Поршневой палец

Палец служит для сочленения поршня с шатуном и для передачи на шатун усилия давления газов.

Поршневой палец работает на изгиб и срез от газовых и инерционных сил, а также на износ в бобышках поршня и верхней головке шатуна.

Материал поршневых пальцев должен обладать высокой меха­нической прочностью, упругостью и поверхностей твердостью.

Для уменьшения веса палец делают пустотелым (Рис. 3.41). Крепление пальца в поршне, как правило, допускает свободное его поворачивание (плавающий палец). Такое крепление обеспе­чивает более равномерное изнашивание пальца по окружности.

Перемещение пальца в осевом направлении ограничивают обычно заглушками из алюминиевого сплава, которые обтачи­ваются по сфере меньшего радиуса, чем радиус цилиндра, что облегчает вращение пальца в бобышках поршня.

Для уменьшения веса и изгибающих нагрузок палец выгодно делать возможно более коротким, но при этом учитывают, чтобы удельное давление пальца на бобышки было не более 400 кг/см².

При укороченных пальцах осевое перемещение ограничи­вают специальными замками (Рис. 3.42).

Рис. 3.40. Схема нагрузки на поршневой палец

Рис. 3.41. Конструктивные формы поршневых пальцев

Рис. 3.42 Ограничители осевого перемещения поршневого пальца

Недостаток последних заключается в том, что палец поршня, будучи не зажат, имеет некоторую игру и, ударяясь о замок, разбивает кроя выемки, в которой он закреплен.

Рабочая поверхность пальцев полируется и подвергается термической обработке (цементации, азотированию и др.).

Газораспределительный механизм

Газораспределительный механизм предназначен для обеспечения своевременного впуска свежей смеси в цилиндры и выпуска из них продуктов сгорания.

Основными элементами га­зораспределения являются:

а) клапанный механизм;

б) привод механизма га­зораспределения.

Клапанный механизм

Назначение клапанов — за­крывать и открывать отвер­стия в днище цилиндра, через которые осуществляется впуск свежей смеси и выпуск продуктов сгорания. В зависимости от назначения различают клапаны выпуска и клапаны впуска.

Условия работы клапанов выпуска исключительно тяже­лые. Они подвержены дейст­вию раскаленных газов не только в процессе сгорания, но и в течение выпуска, когда их омывают выходящие из цилиндра газы. Температура грибков выхлопных клапанов иногда превышает 800°С.

При столь высо­ких температурах механическая прочность материала сильно понижается, а вместе с тем клапан испытывает большие удар­ные нагрузки в моменты открытия и закрытия. Эти удары, следующие один за другим, могут вызвать снятие фаски кла­пана и его седла, растрескивание и выкрашивание кромки грибка клапана, вытягивание штока и другие дефекты.

Наиболее частым дефектом в эксплуатации является выго­рание фаски грибка, что обусловлено как действием ударной нагрузки, так в разъедающим действием выхлопных газов (газовая коррозия).

Особенно сильная коррозии выпускных клапанов наблюдается при работе мотора на свинцовом бензине с повышенным со­держанием тетраэтилового свинца.

Исходя из действующих нагрузок и условий работы клапа­нов, к сталям, применяемым для изготовления клапанов, предъявляются такие требования:

- сохранение высоких механических свойств при рабочих температурах клапанов;

- устойчивость против газовой коррозии;

- отсутствие самозакаливания клапанов при охлаждении на воздухе после остановки мотора.

Последнее представляет опасность вследствие хрупкости таких клапанов в холодном состоянии и возможности их по­ломки при запуске.

Стали, применяемые для клапанов, относятся к жаростойким. Они содержат большой процент хрома (до 22%) с целью по­вышения твердости стали и ее стойкости против газовой кор­розии. Кроме того, хром (особенно в присутствии кремния) спо­собствует устранению самозакаливания.

Наилучшие показатели уменьшения газовой коррозии полу­чаются при добавлении к высокохромистой стали никеля. Примеси молибдена, вольфрама, кобальта и некоторых других металлов способствуют сохранению крепости и твердости кла­пана при высоких температурах.

Конструкция клапанов

Конструктивно в клапане различают следующие части:

1. Шток клапана, движущийся в направляющей втулке. Он снабжен наконечником или резьбой для крепления таре­лочки клапанных пружин.

2. Грибок клапана, непосредственно закрывающий про­ходное отверстие для газов.

Для хорошего прилегания клапана к седлу (обеспечение герметичности), а также для самоцентрирования клапана в седле на грибке клапана делается фаска, которая притиркой или шлифовкой точно подгоняется к такой же фоске на седле.

Угол наклона фаски имеет важное значение в конструкции клапана, так как увеличивает проходное сечение в началь­ный период открытия и конечный период закрытия клапана. Угол фаски также влияет на форму газовой струи, обтекающей клапан, на величину удельного давления на фаску при посадке клапана и на способность клапана самоцентрироваться в седле.

Обычно применяются фаски с углом 30 и 45°. Первые уве­личивают на 20% площадь проходного сечения в начале от­крытия клапана, но при этом ухудшается центровка клапана в седле и форма газового потока при полном открытии кла­пана.

Для клапанов всасывания применяются фаски под углом 30 и 45°, а для клапанов выпуска главным образом под углом 45.

В некоторых двигателях угол наклона фаски клапана де­лают на 0,5—1° меньше угла фаски седла, вследствие чего клапан садится на седло больший диаметром грибка. Этим ускоряется приработка клапана к седлу, более плотно закры­вается седло, и, следовательно, фаски седла и гнезда предо­храняются от воздействия горячих газов при вспышке и рас­ширении.

Наиболее частым дефектом клапанов является их прогар, т. е. выгорание фаски, вызывающее потерю герметичности и выход клапана из строя.

Чаше всего прогар происходит вследствие нарушения плот­ности посадки клапана по причине коробления седла или кла­пана, перекоса клапана при подъеме или посадке, переноса частиц металла с седла на клапан (или наоборот), газовой кор­розии, а также из-за попадания твердых частиц между фасками седла и клапана, препятствующих плотной посадке.

Во всех этих случаях через неплотности между клапаном и его седлом при вспышке и во время рабочего хода проры­ваются газы под большим давлением и при высокой темпера­туре. Вследствие этого участки неплотного прилегания выго­рают.

Для устранении этого дефекта, повышения стойкости фаски против коррозии, а также для предотвращения разбивания фаски от ударов при посадке наваривают фаску клапана стеллитом. Стеллит обладает большой твердостью и не выгорает при высоких температурах. У некоторых клапанов, работающих при особенно высоких температурах, стеллитом покрывают не только фаску, но и всю поверхность грибка, расположению в камере сгорания.

Отвод тепла от выпускного клапана имеет первостепенное значение для нормальной его работы.

Часть тепла стволится через фаски клапана в седло, а дру­гая часть - через шток клапана в направляющую втулку.

Рис.3.43. Схема изготовления пустотелых клапанов:

а – внутренней расточкой; б – расточкой с последующей штамповкой;

При выпуске газов клапан не касается седла, и, следова­тельно, отвод тепла осуществляется только через шток. Однако теплопроводность стали недостаточна и не обеспечивает необ­ходимого отвода тепла от грибка клапана к <го штоку, что и является причиной перегрева, коробления и других де­фектов.

Для улучшения охлаждения грибков клапанов применялись различные способы, ко наилучшие результаты достигнуты при охлаждении клапана металлическим натрием. Для этого путем сложной механической обработки шток и грибок клапана де­лаются полыми (Рис. 3.43) и 60 этой полости заполняются металлическим натрием, который плавится при темпера­туре 90°С.

При движении клапана расплавленный натрий, взбалтываясь, переносит часть текла от грибка в шток, понижая температуру грибка на 150—200°С. Такое охлаждение имеют выхлопные клапаны почти всех моторов.

Торец штока клапана испытывает ударные нагрузки и смя­тие в момент открытия клапана. На торец также наплавляют стеллит или же ему придают поверхностную твердость дру­гими способами.

Рис. 3.44. Способы крепления пружин к што­кам клапанов: а – при помощи тарелочек ввертываемых в шток; б – при помощи разъемных сухариков;

Клапаны впуска работают в более легких температурных условиях. Вследствие интенсивного охлаждения при впуске свежей смеси температура грибка впускного клапана обычно не превышает 400°С, поэтому клапан впуска не нуждается в дополнительном охлаждении. Штоки клапанов впуска вы­полняются более тонкими по сравнению с штоками выпускных клапанов, а грибку придается форма тюльпана, при которой обеспечивается малое сопротивление протеканию смеси и со­храняется большая жесткость грибка.

Для монтирования к клапану пружин верхняя часть клапана имеет нарезки для ввертывания тарелочки, по которой непо­средственно действует кулачок, или же делаются кольцевые проточки для конусных разъемных сухариков, зажимающих шток клапана в тарелочке (Рис. 3.44).

Направляющие втулки клапанов

Втулка служит для правильной центровки клапана и на­правляющей при его движении. Конструктивно втулки различ­ных моторов мало отличаются одна от другой и выполняются в виде полых цилиндров, снабженных буртиком, являющимся упором при запрессовке втулки в цилиндр.

Материал втулки должен обладать антифрикционными свой­ствами для уменьшения трения в клапанах и хорошей тепло­проводностью с целью интенсивного отвода тепла от штока клапана. Наиболее употребительный материал для втулок — фосфористая бронза.

Интенсивность отвода тепла от штока клапана зависит так­же от величины зазора между штоком и втулкой, от темпера­туры самой втулки и ее длины и особенно от расстояния между торцом втулки и грибком.

Для увеличения теплоотдачи зазор между штоком и на­правляющей должен быть наименьшим, но достаточным, чтобы предупредить заедание. Сработанность втулок — одна из при­чин перегрева клапанов.

С целью понижения температуры втулки в головке цилин­дров предусматривают охлаждение бобышки, в которую втулка запрессована. Для той же цели поверхность соприкосновения между втулкой и бобышкой делается по возможности боль­шей.

Клапанные пружины

Назначение клапанных пружин — закрывать клапаны и плотно прижимать их к седлу.

Сила упругости пружин должна быть достаточно велика, так как в момент полного открытия клапана возникают инер­ционные силы, достигающие многих десятков килограммов. Эти силы препятствуют закрытию клапана.

Упругость пружин при закрытом клапане должна предотвра­тить возможность открытия клапана вследствие разности даре­ний, возникающей при работе с сильно прикрытым дросселем и большом наддуве.

Для большей надежности на каждый клапан ставят не ме­нее двух, а чаще всего три пружины. Упругость пружин под­бирается так, чтобы в случае поломки одной из них другие пружины хотя с перегрузкой, но обеспечили бы работу мо­тора. Сталь для клапанных пружин должна обладать большой у пругостью, высокой ударной вязкостью и выносливостью на усталость. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют хромованадиевые стали. Из этих сталей изготовляются не только клапанные, но и другие пружины для деталей мотора.

Приводы газораспределения

Назначение привода — осуществить открытие и закрытие клапанов в моменты, строго согласованные с положением пор­шней в цилиндрах (или. что то же самое, с положением ко­ленчатого вала). В рядных двигателях клапаны приводятся в действие при помощи кулачковых валиков по схемам, изображенным на рис. 3.45.

Рис. 3.45. Схемы приводов кулачковых валиков V-образных двигателей

Коническая шестерня 1, закрепленная на хвостовике колен­чатого вала, приводит во вращение шестерню 2 наклонного валика 3. Шестерня 4 этого валика сцеплена с шестерней 5, закрепленной на кулачковом валике.

Для точной установки фаз газораспределения при сборке мотора или его регулировке система передач предусматривает возможность перестановки кулачковых валиков на очень ма­лые углы относительно коленчатого вала. Это достигается пу­тем соединения некоторых деталей системы передач, например, шестерен, валиков и других при помощи мелких шлиц. Пере­становка на одну шлицу соответствует определенному угловому смещению кулачкового валика. Комбинацией соединений с различным числом шлиц дости­гаете я установка газораспределения с точностью до 1°.

Количество кулачковых валиков на одном моторе зависит от расположения клапанов в цилиндрах и способа передаче движения от кулачка к клапану.

При расположении клапанов впуска к выпуска в плоскостях, перпендикулярных к оси кулачкового валика, движение к кла­панам передается либо при помощи двух кулачковых валиков, непосредственно действующих своими кулачками из тарелочки клапанов (Рис. 3.46, а), либо одним валиком. В последнем случае движение к клапанам передается посредством коромысел (Рис. 3.46, б), траверс (Рис. 3.46, в) или других механизмов.

При непосредственной передаче движения от кулачка к кла­пану привод получается более простим, числа деталей умень­шается. Но при таком приводе благодаря эксцентричному дей­ствию силы на клапан имеет место усиленный износ направляю­щей втулки и штока клапана. Кроме того, увеличивается вес и усложняются конструкция и производство тарельчатых кла­панов вследствие трудности выполнения на тарелке и штоке резьбы, которая должна обеспечить возможность легкого ввертывания и вывертывания тарелочки при регулировке за­зора и в то же время не должна иметь качки. Этих недостат­ков нет при передаче движения к клапанам при помощи тра­верс и коромысел.

Каждый кулачок распределительного валика обслуживает один клапан или одноименные клапаны и в редких случаях разноименные клапаны, расположенные в одном цилиндре. Из условия, что за один оборот кулачка в цилиндре должен закончиться полный цикл работы, следует, что в четырех­тактных двигателях число оборотов кулачкового валика должно быть в два раза меньше числа оборотов коленчатого вала.

У распределительных валиков, на которых размещены ку­лачки как впускных, так и выпускных клапанов, угол между осями двух кулачков, обслуживающих один цилиндр, выби­рается исходя из таких соображений: ось симметрии кулачка должна соответствовать середине фазы выпуска или впуска. Угол поворота коленчатого вала от середины фазы выпуска до середины фазы впуска легко определить по диаграмме газораспределения двигателя. При этом следует учитывать, что для нормального протекания процессов выпускной кулачок всегда движется впереди впускного.

Газораспределение в звездообразных двигателях

В звездообразных двигателях клапаны приводятся в дейст­вие при помощи кулачковых шайб, располагаемых внутри кар­тера концентрично коленчатому валу. Когда кулачок шайбы (рис.3.47) набегает на ролик толкателя 2, то при помощи тяги 3 и коромысла 4 осуществляется открытие клапана. Такая система упрощает механизм газораспределения звездообразного двигателя и является общепринятой.

Открытие и закрытие клапанов должно происходить в мо­менты, соответствующие определенным положениям коленча­того вала. Для этого необходимо, чтобы число кулачков на шайбе и скорость ее вращения находились в строгой зависи­мости от скорости вращения коленчатого вала.

Профиль кулачка

Подъем клапана всецело зависит от положения кулачка и профиля его очертания (Рис. 3.48). Обозначим: R—радиус начальной окружности кулачка, δ — зазор между кулачком и штоком клапана в холодном состоянии и h — расстояние (по радиусу) от линии профиля до линии начальной окруж­ности.

Привод двухрядной звезды не отличается от привода одно­рядной, так как цилиндры одной звезды располагаются в про­межутке между цилиндрами второй звезды и обслуживаются теми же кулачками.

Чем больше значение h, тем больше клапан открыт. Зависи­мость подъема клапана от угла поворота кулачка изображают в виде кривой, называемой гра­фиком подъема клапана (Рис.3.49). На этом же графике обычно изображают кривые изменения скорости и ускорения клапана, возникающие при его движении. В начальный период своего дви­жения скорость клапана возрас­тает, а его ускорение направлено по скорости (вниз) и считается положительным. Сила инерции клапана в этот период напра­влена вверх и вместе с силой упругости клапанных пружин пе­редается на клапанный привод. За некоторое время до полного открытия клапан замедляет дви­жение, и его ускорение напра­влено против скорости (вверх). Сила же инерции клапана напра­влена вниз и воспринимается клапанными пружинами.

Когда кулачок сбегает с та­релочки клапана, скорость его сначала возрастает, а затем убы­вает и в момент посадки на седло равна нулю. Благодаря симметричности кулачка кривые подъема клапана, скорости, ускорения и сил инерции также симметричны.

Инерционные силы, возникающие при движении клапанов достигают многих десятков килограммов и оказывают большое влияние па надежность работы клапана, седла и других деталей механизма газораспределения. Поэтому профиль кулачка подби­рают такой, чтобы обеспечить достаточное проходное сечение для газов и чтобы в то же время открытие и закрытие клапана происходило плавно, без ударов и скачкообразного изменения скорости.

Рис.3.46 Способы передачи движения от кулачков к клапанам

а - непосредственное; б - при помощи коромысел; в- при помощи траверс;

Рис.3.47 Привод газораспределения в звездообразном двигателе