Механизм газораспределения

Механизм газораспределения служит для впуска свежего заряда (горючей смеси или воздуха) в цилиндры двигателя и выпуска отработавших газов в соответствии с протеканием рабочего цикла. В изучаемых двигателях применяется механизм газораспределения клапанного типа с верхним расположением клапанов.

При верхнем расположении клапаны с пружинами и деталями их крепления установлены в направляющих втулках в головке блока, в которой также отлиты впускные и выпускные каналы. Клапаны имеют вертикальное или наклонное положение. Усилие от кулачков распределительного вала, расположенного в картере двигателя, к клапанам передается с помощью толкателей штанг и коромысел. Коромысла шарнирно установлены на оси, закрепленной на головке блока. Клапанный механизм на головке закрыт крышкой.

У V-образных двигателей применяются верхние клапаны с однорядным расположением, привод которых осуществляется от общего распределительного вала через толкатели, штанги и коромысла. Распределительный вал располагается в середине блока-картера у основания цилиндров.

Между стержнем клапана и концом коромысла в непрогретом двигателе должен быть зазор. Он необходим для возможности удлинения стержня клапана при нагревании без нарушения плотности посадки клапана в седле. Величина зазора для двигателей разных марок устанавливается для впускных клапанов в холодном состоянии в пределах 0,15–0,30 мм, а для выпускных клапанов, подвергающихся большему нагреву, – в пределах 0,20–0,40 мм. Для регулировки величины этого зазора в механизме предусмотрены регулировочные устройства.

Правильность чередования различных тактов в цилиндрах двигателя достигается соответствующим расположением кулачков на распределительном валу, а также правильностью установки зацепления распределительных шестерен.

В четырехтактном двигателе рабочий цикл во всех цилиндрах завершается за два оборота коленчатого вала. За это время в каждом цилиндре должны по одному разу открываться и закрываться впускной и выпускной клапаны, что происходит за каждый оборот распределительного вала. Таким образом, распределительный вал должен вращаться в 2 раза медленнее коленчатого вала. Для этого шестерня распределительного вала имеет вдвое большее число зубьев, чем шестерня коленчатого вала.

К клапанной группе относятся: клапан, направляющая втулка клапана, клапанная пружина с опорной шайбой и коническими разрезными сухариками.

Клапан служит для закрытия и открытия впускных или выпускных каналов в блоке. Основными элементами клапана являются головка и стержень.

Впускной клапан изготовляют из износостойкой хромистой или хромо-кремнистой стали, а выпускной во избежание быстрого выгорания – из особой жаростойкой стали (сильхромовой или хромо-никель-марганцовистой), т.к. головка клапана при работе омывается раскаленными газами.

Головка клапана имеет снизу шлифованную конусную рабочую поверхность – фаску (обычно под углом 45°), которой клапан плотно притерт к седлу. На фаску выпускных клапанов в целях повышения их долговечности в двигателях некоторых марок наплавляют особо жаростойкий сплав. На головке клапана делают углубление для установки инструмента, используемого при притирке клапанов. Стержень клапана, проходящий через направляющую втулку, шлифуют. На конце стержня клапана имеется канавка для крепления опорной шайбы пружины. Разноименные клапаны имеют головки различных размеров (большая у впускного клапана) или отличаются специальными метками (обычно впускной ВП или ВС, а выпускной ВЫП или ВХ).

Для лучшего отвода тепла от головки выпускного клапана и улучшения условий его работы в двигателях некоторых марок применяют клапаны с натриевым охлаждением (двигатели ЗИЛ-130). В этом случае клапан имеет полый (высверленный) со стороны головки стержень. Канал закрыт со стороны головки приваренной к ней заглушкой. Внутренняя полость стержня заполнена частично жидким металлическим натрием. При движении клапана натрий, перемещаясь внутри стержня, переносит тепло от головки к стенкам стержня, которое затем передается направляющей втулке.

Седло клапана, в которое он садится фаской головки, расположено в блоке или в головке блока. Седла выпускных клапанов или всех клапанов при алюминиевых головках изготовляют в виде вставных колец из жаростойкой стали или специального чугуна, что повышает срок их службы. Вставные седла наглухо запрессовывают в выточки блока или головки.

Направляющая втулка, через которую проходит стержень клапана, обеспечивает точную посадку его в седло. Стержень клапана подогнан к направляющей втулке с большой точностью. Зазор у впускных клапанов примерно равен 0,05–0,09 мм, а у выпускных – 0,08–0,12 мм. Втулки делают чугунными или металлокерамическими (путем прессования и спекания при высокой температуре металлического порошка) и запрессовывают в блок или головку цилиндров. При установке направляющей втулки в головке цилиндров на верхнем наружном конце втулки ставится стопорное кольцо или имеется буртик, которые устраняют возможность самопроизвольного опускания втулки вниз.

Клапанная пружина удерживает клапан в закрытом положении, обеспечивая плотную его посадку в седле, а также постоянно прижимает толкатель к поверхности кулачка распределительного вала при подъеме и опускании клапана. Пружины изготовляют из специальной стальной термически обработанной проволоки путем холодной их навивки. Для повышения срока службы пружины подвергают после изготовления дробеструйной обработке. Пружину надевают на выходящий из втулки конец стержня клапана и закрепляют на нем в сжатом состоянии с помощью опорной шайбы с коническими разрезными сухариками, которые входят в выточку на стержне клапана. Пружины удерживают клапаны в закрытом положении с усилием около 200–250 Н.

Для ограничения количества масла, поступающего в направляющую втулку, и устранения подсоса масла в цилиндр через зазоры во втулке на верхних впускных клапанах под опорной шайбой ставят защитные металлические или резиновые колпачки.

Часто применяются пружины с переменным шагом витков, имеющие малый шаг на одном из концов, что устраняет возможность возникновения резонансных вибраций пружины и поломки ее вследствие этого при большом числе оборотов коленчатого вала двигателя. В случае возникновения усиленных колебаний такой пружины витки ее, имеющие малый шаг, соприкасаются и жесткость пружины изменяется, в результате чего колебания гасятся. При верхних клапанах иногда на клапан ставят по две пружины, что устраняет возможность проваливания клапана в цилиндр при поломке одной из пружин. В этом случае направление навивки и шаг витков пружин делаются разными, что также устраняет опасность возникновения резонансных колебаний пружин.

В целях повышения долговечности выпускных клапанов применяют специальные мероприятия, обеспечивающие проворачивание клапана при работе. При этом устраняется возможность возникновения нагара на фаске клапана.

В двигателях ЯМЗ-236, СМД-14 между опорной шайбой пружины и коническими сухариками ставят стальную промежуточную втулку, соприкасающуюся с шайбой узкой кольцевой поверхностью, тщательно обработанной и закаленной до высокой твердости. Вследствие малого трения в соединении, в которое попадает масло, создаются условия для возможности проворачивания клапана при работе под воздействием усилия от коромысла и вибраций.

Применяют также специальный механизм, обуславливающий принудительное проворачивание выпускного клапана при каждом его открытии (двигатели ЗИЛ-130). Механизм состоит из неподвижного корпуса, в наклонных каналах которого расположены пять шариков с возвратными пружинами, дисковой пружины и опорной шайбы с замочным кольцом. Механизм установлен на направляющей втулке клапана в углублении головки; клапанная пружина упирается в опорную шайбу.

Когда клапан закрыт и давление клапанной пружины невелико, дисковая пружина выгнута наружным краем кверху, а внутренним краем опирается в заплечики корпуса. При этом шарики пружиной отжаты в канавках в крайнее положение.

При открытии клапана давление клапанной пружины возрастает и передается через опорную шайбу дисковой пружине, которая выпрямляется. При этом внутренний край пружины отходит от заплечиков корпуса, и пружина, опираясь на шарики, передает на них все давление, вследствие чего шарики перемещаются в углубления канавок корпуса, вызывая поворот дисковой пружины и вместе с ней опорной шайбы, клапанной пружины и клапана. Когда клапан закрывается, давление на дисковую пружину уменьшается, и она, выгибаясь, опять упирается внутренним краем на заплечики корпуса, освобождая шарики, которые под действием пружин перемещаются в исходное положение. Таким образом, при каждом открытии клапана происходит его принудительный поворот на некоторый угол.

К передаточным деталям механизма газораспределения относятся толкатели с направляющими втулками, а при верхнем расположении клапанов – дополнительно штанги и коромысла.

Толкатель служит для передачи осевого усилия от кулачка распределительного вала на стержень клапана или на штангу.

Применяются следующие типы толкателей: плоские грибовидные, цилиндрические, роликовые и рычажные.

Толкатели изготовляют из стали или чугуна; рабочие поверхности их шлифуют и подвергают термической обработке для получения высокой твердости. Торцовая рабочая поверхность грибовидных или цилиндрических стальных толкателей обычно наплавляется отбеленным чугуном, имеющим высокую износостойкость.

Тело толкателя делают пустотелым для уменьшения веса, а следовательно, и сил инерции, возникающих при движении толкателя. В теле толкателя иногда имеется боковое отверстие, служащее для прохода смазки к его трущейся поверхности. Это отверстие используется также для закрепления толкателя в блоке с помощью шпильки в поднятом состоянии при установке или съеме распределительного вала.

Для устранения одностороннего износа опорной рабочей поверхности грибовидный и цилиндрический толкатели обычно устанавливают таким образом, чтобы при набегании кулачка толкатель поворачивался вокруг своей оси. Это достигается небольшим смещением оси толкателя относительно середины кулачка, или рабочую поверхность толкателя делают с незначительной выпуклостью (сферической), а кулачки вала – с небольшой конусностью.

У рычажных толкателей, устанавливаемых в бронзовых втулках на специальной оси около распределительного вала, на конце смонтирован на игольчатом подшипнике ролик, лежащий на рабочей поверхности кулачка. В подпятник толкателя упирается наконечник штанги.

Штанга служит для передачи усилия от толкателя к коромыслу. Штанга делается трубчатого сечения и изготовляется из стали. По концам в штанге закрепляются стальные наконечники.

Коромысло служит для изменения направления передаваемого движения. Коромысла изготовляют из стали или ковкого чугуна и устанавливают на бронзовых втулках или без них на осях, которые при помощи стоек закреплены на головке блока. Одно плечо коромысла располагается над стержнем клапана, а другое соединяется со штангой. Для регулировки зазора между стержнем клапана и носком коромысла в конец коромысла ввернут регулировочный винт с контргайкой.

Распределительный вал обеспечивает своевременное открытие и закрытие клапанов. Вал имеет впускные, выпускные кулачки, опорные шейки, шестерню для привода масляного насоса и распределителя системы зажигания и эксцентрик для привода топливного насоса в карбюраторных двигателях.

Вал штампуют из стали; кулачки и шейки его подвергают термической обработке для получения повышенной износостойкости, после чего шлифуют. Кулачки изготовляют как одно целое с валом. Применяют также литые чугунные распределительные валы.

Для каждого цилиндра у четырехтактных двигателей имеются два кулачка – впускной и выпускной. Форма кулачка обеспечивает плавный подъем и опускание клапана и соответствующую продолжительность его открытия. Кулачки устанавливают под углом, величина которого зависит от фаз газораспределения. Вершины кулачков располагаются в принятом для двигателя порядке работы с учетом направления вращения вала. По длине вала впускные и выпускные кулачки чередуются в соответствии с расположением клапанов.

При нижнем расположении распределительного вала его устанавливают в картере на опорах, представляющих собой отверстия в стенках и перегородках картера, в которые запрессованы стальные тонкостенные биметаллические или триметаллические втулки. Вал устанавливают иногда также в специальных вкладышах. Число опор распределительного вала для двигателей разных типов различно.

Осевые перемещения распределительного вала у большинства двигателей ограничиваются упорным фланцем, закрепленным на блоке и расположенным с определенным зазором между торцом передней шейки вала и ступицы шестерни. Зазор между опорным фланцем и торцом шейки вала устанавливают для двигателей разных марок в пределах 0,05–0,2 мм. Величина этого зазора определяется толщиной распорного кольца, закрепленного на валу между торцом шейки и ступицей шестерни.

Распределительный вал приводится во вращение от коленчатого вала с помощью зубчатой или цепной передачи. При зубчатой передаче на конце коленчатого и распределительного валов закрепляют распределительные шестерни.

Для повышения бесшумности и плавности работы шестерни изготовляют с косыми зубьями; шестерню распределительного вала обычно делают из пластмассы – текстолита, а шестерню коленчатого вала – из стали.

Содержание отчета

1. Перечислить основные детали КШМ и ГРМ.
2. Нарисовать схемы коленчатых валов двигателей СМД-14, ЯМЗ-236, ЗИЛ-130.
3. Перечислить и зарисовать специальные метки, которые должны быть обращена к передней части двигателя.
4. Нарисовать разрезы головок поршней двигателей СМД-14, ЯМЗ-236, ЗИЛ-130.
5. Зарисовать разрезы на юбках поршня.
6. Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

1. Какие маслосъемные кольца применяют на двигателях, кроме чугунных прорезных колец?
2. Что такое поршневой палец плавающего типа?
3. Какие антифрикционные сплавы применяют для изготовления вкладышей двигателей СМД-14, ЯМЗ-236, ЗИЛ-130?
4. Какой из коренных подшипников является установочным в двигателях СМД-14, ЯМЗ-236, ЗИЛ-130?
5. Зачем между стержнем клапана и концом коромысла в непрогретом двигателе должен быть зазор?
6. Что является основными элементами клапана?
7. Что устраняет возможность возникновения нагара на фаске клапана?
8. Зачем между стержнем клапана и носком коромысла в конец коромысла ввернут регулировочный винт с контргайкой?