а часто и эксцентрик привода бензонасоса. В некоторых V-образных двигателях, например ЗМЗ и других, эксцентрик привода бензонасоса изготовляют в виде отдельной детали 2 и устанавливают на носке распределительного вала 9 (рис. 15, а). В этом случае на носок устанавливают соответствующий противовес 3 (балансир), изготовленный в виде шайбы. К носку вала подсоединяют иногда и центробежный датчик регулятора системы зажигания. Распределительные валы нижнеклапанных и верхнеклапанных двигателей с нижним или верхним расположением вала имеют сходную конструкцию. Профили кулачков выбирают для них, сообразуясь с номинальной частотой вращения коленчатого вала двигателя, но в общем случае – это

кулачки с выпуклым профилем обычные и так называемые безударные (кулачки Курца), обеспечивающие сравнительно плавный выбор зазоров в клапанном механизме. При нижнем расположении распределительных валов подшипники опорных шеек выполняют биметаллическими либо из алюминиевого сплава неразъемными, запрессованными в картер или блок. Биметаллические подшипники представляют собой стальные кольца, внутренняя поверхность которых покрыта тонким слоем антифрикционного материала - сплава СОС 6-6 (например, в двигателях ЗМЗ). Для облегчения монтажа распределительных валов диаметры опорных шеек уменьшают от переднего конца вала к заднему (на 2…3 мм и более). При одинаковых размерах опорных шеек, что более технологично, вал устанавливают за счет гарантированного зазора в подшипниках, составляющего 0,03…0,09 мм. При верхнем расположении распределительных валов в чугунных опорных стойках для шеек валов используют разъемные биметаллические тонкостенные подшипниковые вкладыши. Если опорные стойки распределительного вала выполнены из алюминиевого сплава, то подшипники вала выполняются неразъемными непосредственно в теле опорных стоек. (например, в двигателях ВАЗ). В этом случае необходимо обеспечивать обильную смазку опорных шеек. Масло к опорным шейкам распределительных валов подается под давлением из каналов общей системы смазки двигателя. Распределительные валы при верхнем их расположении изготовляют с осевым сверлением, через которое масло подводят к опорным шейкам и кулачкам. Применяют и другие решения. Распределительные валы получают ковкой в штампах с последующей механической обработкой опорных шеек и кулачков по копиру. Материалом для их изготовления являются малоуглеродистые (15Х, 20Х, 15Н2М, 12ХН3А), либо среднеуглеродистые стали (40, 45, 40Х). При

среднеуглеродистые стали (40, 45, 40Х). При использовании малоуглеродистых сталей опорные шейки, кулачки, эксцентрики и шестерни подвергают цементации или азотированию до твердости HRC 50…60. В случае применения среднеуглеродистых сталей эти элементы закаливаются токами высокой частоты (ТВЧ) на глубину 2…6 мм. Затем кулачки и опорные шейки шлифуются и полируются. Наряду со штамповкой применение находит и отливка распределительных валов из специального чугуна, в которых кулачки для повышения износостойкости подвергаются отбеливанию (ВАЗ). Осевое перемещение распределительных валов допускают в пределах 0,1…0,2 мм, а фиксацию осуществляют специальными ограничительными фланцами, упорными болтами и пружинными ограничителями. Наиболее распространен первый способ (рис. 15, а). Основу его составляет ограничительный фланец 6 и распорное кольцо 7, размещаемые между передней опорной шейкой 8 распределительного вала 9 и ступицей распределительной шестерни 10, Так как кольцо 7 делают толще фланца 6, то после затяжки болта, крепящего распределительную шестерню, зажатым оказывается только распорное кольцо, что и обеспечивает заданное осевое перемещение распределительному валу. Вал, установленный на место в сборе с шестерней 10, фиксируют в нужном положении ограничительным фланцем 6, который через окна 4 привертывают двумя болтами 5 к передней стенке блока цилиндров. В дизеле ЯМЗ-236 (см. рис. 14) распорное кольцо заменено буртиком 3, сделанным на ступице шестерни распределительного вала. Осевое перемещение вала 27 обеспечивают путем соответствующего подбора толщины ограничительного фланца 2, который размещается между торцами передней опорной шейки 29 и шестерней привода вала. Для крепления фланца 2 к блоку цилиндров в шестерне .предусмотрены два круглых окна. Ограничительные фланцы применяют также в двигателях ЗИЛ-130 и др.

К достоинствам зубчатой передачи можно отнести высокую эксплуатационную надежность, к недостаткам – сложность конструкции (особенно, при наличии промежуточных валов), необходимость тщательной регулировки зацеплений, необходимость смазки, повышенная шумность работы, энергоемкость (инерционность) и высокая стоимость. К другим типам передач следует отнести цепные передачи (с бесшумными и роликовыми цепями) и ременные передачи (с зубчатыми ремнями). К достоинствам цепной передачи следует отнести: - возможностьпередачи вращения при больших межцентровых расстояниях коленчатых и распределительных валов; - сравнительно малую шумность работы; - простота конструкции; - снижение массы привода. К недостаткам: - вибрация цепи при резко изменяющихся нагрузках; - износ и вытяжка цепи в процессе эксплуатации. Бесшумные, или зубчатые, цепи представляют собой сложные пластинчатые конструкции (рис. 16, а). Однако, несмотря на свое несомненное достоинство – бесшумность, они не получили широкого применения из-за высокой стоимости в производстве. Наибольшее применение из цепных передач получили роликовые цепи в двухрядном исполнении (рис. 16, б, в). Они дешевле и проще бесшумных и обеспечивают удовлетворительную работу привода распределительного вала при любой его кинематической связи с коленчатым валом, поэтому находят широкое применение в механизмах с верхним расположением распределительного вала. Для роликовых цепей обязательными являются натяжные устройства (лениксы), а в отдельных случаях и специальные ограничители поперечных колебаний цепи - успокоители, особенно длинных ее ветвей. Передача роликовой цепью может быть двух-

Рис.15. Фиксация распределительного вала от осевого перемещения. а) ограничительным фланцем; б) упорным болтом в) пружинным ограничителем

ступенчатой, как, например, в двигателе «Ровер-2000» (рис 16, б). Вращение от звездочки коленчатого вала передается роликовой цепью на валик привода вентилятора, а затем такой же, но более длинной цепью на два распределительных вала, установленные на головках левого и правого блоков. Двухступенчатое расположение цепи уменьшает ее вытяжку и увеличивает срок службы. Зубчатые ремни из синтетических материалов с стеклонитяным или иным кордом, предотвращающим их вытяжку. предопределили новый тип бесшумного привода распределительных валов, который в настоящее время широко используют, особенно в двигателях легковых автомобилей. К достоинствам такой ременной передачи можно отнести: - отсутствие смазки; - простота конструкции; - достаточно высокая надежность - небольшая стоимость; - бесшумность работы. Ременный привод ГРМ размещают с наружной стороны остова двигателя, т. е. вне картерной полости, и защищают лишь от пыли и влаги легким штампованным, литым или пластмассовым кожухом (рис. 16, г). От схода с цилиндрических зубчатых шкивов (звездочек), так же как и некоторые бесшумные цепи, их удерживают с помощью буртиков, которыми снабжают ведомую и ведущую звездочки, а натяжение поддерживают зубчатым роликом (лениксом), как показано на рисунке. Толкатели, штанги и коромысла служат для передачи движения от кулачка распределительного вала к клапанам. Толкатели в нижнеклапанных механизмах действуют непосредственно на клапан, а в верхнеклапанных - на штангу или коромысло и воспринимают возникающие при этом боковые усилия. Толкатели изготавливают в виде круглых стержней или стаканов, совершающих осевое возвратно-

поступательное движение под действием кулачков и пружин, а также в виде рычагов, совершающих угловые перемещения, т. е. качательное движение около своей оси. Толкатели с осевым перемещением разделяют на тарельчатые, цилиндрические и роликовые, которые в зависимости от принятого способа компенсации теплового расширения деталей механизма газораспределения подразделяются еще на механические и гидравлические (рис. 17). Гарантированные тепловые зазоры между клапанами и механическими толкателями должны обеспечивать полную посадку клапанов на их седла при прогретом двигателе. Средняя величина таких зазоров в холодном двигателе составляет примерно 0,2…0,3 мм. Толкатели изготовляют из стали с низким и средним содержанием углерода и из чугуна. Чтобы увеличить износостойкость трущихся поверхностей толкателей, их подвергают термообработке. Толкатели из низкоуглеродистых сталей цементируют и закаливают до высокой твердости. У стальных закаленных толкателей поверхность, соприкасающуюся с кулачком, наплавляют легированным отбеливающимся чугуном, у чугунных - эту часть отбеливают. Отбеленный чугун обладает особенно высокой твердостью, износостойкостью и повышает срок службы толкателей. Смазку толкателей осуществляют разбрызгиванием и под давлением из общей системы смазки двигателя. Толкатели верхнеклапанных механизмов газораспределения снабжают дренажными отверстиями для слива масла, накапливающегося во внутренней их полости (рис. 17). Тарельчатый толкатель (рис. 17, а, б) напоминает формой гриб, поэтому его называют грибовидным. Диаметр тарелки подбирают из условий, исключающих возможность бокового удара кулачка по толкателю. Стержень толкателя снабжают регулировочным болтом с контргайкой, которым устанавливают тепловой зазор между толкателем и клапаном

при боковом их расположении (см. рис. 7, а) или между толкателем и коромыслом при верхних клапанах и размещении распределительного вала у плоскости разъема блока и головки цилиндров (например, в дизелях «Перкинс-3.152»). В некоторых верхнеклапанных механизмах энергонасыщенных дизелей с торца стержня 2 толкателя размещают сферическое углубление 3 под штангу, а на боковой его поверхности делают проточку 4 под декомпрессорное устройство1. Цилиндрические толкатели имеют чаще всего форму стакана с толстым дном, внешняя поверхность которого сопри-

Рис. 17. Толкатели. а) тарельчатый б) тарельчатый с проточкой под декомпрессорное устройство в) цилиндрический г) гидравлический д) качающий ся с роликом е) качающийся простой ж), з) способы размещения тол1 кателей относительно кулачка. Для облегчения раскрутки коленчатого вала при пуске дизеля его клапаны приоткрывают, чтобы «снять компрессию» в цилиндрах.

касается с кулачком распределительного вала, а внутренняя, например сферическая, - со штангой (рис. 17, в). Цилиндрические толкатели выгодно отличаются тем, что имеют развитую боковую поверхность и позволяют вынимать их из гнезд (направляющих втулок) без снятия кулачкового вала, поэтому они являются самыми распространенными в автомобильных двигателях (КамАЗ, ЗИЛ, ЗМЗ и др.). Гидравлические толкатели (рис. 17, г) отличаются от механических тем, что во внутренней полости имеют гидравлическое устройство, позволяющее компенсировать тепловое расширение стержня клапана и других деталей, механизма газораспределения и остова двигателя. Устройство состоит из плунжера 7 с опорной вставкой 10, пружины 5, пластинчатого клапана 11 с пружиной 12, его гнезда 6 и кольца 8, запирающего плунжер 7 в полости стакана 9. Наружная поверхность стакана 9 толкателя имеет проточку и отверстие для подачи масла в полость плунжера 7 из масляной магистрали двигателя (см. рис. 17, е, позиция 24). Отжимая клапан 11, масло заполняет нижнюю полость стакана 9. Когда клапан цилиндра закрыт, плунжер 7 под действием пружины 5 отжат кверху, и вставка 12 плунжера, поднимая штангу, устраняет зазоры в механизме газораспределения. При воздействии кулачка распределительного вала на толкатель плунжер 7 под действием возросшего давления со стороны штанги стремится переместиться вниз. Но так как выход для масла из-под плунжерной полости перекрыт пластинчатым клапаном 11, то вследствие несжимаемости масла при малых давлениях плунжер 7 перемещается вверх вместе с толкателем, обеспечивая нужное открытие клапана. После окончания действия кулачка и посадки клапана на седло масло вновь свободно проникает во внутреннюю подплунжерную полость толкателя, так как давление в масломагистрали всегда бывает больше давления штанги на плунжер 7. Поэтому неизбежная утечка масла через зазоры между внутренними

стенками стакана 9 и плунжером компенсируется, а штанга оказывается поджатой к. коромыслу вне зависимости от теплового состояния двигателя. Расширение деталей при нагреве изменяет только объем масла в подплунжерной полости толкателя, что и позволяет обходиться без специальных тепловых зазоров в механизме. Уменьшение неравномерности износа трущихся поверхностей толкателей в процессе работы достигают тем, что им сообщают небольшое вращательное движение вокруг их оси. С этой целью контактирующую с кулачком поверхность толкателя изготовляют сферической с радиусом примерно 800 мм, а кулачку придают небольшую конусность (в пределах 10…30'). В результате точка касания толкателя с кулачком несколько смещается относительно общей оси симметрии толкателя и кулачка (рис. 17, ж), обеспечивая этим вращение толкателя. Менее распространен способ, когда тарелку или наружную торцовую поверхность цилиндрического толкателя изготовляют плоскими, а проворачивание толкателя обеспечивают путем смещения оси симметрии толкателя на 2…3 мм относительно оси симметрии кулачка (рис. 13, з). Роликовые толкатели сложнее рассмотренных выше обычных цилиндрических, так как снабжены роликом, который катится по поверхности кулачка (на подшипнике качения). Все это утяжеляет их и приводит к нежелательному увеличению инерционных нагрузок на детали механизма газораспределения, резко повышая его шумность. Хотя в паре с роликовыми толкателями можно применять кулачки с вогнутым профилем, обеспечивающим более эффективную работу клапанного механизма при сравнительно плавном отрыве и посадке клапанов на уплотнительные фаски, они не получили распространения. В отечественном двигателестроении их применяют только в двухтактных двигателях ЯМЗ.

Качающиеся (рычажные) толкатели, совершающие угловые перемещения на шарнирной цилиндрической опоре, изготовляют с роликами, опирающимися на кулачки распределительного вала (четырехтактные дизели ЯМЗ) или с гладкими контактными поверхностями как показано на рис. 13, д, е,. Размещают их на общей оси вблизи распределительного вала, а второй, качающийся, конец оснащают гнездами (иногда вставными) со сферическими углублениями под штанги (см. также рис. 18). Контактные поверхности смазывают в них под давлением по каналам, указанным на рисунках. Штанги передают усилия от толкателя к коромыслу и обладают определенной продольной жесткостью. Изготовляют их трубчатыми или сплошными (см. рис. 7, 14, 18) из

Рис. 18. Штанги и коромысла

стали и дюралюминия. Последние применяют в случаях, когда блок-картеры и головки цилиндров отлиты из алюми-

ниевых сплавов. На штанги напрессовывают стальные наконечники имеющие на нижнем конце сферическую поверхность (рис. 18, б, г), а на верхнем – в зависимости от конструкции узла привода коромысла сферическую головку (рис. 24, б) или сферическое гнездо (рис. 18, г). Для штанг из стальных прутков наконечники могут быть выполнены за одно целое со штангой (рис. 18, а, в). Опорные поверхности наконечников термически обрабатывают до HRC 50…60, шлифуют и полируют. Коромысла представляют собой разноплечие рычаги таврового или двутаврового сечения, что повышает их жесткость и служат для передачи движения от штанги к клапану (см, рис. 7, 14, 18). Плечо коромысла, обращенное к клапану в 1,5…2,0 раза больше плеча со стороны штанги, поэтому .необходимая высота подъема клапанов обеспечивается при значительно меньших перемещениях толкателей и штанг, что снижает инерционные нагрузки в механизме газораспределения и повышает его долговечность. Коромысла отливают из чугуна или стали методом точного литья или штампуют (рис. 18, д) из стали марки 45. Длинное плечо коромысла 3 (рис. 18, е) в зоне соприкосновения с торцом стержня клапана, имеет форму цилиндра, поверхность которого при повороте коромысла перекатывается со скольжением, поэтому его подвергают термообработке, а затем шлифуют. Короткое плечо снабжают резьбовым отверстием под регулировочный болт 1. Головка болта закалена и имеет сферическое углубление или шарообразную форму для соответствующего наконечника штанги, а со стороны резьбового торца - прорезь для отвертки. Болт имеет центральный канал и проточку для подвода масла к наконечнику штанги. В заданном положении его удерживают контргайкой 2. Коромысла чаще всего снабжают подшипниковой втулкой 4 из оловянистой бронзы и устанавливают на полой

стальной оси, которую на стойках или кронштейнах крепят к головке блока цилиндров (см. рис. 7). От продольного перемещения на оси коромысла обычно удерживают спиральными пружинами, пружинящими шайбами и т.д. В двигателях ЯМЗ (см. рис. 14) коромысло 12 имеет индивидуальные оси 11, изготовленные вместе со стойками, которые с помощью штифтов 15 фиксируют в заданном положении и крепят болтами 23 к головкам цилиндров. 5. Список литературы 1. Автомобиль. Основы конструкции: Учебник для вузов по специальности «Автомобили и автомобильное хозяйство» /Н.Н. Вишняков, В.К. Вахламов, А.Н. Нарбут и др. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1986. – 304 с.: ил. 2. Автомобильные двигатели: Учебник для вузов по специальности «Автомобили и автомобильное хозяйство» / Под ред. М.С. Ховаха. – М.: Машиностроение, 1977. – 591 с.: ил. 3. Двигатели внутреннего сгорания: Учебник для студентов вузов по специальности «Двигатели внутреннего сгорания» /Под ред. В.Н. Луканина. – М.: Высш. шк., 1985. – 311 с.: ил. 4. Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей: Учебник для студентов втузов по специальности «Двигатели внутреннего сгорания» /В.П. Алексеев, В.Ф. Воронин, Л.В. Грехов и др.; Под общ. ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1990. – 288 с.: ил. 5. Двигатели внутреннего сгорания: Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей: Учебник для студентов втузов по специ-

альности «Двигатели внутреннего сгорания» /Д.Н. Вырубов, С.И. Ефимов, Н.А. Иващенко и др.; Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1984. – 384 с.: ил. 6. Конструкция автомобильных и тракторных двигателей: Учебник для студентов вузов по специальности «Двигатели внутреннего сгорания» /И.Я. Райков, Г.Н. Рытвинский.– М.: Высш. шк.,1986. – 352 с.: ил. 7. Двигатели внутреннего сгорания: В 3 кн. Кн. 2. Динамика и конструирование: Учебник для студентов вузов по специальности … «Автомобили и автомобильное хозяйство» /В.Н. Луканин, И.В. Алексеев, М.Г. Шатров и др.; Под ред. В.Н. Луканина. –М.: Высш. шк., 1995. – 319 с.: ил.