Распределительный вал и его привод
Распределительный вал обеспечивает своевременное открытие и закрытие клапанов. Вал имеет впускные Г и выпускные Б кулачки, опорные шейки Л, шестерню Д для привода масляного насоса и распределителя системы зажигания и эксцентрик В для привода топливного насоса в карбюраторных двигателях.
Рис. 1. Типы распределительных валов
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 (профиль) кулачка обеспечивает плавный подъем и опускание клапана и соответствующую продолжительность его открытия. Одноименные кулачки располагают в рядном четырехцилиндровом двигателе под углом 90° (рис. 1, а), в шестицилиндровом - под углом 60° (рис. 1, б). Разноименные 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.
В V-образных двигателях расположение кулачков на общем для обеих секций блока распределительном валу зависит от чередования тактов в цилиндрах, угла развала и принятых фаз газораспределения. Распределительный вал У-образного восьмицилиндрового карбюраторного двигателя показан на рис. 1, в.
В двухтактных дизелях (ЯАЗ -М204 и ЯАЗ -М206) для каждого цилиндра имеется по два выпускных кулачка, обращенных вершинами в одну сторону, и по одному кулачку, управляющему работой насос-форсунки.
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 (рис. 2), 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. У двухтактных дизелей ЯМЗ осевые перемещения вала ограничиваются бронзовыми упорными шайбами, установленными по обеим сторонам переднего подшипника.
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.
При цепной передаче, обеспечивающей большую бесшумность работы (автомобили ЗИЛ -111), на конце коленчатого вала и на конце распределительного вала закрепляются звездочки, соединенные стальной гибкой бесшумной цепью. Зубья цепи входят в зацепление с зубьями звездочек.
Рис. 2. Типы приводов распределительного вала: а - зубчатая передача; б - цепная передача
Распределительные шестерни или звездочки при сборке устанавливают одну относительно другой по меткам, имеющимся на их зубьях.
На новых моделях двигателей получает применение верхнее расположение распределительного вала (на головке блока). Привод вала осуществляется цепной передачей (автомобиль «Москвич-412»).
Газораспределительный механизм обеспечивает своевременное поступление в цилиндры двигателя горючей смеси (или воздуха) и выпуск отработавших газов.
Двигатели могут иметь нижнее расположение клапанов (ГАЗ -52, ЗИЛ -157К, ЗИЛ -1Э0К), при котором клапаны размещены в блоке цилиндров, и верхнее (ЗМЗ -24, 3M3-S3, ЗИЛ -130, ЯМЗ -740 и др.), когда они расположены в головке цилиндров.
При нижнем расположении клапанов усилие от кулачка распределительного вала передается клапану или через толкатель. Клапан перемещается в направляющей втулке, запрессованной в блок цилиндров. Закрытие клапана осуществляется пружиной, упирающейся в блок и шайбу, закрепленную двумя сухариками на конце стержня клапана.
При верхнем расположении клапанов усилие от кулачка распределительного вала передается толкателю, штанге, коромыслу и клапану. Преимущественно применяется верхнее расположение клапанов, так как такая конструкция позволяет получить компактную камеру сгорания, обеспечивает лучшее наполнение цилиндров, уменьшает потери тепла с охлаждающей жидкостью и упрощает регулировку клапанных зазоров.
Распределительный вал обеспечивает своевременное открытие и закрытие клапанов. Изготовляют его из стали или чугуна.
При сборке распределительный вал вставляют в отверстие торца картера двигателя, поэтому диаметры опорных шеек последовательно уменьшаются, начиная с передней шейки. Количество опорных шеек обычно равно количеству коренных подшипников коленчатого вала. Втулки 8 опорных шеек изготовляют из стали, бронзы (ЯМЗ -740) или из металлокерамики.
Внутреннюю поверхность стальных втулок заливают слоем баббита или сплава СОС -6-6.
На распределительном валу расположены кулачки, воздействующие на толкатели; шестерня привода масляного насоса и прерывателя-распределителя; эксцентрик привода топливного насоса. Кулачков имеется по два на каждый цилиндр. Углы их взаимного расположения зависят для одноименных кулачков - от числа цилиндров и чередования рабочих ходов в разных цилиндрах, для разноименных - от фаз газораспределения. Кулачки и шейки стальных распределительных валов подвергают закалке токами высокой частоты, а чугунных - отбеливанию. Кулачкам при шлифовании придают небольшую конусность, что в сочетании со сферической формой торца толкателей обеспечивает поворот толкателя во время работы.
Рис. 3. Газораспределительный механизм с нижним расположением клапанов: а-схема, 6--детали; 1-распределительный вал, 2 - толкатель, 3- контргайка, 4- регулировочный болт, 5-сухарики, б - упорная. шайба пружины, 7- пружина клапана, 8--выпускной клапан, 9- направляющая втулка клапана, 10 - вставное седло выпускного клапана, 11 - впускной клапан
Между шестерней распределительного вала и передней опорной шейкой установлены распорная шайба и упорный фланец, который привертывается болтами к блоку цилиндров и удерживает вал от осевых перемещений.
Распределительный вал получает вращение от коленчатого вала. В четырехтактных двигателях рабочий цикл происходит за два оборота коленчатого вала. За этот период впускные и выпускные клапаны каждого цилиндра должны открываться один раз, а следовательно, распределительный вал должен повернуться на один оборот. Таким образом, распределительный вал должен вращаться в два раза медленнее коленчатого вала. Поэтому шестерня распределительного вала имеет в два раза больше зубьев, чем шестерня на переднем конце коленчатого вала. Шестерня коленчатого вала стальная, шестерня на распределительном валу чугунная (ЗИЛ -130) или текстолитовая (ЗМЗ -24, 3M3-53). Зубья у шестерен косые.
Рис. 4. Газораспределительный механизм с верхним расположением клапанов (ЗИГМЗО ): 1 - шестерня распределительного вала, 2 - упорный фланец, 3 - распорное кольцо, 4-опорные шейки, 5-эксцентрик привода топливного насоса, 6 - кулачки выпускных клапанов, 7 - кулачки впускных клапанов, 8- втул-ки, 9 - впускной клапан, 10 - направляющая втулка, 11-упорная шайба, 12 - пружина, 13 - ось коромысел, 14 - коромысло, 15 - регулировочный винт, 16-стойка оси коромысел, 17 - механизм поворота выпускного клапана, 18 - выпускной клапан, 19 - штанга, 20-толкатели, 21 - шестерня привода масляного насоса и прерывателя-распределителя
Распределительные шестерни двигателя ЯМЗ -740 расположены на заднем торце блока цилиндров.
Распределительные шестерни входят в зацепление между собой при строго определенном положении коленчатого и распределительного валов. Это достигается совмещением меток на зубе одной шестерни и впадине между зубьями другой шестерни.
В высокооборотных двигателях («Москвич-412», ВАЗ -2101 «Жигули») распределительный вал располагается в головке цилиндров и его кулачки воздействуют непосредственно на коромысла, которые, поворачиваясь на осях, открывают клапаны. В таком клапанном механизме нет толкателей и штанг, упрощается отливка блока цилиндров, снижается шум при работе.
Ведомая звездочка распределительного вала приводится во вращение втулочно-роликовой цепью от ведущей звездочки коленчатого вала. Устройство для натяжения цепи имеет звездочку и рычаг.
Рис. 5. Газораспределительный механизм с верхним расположением распределительного вала («Москвич-412»): а- газораспределительный механизм, б - привод газораспределительного механизма; 1 - наконечник клапана, 2 - ось коромысел выпускных клапанов, 3,6 - коромысла, 4 - распределительный вал, 5 - ось коромысел впускных клапанов, 7 - контргайка, 8 - регулировочный винт, 9 - головка цилиндров, 10 - клапаны, 11 - ведущая звездочка, 12-звездочка натяжного устройства, 13 - рычаг, 14 - ведомая звездочка, 15 - цепь, 16 - коленчатый вал
К атегория: - Устройство и работа двигателя
Клапанный механизм газораспределения, сокращенно ГРМ, - это то, без чего четырехтактный двигатель существовать в принципе не может. Он открывает впускные клапана, впуская воздух или горючую смесь в цилиндры на такте впуска, открывает выпускные на такте выпуска и надежно запирает горящую в цилиндре смесь во время рабочего хода. От того, насколько хорошо он обеспечивает "дыхание" мотора - подачу воздуха и выпуск отработавших газов - зависит и мощность, и экологичность мотора.
Клапаны открывают и закрывают своими кулачками распределительные валы, а крутящий момент на них передается с коленвала, в чем, собственно, и состоит задача привода ГРМ. Сегодня для этого используют цепь или ремень. Но так было не всегда…
Старый добрый нижний распредвал
В начале ХХ века проблем с приводами распредвала не было - его раскручивали обычные шестерни, а к клапанам от него шли штанги толкателей. Клапаны располагались тогда сбоку, в "кармане" камеры сгорания, прямо над распределительным валом, и открывались-закрывались штангами. Потом клапаны стали ставить один напротив другого, чтобы уменьшить объем и площадь поверхности этого "кармана" - в результате неоптимальной формы камеры сгорания моторы имели повышенную склонность к детонации и плохой термический КПД: много тепла уходило в стенки головки блока цилиндров. И наконец, клапаны перенесли в область прямо над поршнем, и камера сгорания стала совсем небольшой и почти правильной формы.
Расположение клапанов сверху камеры сгорания и привод клапанов более длинными толкателями (так называемая схема OHV), предложенные еще в начале ХХ века Дэвидом Бьюиком, оказались самыми удобными. Такая схема вытеснила варианты моторов с боковыми клапанами в гоночных конструкциях уже к 1920 году. Например, именно она применяется в знаменитых двигателях Chrysler Hemi и моторах Corvette и в наше время. А моторы с боковыми клапанами могут помнить водители ГАЗ-52 или ГАЗ-М-20 "Победа", где данная схема применялась в двигателях.
И ведь так удобно все это было! Конструкция очень проста. Распредвал, оставаясь внизу, находится в блоке цилиндров, где прекрасно смазывается разбрызгиванием масла! Даже штанги и кулачки рокеров с регулировочными шайбами можно оставить снаружи при необходимости. Но прогресс не стоял на месте.
Почему отказались от штанг?
Проблема - в лишнем весе. В 30-е годы скорость вращения гоночных моторов на земле и авиационных моторов на самолетах достигла величин, при которых появилась необходимость облегчить механизм газораспределения. Ведь каждый грамм массы клапана вынуждает увеличивать и силу пружин, которые его закрывают, и прочность толкателей, через которые распредвал жмет на клапан, в результате потери на привод ГРМ быстро возрастают при увеличении оборотов мотора.
Выход был найден в переносе распределительного вала наверх, в головку блока цилиндров, что позволило отказаться от простой, но тяжелой системы с толкателями и значительно уменьшить инерционные потери. Поднялись рабочие обороты мотора, а значит, увеличилась и мощность. Например, Роберт Пежо создал в 1912 году гоночный двигатель с четырьмя клапанами на цилиндр и двумя верхними распредвалами. С переносом распределительных валов наверх, в головку блока, возникала и проблема их привода.
Первым решением было ввести промежуточные шестерни. Существовал, скажем, вариант с приводом дополнительным валом с коническими шестернями, как, например, на всем танкистам знакомом двигателе В2 и его производных. Такая схема применялась и на уже упомянутом моторе Peugeot, авиамоторах Curtiss К12 образца 1916 года и Hispano-Suiza 1915 года.
Еще одним вариантом стала установка нескольких цилиндрических шестерен, например в двигателях болидов Формулы-1 периода 60-х годов. Удивительно, но "многошестеренная" технология находила применение и совсем недавно. Например, на нескольких модификациях дизельных 2.5-литровых моторов Volkswagen, ставившихся на Transporter T5 и Touareg - AXD, AXE и BLJ.
Почему пришла цепь?
У шестеренчатого привода было много "врожденных" проблем, главная из которых - шумность. Помимо того, шестерни требовали точной установки валов, расчета зазоров и взаимной твердости материалов, а также - муфт гашения крутильных колебаний. В общем, конструкция при кажущейся простоте была мудреной, а шестерни - отнюдь не "вечными". Нужно было что-то другое.
Когда впервые применили цепь для привода ГРМ, точно неизвестно. Но одной из первых массовых конструкций был двигатель мотоцикла AJS 350 с цепным приводом в 1927 году. Конструкция оказалась удачной: цепь не только была тише и проще в устройстве, чем система валов, но и снижала передачу вредных крутильных колебаний за счет работы своей системы натяжения.
Как ни странно, цепь не нашла применения в авиационных моторах, и в автомобильных появилась значительно позже. Сначала она появилась в приводе нижнего распредвала вместо громоздких шестерен, но постепенно стала набирать популярность и в приводах с верхними распредвалами, однако особенно стала актуальна, когда появились моторы с двумя распредвалами. Например, цепью приводился ГРМ в двигателе Ferrari 166 1948 года и в поздних версиях мотора Ferrari 250, хотя ранние варианты его имели привод коническими шестернями.
В массовых моторах нужды в цепном приводе долго не возникало - до 80-х годов. Маломощные двигатели выпускались с нижним распредвалом, и это не только "Волги", но и Skoda Felicia, Ford Escort 1.3 и множество американских машин - на V-образных моторах штанги-толкатели стояли до последнего. А вот на высокофорсированных моторах европейских производителей цепи появились уже в 50-е годы и до конца 80-х оставались преобладающим типом привода ГРМ.
Как появился ремень?
Примерно тогда же у цепи появился опасный конкурент. Именно в 60-е развитие технологий позволило создать достаточно надежные зубчатые ремни. Хотя вообще-то ременная передача - одна из старейших, она использовалась для привода механизмов еще в античности. Развитие станочного парка с групповым приводом механизмов от паровой машины или водяного колеса обеспечило развитие технологий производства ремней. Из кожаных они стали текстильными и металлокордными, с применением нейлона и других синтетических материалов.
Первый случай использования ремня в приводе ГРМ относят к 1954 году, когда в гонках SCCA победил Devin Sports Car конструкции Билла Девина. Его мотор, согласно описанию, имел верхний распредвал и привод зубчатым ремнем. Первой же серийной машиной с ремнем в приводе ГРМ считается модель Glas 1004 1962 года небольшой немецкой компании, позднее поглощенной BMW.
В 1966 году, Opel/Vauxhall начал производство массовых моторов серии Slant Four с ремнем в приводе ГРМ. В том же году, несколько позже, появились моторы Pontiac OHC Six и Fiat Twincam, тоже с ремнем. Технология стала по-настоящему массовой.
Причем мотор от Fiat чуть было не попал на наши" Жигули"! Рассматривался вариант его установки вместо нижневального мотора Fiat-124 на будущий ВАЗ 2101. Но, как известно, старый мотор просто переделали под верхние клапаны, а в качестве привода поставили цепь.
Как видно, сначала ремень использовался исключительно на недорогих моторах. Ведь его основными преимуществами была низкая цена и малая шумность привода, что актуально для небольших машин, не обремененных шумоизоляцией. Но его нужно было регулярно менять и следить, чтобы на него не попадали агрессивные жидкости и масло, причем интервал замены уже тогда был немаленьким и составлял 50 тысяч километров.
И все же славу не слишком надежного способа привода ГРМ он получить успел. Ведь достаточно было погнуться одной шпильке или выйти из строя одному ролику, как его ресурс снижался в разы.
Серьезно снижало ресурс и замасливание - тут не всегда помогал даже герметичный кожух, ведь моторы тех лет имели весьма примитивную систему вентиляции картерных газов и масло все равно попадало на ремень.
Впрочем, все нюансы применения некачественных ремней ГРМ у нас знакомы владельцам переднеприводных ВАЗ. Мотор 2108 разрабатывался как раз в 80-е, на пике увлечения ремнями. Тогда их стали ставить даже на большие моторы вроде ниссановского RB26, и надежность лучших образцов была на уровне. С тех пор споры о том, что лучше - цепь или ремень, не утихают ни на минуту. Будьте уверены, прямо сейчас, пока вы читаете эти строки, на каком-нибудь форуме или в курилке два апологета разных приводов спорят до полного изнеможения.
В следующей публикации я подробно разберу все плюсы и минусы цепных и ременных приводов. Оставайтесь на связи!
Распределительный вал или попросту распредвал в газораспределительном механизме обеспечивает выполнение основной функции – своевременного открытия и закрытия клапанов, за счет чего производится приток свежего воздуха и выпуск отработавших газов. В общем виде распределительный вал управляет процессом газообмена в двигателе.
Для уменьшения инерционных нагрузок, увеличения жесткости элементов газораспределительного механизма распределительный вал должен располагаться как можно ближе к клапанам. Поэтому стандартное положение распредвала на современном двигателе в головке блока цилиндров – т.н. верхнее расположение распределительного вала .
В газораспределительном механизме используется один или два распределительных вала на ряд цилиндров. При одновальной схеме обслуживаются впускные и выпускные клапаны (два клапана на цилиндр ). В двухвальном газораспределительном механизме один вал обсуживает впускные клапаны, другой – выпускные (два впускных и два выпускных клапана на цилиндр ).
Основу конструкции распределительного вала составляют кулачки . На каждый клапан используется, как правило, один кулачок. Кулачок имеет сложную форму, которая обеспечивает открытие и закрытие клапана в установленное время, и его подъем на определенную высоту. В зависимости от конструкции газораспределительного механизма кулачок взаимодействует либо с толкателем, либо с коромыслом.
При работе распределительного вала кулачки вынуждены преодолевать усилия возвратных пружин клапанов и силы трения от взаимодействия с толкателями. На все это расходуется полезная мощность двигателя. Указанных недостатков лишена беспружинная система, реализованная в десмодромном механизме . Для уменьшения силы трения между кулачком и толкателем плоская поверхность толкателя может заменяться роликом . В отдаленной перспективе использование магнитной системы для управления клапанами, обеспечивающей полный отказ от распределительного вала.
Распределительный вал изготавливается из чугуна (литьем) или стали (ковкой). Распредвал вращается в опорах, которые представляют собой подшипники скольжения. Число опор на одно превышает число цилиндров. Опоры, в основном, разъемные, реже – неразъемные (выполнены как одно целое с головкой блока). В опорах, выполненных в чугунной головке, используются тонкостенные вкладыши, которые при изнашивании заменяются.
От продольного перемещения распредвал удерживают упорные подшипники, располагающиеся около приводной шестерни (звездочки). Распределительный вал смазывается под давлением. Предпочтительным является индивидуальный подвод масла к каждому подшипнику. Значительно повышается эффективность газораспределительного механизма с использованием различных систем изменения фаз газораспределения , которые позволяют добиться повышения мощности, топливной экономичности, снижения токсичности отработавших газов. Различают несколько подходов к изменению фаз газораспределения:
- поворот распределительного вала на различных режимах работы;
- использования нескольких кулачков с различным профилем на один клапан;
- изменение положения оси коромысла.
Распределительный вал приводится в действие от коленчатого вала двигателя . В четырехтактном двигателе внутреннего сгорания привод обеспечивает вращение коленчатого вала со скоростью в два раза медленнее коленчатого вала.
На двигателях легковых автомобилей привод распределительного вала осуществляется с помощью цепной или ременной передачи. Данные виды привода на равных используются как в бензиновых двигателях, так и дизелях. Ранее для привода использовалась шестеренная передача, но ввиду громоздкости и повышенного шума перестала применяться.
Цепной привод объединяет металлическую цепь, которая обегает звездочки на коленчатом и распределительном валу. Помимо этого в приводе используются натяжитель и успокоитель. Цепь состоит из звеньев, соединенных шарнирами. Одна цепь может обслуживать два распределительных вала.
Цепной привод распределительного вала достаточно надежный, компактный, может использоваться на больших межосевых расстояниях. Вместе с тем, износ шарниров при эксплуатации, приводит к растяжению цепи, последствия которого могут быть самые печальные для ГРМ. Не спасают даже натяжитель с успокоителем. Поэтому цепной привод требует регулярного контроля состояния.
В ременном приводе распределительного вала используется зубчатый ремень, который охватывает соответствующие зубчатые шкивы на валах. Приводной ремень оборудуется натяжным роликом. Ременный привод компактный, почти бесшумный, достаточно надежный, что делает его популярным у производителей. Современные зубчатые ремни имеют значительный ресурс - до 100 тыс. км пробега и более.
Привод распределительного вала может использоваться для привода и других устройств – масляного насоса , топливного насоса высокого давления , распределителя зажигания.
Загрузка...
