Практическое занятие № 3 газораспределительный механизм
Цель занятия. Изучить общее устройство и работу клапанного ГРМ. Определить сравнительную оценку разновидностей ГРМ. Ознакомииться с основными требованиями к составляющим деталям, материала их изготовления. Приобрести знания и умения определять установочные параметры, неисправности и ТО.
Материалы и оборудование. Разновидности газораспределительных механизмов. Детали ГРМ, механизм привода. Детали.
Содержание работы.
1. Назначение и классификация ГРМ.
2. Конструкция ГРМ и взаимодействие деталей.
3. Условия работы деталей ГРМ и применяемые материалы.
4. Диаграмма фаз газораспределения. Управляемые ГРМ.
5. Многоклапанные ГРМ.
6. Регулировка и особенности сборки привода.
Порядок выполнения.
1. Назначение и классификация ГРМ.
Газораспределительный механизм (ГРМ) обеспечивает своевременную подачу в цилиндры двигателя горючей смеси (карбюраторные двигатели) или чистого воздуха (дизельные двигатели) и выпуска из этих цилиндров продуктов сгорания. Эти процессы происходят в соответствии с принятым для данного двигателя порядком работы цилиндров и фазами газораспределения. Различают ГРМ оконного (бесклапанные), клапанного, золотникового и смешанного типов.
Оконный механизм применяется в двухтактных двигателях с кривошипно-камерной продувкой. В этом механизме поршень, совершая возвратно-поступательное движение, открывает и закрывает впускные, перепускные и выпускные окна цилиндров.
Клапанный механизм получил наибольшее распространение в четырех- тактных двигателях как наиболее простой, надежный, долговечный и обеспе-чивающий достаточно хорошее наполнение и очистку цилиндров. Впускные и выпускные отверстия цилиндров открываются и закрываются клапанами, управляемыми специальным механизмом.
Золотниковый механизм открывает и закрывает впускные и выпускные отверстия цилиндра поступательно движущимися или вращающимися золотниками.
Смешанный механизм применяется в двигателях с прямоточно-камерной продувкой. Для выпуска отработавших газов служат клапаны, а для впуска воздуха — продувочные окна, открываемые и закрываемые поршнем.
В современных четырехтактных автотракторных двигателях применяются в основном клапанные механизмы газораспределения.
В зависимости от расположения клапанов относительно цилиндра различают: верхнеклапанные механизмы — с расположением клапанов в головке цилиндров, нижнеклапанные — с расположением клапанов в блоке цилиндров, и комбинированные — с расположением впускных клапанов в головке, а выпускных — в блоке цилиндров.
Наибольшее распространение получили верхнеклапанные механизмы газораспределения, которые обеспечивают лучшее наполнение и очистку цилиндров; допускают более высокую степень сжатия, так как камера сгорания имеет наиболее рациональную форму; уменьшают потери тепла и повышают экономичность двигателя. Практически все современные автотракторные двигатели имеют верхнеклапанный газораспределительный механизм. Нижнее расположение клапанов применялось на двигателях со сравнительно низкой степенью сжатия и невысокой частотой вращения коленчатого вала.
Большинство современных двигателей как тракторных (в основном зарубежного производства), так и автомобильных (отечественного и зарубежного производства) имеют по два впускных и по два выпускных клапана на цилиндр.
Встречаются также трехклапанные (два впускных и один выпускной) и пятиклапанные (три впускных и два выпускных) механизмы газораспределения.
Также в автомобилях зарубежного производства (Renault) встречаются конструкции ГРМ без распределительных валов, в которых клапаны управляютсяиндивидуальными устройствами с помощью электромагнитных соленоидов. Такая конструкция обеспечивает контроль над работой каждого клапана. Кроме того, упрощается конструкция самого двигателя, потому что обычный привод — цепи, зубчатые ремни, механизм натяжения, шестерни и кулачковые валы — становятся ненужными. Недостатком таких «бескулачковых» ГРМ является большое потребление электроэнергии и большие габариты приводных устройств.
2. Общее устройство и работа клапаннлгл ГРМ.
Основными деталями ГРМ являются распределительный вал с приводом; толкатели; штанги; коромысла и клапаны с седлами, направляющими втулками, пружинами с деталями крепления.
На рисунке 1 представлена схема верхнеклапанного газораспределительного механизма c нижним расположением распределительного вала.
Коленчатый вал двигателя приводит во вращение через шестерни распределительный вал 1. При повороте распределительного вала его кулачок своим выступом поднимает толкатель 2, а вместе с ним и штангу 3. Коромысло 6, установленное на оси, поворачивается вокруг нее и отжимает клапан 11 вниз.
Открывается отверстие канала в головке цилиндров, а пружина 9 сжимается.
Стержень клапана 11 движется в направляющей втулке 10. Он скрепляется с тарелкой 8 двумя коническими сухариками 7, внутренняя поверхность которых имеет цилиндрический выступ. Если на один клапан устанавливают две пружины, то они должны быть навиты в разные стороны, чтобы не произошло заклинивание клапана в случае поломки одной из пружин и попадания ее витка между витками другой пружины.
Клапан 11 открыт полностью, когда толкатель 2 находится на вершине кулачка. При дальнейшем повороте распределительного вала 1 толкатель 2 начинает опускаться, а клапан 11 под действием пружины 9 движется вверх.
Когда выступ кулачка выходит из-под толкателя 2, давление на клапан 11 прекращается, и он под действием пружины 9 плотно закрывает отверстие канала в головке цилиндров. Седло клапана 12 повышает износостойкость рабочей фаски в головке цилиндров двигателя и облегчает ее ремонт.
Рассмотренная схема ГРМ свойственна большинству современных тракторных и автомобильных дизелей, у которых не очень высокая частота вращения коленчатого вала двигателя.
ГРМ с нижним расположением клапанов работает аналогично описанному выше, но конструкция его проще, так как отсутствуют штанги, коромысла и детали, на которых монтируются коромысла. При работе этого механизма движение от кулачка распределительного вала передается толкателю, который воздействует непосредственно на клапан. Стержень клапана перемещается в направляющей втулке и соединяется с тарелкой двумя коническими сухариками. При сбегании кулачка распределительного вала с толкателя клапан возвращается в первоначальное положение под действием пружины.
Современные автомобильные бензиновые двигатели (карбюраторные двигатели и двигатели с впрыском топлива) имеют несколько иную конструкцию ГРМ, чем описанные выше.
Это связано с необходимостью быстрого увеличения оборотов этих двигателей и достигается уменьшением деталей в приводе клапанов. Наиболее распространенным вариантом такого уменьшения являются газораспределительные механизмы с размещенными в головке цилиндров одним или двумя распределительными валами.
1— распределительный вал; 2 — толкатель;3— штанга; 4 — контргайка; 5 — регулировочный винт; 6 — коромысло; 7 — конические сухарики; 8 — тарелка клапана; 9 — пружины;10 — направляющая втулка клапана; 11 — клапан; 12 — седло клапана;
Рисунок 1 - Схема верхнеклапанного газораспределительного механизма с нижним расположением распределительного вала
1 — гидроопора; 2 — коромысло; 3 — распределительный вал; 4 — пружина клапана;5 — направляющая втулка клапана; 6 — впускной клапан; 7 — седло клапана; 8 — выпускной клапан;
Рисунок 2 - Схема верхнеклапанного газораспределительного механизма с верхним расположением распределительных валов
1 — шестерня привода распределительного вала; 2 — втулка распределительного вала; 3 — опорные шейки; 4, 5 — кулачки; 6 — шестерня привода топливного насоса; 7 — роликовый толкатель; 8 — втулка; 9 — пружина клапана; 10 — направляющая втулка клапана; 11 — клапан; 12 — штанга; 13 — распределительный вал;
Рисунок 3 - Газораспределительный механизм V-образного двигателя:
а — шестеренный привод: 1 — шестерня коленчатого вала, 2 — промежуточная шестерня, 3— шестерня распределительного вала, 4 — шестерня вала топливного насоса, 5— шестерня привода компрессора, 6 — шестерня привода насоса гидроусилителя, 7— шестерня механизма уравновешивания;
б — цепной привод: 1 — шестерня распределительного вала, 2 — цепь, 3 — успокоитель цепи, 4 — шестерня привода масляного насоса, 5 — шестерня коленчатого вала, 6 — башмак натяжителя, 7 — натяжитель цепи;
в — ременный привод: 1 — шкив коленчатого вала, 2 — шкив распределительного вала, 3— шкив привода вала масляного насоса, 4 — ремень, 5 — пружина, 6 — ролик;
Рисунок 3 - Типы приводов распределительного вала
Особенностью данной схемы является то, что в головке цилиндров установлены два распределительных вала 3 для привода впускных 6 и выпускных 8
клапанов. Клапаны приводятся от распределительных валов через коромысло 2, которое одним концом, имеющим внутреннюю имеющим внутреннюю
а — цилиндрический; б, в — грибообразный; г — роликовый.
1— направляющая втулка; 2 — корпус толкателя; 3 — стопорное кольцо; 4 — корпус компенсатора; 5 — поршень компенсатора; 6— шариковый клапан; 7 — разжимная пружина;
Рисунок 5 - Гидравлический толкатель
При набегании кулачка распределительного вала на толкатель усилие от кулачка передается на торец его корпуса 2, который перемещает поршень 5
компенсатора, преодолевая сопротивление пружины 7. При этом шариковый клапан 6 закрывается и запирает находящееся внутри компенсатора масло, через которое и передается усилие от кулачка распределительного вала к клапану; клапан открывается. При перемещении поршня 5 часть масла из компенсатора через зазор между поршнем и корпусом 4 вытекает в корпус 2 толкателя, и поршень немного вдвигается в корпус 4 компенсатора.
При сбегании кулачка распределительного вала с толкателя пружина 7 прижимает поршень 5 к корпусу 2 толкателя, обеспечивая его беззазорный
контакт с кулачком распределительного вала. При этом шариковый клапан 6 открывается, впуская масло в компенсатор, а клапан ГРМ закрывается.
Штанги 12 (см. рис. 3.7). Служат для передачи движения от толкателя к коромыслам. Нижний конец штанги шаровой, он опирается на сферическую поверхность выемки толкателя. Верхний конец штанги имеет углубление со сферической поверхностью, на которую опирается головка регулировочного винта.
Коромысло. Это стальной рычаг с двумя плечами различной длины. В резьбовое отверстие короткого плеча ввернут винт, с помощью которого регулируют зазор между бойком коромысла и стержнем клапана. Рабочую поверхность бойка шлифуют и термически обрабатывают. Коромысло на оси устанавливают на бронзовой втулке, а ось размещают в отдельных стойках. Оси коромысел обычно пустотелые. Их внутренняя полость используется как канал для подвода масла, смазывающего втулки коромысел, трущиеся поверхности концов штанг.
Клапан 1 состоит из тарелки 14 (рис. 3.11) и стержня 13. Переход от тарелки к стержню сделан плавным, чтобы обеспечить клапану необходимую прочность, улучшить отвод теплоты от тарелки клапана и уменьшить сопротивление движению газов.
Тарелке клапана необходима хорошая сопротивляемость короблению, так как температура выпускных клапанов достигает 600–850_С, а впускных— 300–400С. Тарелка клапана имеет уплотняющую конусную поверхность (фаску), которая обеспечивает центровку клапана при его посадке в гнездо. Фаска клапана выполняется под углом 30_ или 45_.
Клапан с фаской под углом 45_ при одинаковом подъеме имеет меньшие
проходные сечения, чем клапан с фаской под углом 30_, однако обеспечивает
лучшую центровку в седле и большую жесткость головки, поэтому фаску под
углом 30_ применяют главным образом для впускных клапанов форсированных двигателей.
Впускные клапаны изготовляют из хромистой, хромованадиевой или хромоникелевой стали. Выпускные клапаны изготовляют из легированных жаростойких сталей.
Клапанные пружины 8 и 9 (рис. 6.). Служат для закрытия клапанов и плотной посадки их в гнезда, а также воспринимают инерционные усилия, возникающие при работе механизма газораспределения. Для предотвращения
самопроизвольного отрыва закрытого выпускного клапана от седла при такте впуска пружине (при установке ее на место) сообщают предварительную затяжку.
1— выпускной клапан; 2 — гнездо выпускного клапана; 3 — направляющие втулки клапанов; 4— маслоотражательный колпачок; 5 — впускной клапан; 6 — гнездо впускного клапана; 7 — шайба пружин; 8,9— соответственно внутренняя и наружная пружины; 10 — тарелка пружин; 11 — втулка тарелки; 12 — сухарики;
13 — стержень клапана; 14 — тарелка клапана;
Рисунок 7 - Клапанная группа газораспределительного механизма
В большинстве двигателей (ЯМЗ-236, ЯМЗ-238 и др.) устанавливаются две пружины (одна в другой) с различным направлением витков, этим предотвращается заклинивание витков внутренней пружины витками внешней. Установка двух пружин уменьшает общую их высоту, устраняет возможность возникновения опасного для прочности пружин резонанса и гарантирует бóльшую надежность в работе, так как при поломке одной из пружин клапан будет удерживаться второй.
Пружины клапанов изготовляют методом холодной навивки. Материалом для их изготовления служит высокоуглеродистая сталь. Пружина клапана закрепляется на конце стержня клапана чаще всего посредством двух конических сухариков 12, для которых на стержне клапана сделана выточка.
Гнездо клапана 2 и 6 (рис.6). У большинства двигателей выполнено непосредственно в головке цилиндров или блок-картере. Чтобы увеличить срок службы и облегчить ремонт, у некоторых двигателей гнезда клапанов изготавливаются в виде вставных колец, которые запрессовываются в головку цилиндров или блок-картер. Двигатели, головки которых выполнены из алюминиевых сплавов, имеют вставные гнезда для всех клапанов. Вставные гнезда увеличивают срок службы и облегчают ремонт головки цилиндров.
Направляющие втулки 3 (рис. 6). Обеспечивают точную посадку клапанов в гнезда. Они запрессовываются в головку цилиндров или блок-картер.
Втулки изготовляют обычно из чугуна или металлокерамики.
Декомпрессионный механизм. При пуске дизельного двигателя прокручивание коленчатого вала требует затраты значительных усилий на преодоление сопротивления сжатию воздуха в цилиндрах. Для уменьшения этого сопротивления в период пуска включают декомпрессионный механизм, с помощью которого впускные (а иногда впускные и выпускные) клапаны удерживаются открытыми. Это облегчает прокручивание вала двигателя. При достижении частоты вращения коленчатого вала, достаточной для пуска, механизм отключается и осуществляется пуск двигателя.
Декомпрессионные механизмы открывают клапаны путем воздействия валика на короткие плечи коромысел штангами или на толкатели, а также нажатием валиков на длинные плечи коромысел без регулировки или с регулировочным винтом.
Декомпрессионные механизмы большинства двигателей имеют только две позиции: компрессия включена или выключена. Однако у некоторых двигателей с большим литражом компрессия при пуске включается постепенно — вначале она выключена во всех цилиндрах полностью, затем выключена только в двух цилиндрах и, наконец, компрессия включается во всех цилиндрах.
4. Фазы газораспределения.
Для лучшего наполнения цилиндров двигателя горючей смесью или воздухом и более полной очистки их от отработавших газов открытие и закрытие клапанов производится не в тот момент, когда поршень находится в мертвых точках, а обычно с некоторым опережением при открытии и запаздыванием — при закрытии.
Моменты открытия и закрытия впускных или выпускных клапанов, выраженные в градусах угла поворота коленчатого вала относительно мертвых точек, называются фазами газораспределения.
Рисунок 7 - Диаграмма фаз газораспределения в общем виде
Фазы газораспределения изображаются в виде круговой диаграммы, называемой диаграммой газораспределения (рисунке 7). В основном они зависят от быстроходности двигателя. Чем больше номинальная частота вращения коленчатого вала двигателя, тем больше углы.
Впускной клапан в большинстве случаев открывается с некоторым опережением (φ1 = 5–30), т. е. до прихода поршня в В.М.Т. Опережение необходимо для того, чтобы к началу такта впуска клапан был достаточно открыт, что улучшает наполнение цилиндра.
Закрытие впускного клапана производится с запаздыванием (φ 4 = 0–90), т. е. после прохождения поршнем н.м.т. При этом, несмотря на начавшееся движение поршня вверх, заполнение цилиндра горючей смесью или воздухом будет продолжаться вследствие все еще имеющегося в нем разрежения, а также вследствие инерции потока горючей смеси или воздуха, движущегося во впускном трубопроводе.
Выпускной
клапан открывается с некоторым опережением
(φ3 = 40–80
),
т. е. до прихода поршня в н.м.т. Так как
давление в цилиндре значительно превышает
атмосферное, то основная масса отработавших
газов под собственным давлением уходит
из цилиндра до достижения поршнем н.м.т.
Затем поршень, пройдя н.м.т. и двигаясь
к в.м.т., будет выталкивать оставшиеся
в цилиндре отработавшие газы.
Закрытие выпускного клапана производится с запаздыванием (φ2 = 5–45 ), т. е. когда поршень перейдет в.м.т. При этом очистка цилиндров улучшается, так как несмотря на движение поршня к н.м.т. продукты сгорания продолжают удаляться из цилиндра по инерции, а также вследствие отсасывающего действия потока газов, движущихся по выпускному трубопроводу.
Из диаграммы фаз газораспределения видно, что есть период, когда оба клапана открыты одновременно, — это так называемое перекрытие клапанов.
Величина угла перекрытия колеблется в пределах 16–46 . При перекрытии клапанов утечки горючей смеси с отработавшими газами не происходит, благодаря небольшому промежутку времени перекрытия и малым проходным сечениям в этот период. Перекрытие клапанов особенно благоприятно сказывается на наполнении цилиндров при большой частоте вращения коленчатого вала.
Наилучшие фазы газораспределения для каждой модели двигателя устанавливают экспериментально при доводке опытных образцов двигателей. Это связано с тем, что для получения максимальной мощности двигателя, при высокой частоте вращения коленчатого вала, необходимо обеспечить существенное перекрытие клапанов вблизи в.м.т. Мощность двигателя при этом в наибольшей степени зависит от максимально возможного количества горючей смеси, попадающей в цилиндр за короткое время, но чем выше частота вращения коленчатого вала, тем меньше отводимое на это время. С другой стороны, при малых оборотах, когда не требуется максимальная мощность, лучше, когда угол перекрытия близок к нулю. Небольшое или нулевое перекрытие клапанов заставляет двигатель более чутко реагировать на изменение положения педали «газа», что очень важно при движении автомобиля в транспортном потоке.
В связи с этим в конструкции современных зарубежных легковых автомобилей начали появляться автоматические устройства для изменения фаз газораспределения. Эти устройства обеспечивают изменение фаз газораспределения либо за счет поворота распределительного вала относительно приводной звездочки и, следовательно, относительно коленчатого вала, либо за счет регулирования величины открытия впускного клапана; также имеются и другие варианты.
Неисправности и техническое обслуживание ГРМ. Основными неисправностями ГРМ являются: нарушение тепловых зазоров клапанов (на двигателях с регулируемым зазором); износ подшипников, кулачков распределительного вала; неисправности гидрокомпенсаторов (на двигателях с автоматической регулировкой зазоров); снижение упругости и поломка пружин клапанов; зависание клапанов; износ и удлинение цепи (ремня) привода распределительного вала; износ зубчатого шкива привода распределительного вала; износ маслоотражающих колпачков, стержней клапанов, направляющих втулок; нагар на клапанах. Все перечисленные неисправности сопровождаются уменьшением мощности и экономичности двигателя, подсасыванием воздуха и обеднением смеси, прорывом отработавших газов, стуком клапанов.
При техническом обслуживании ГРМ осматривают и ослушивают, подтягивают крепления, притирают клапаны, проверяют плотность их прилегания, между бойком коромысла и торцом стержня устанавливают зазор. Тепловой зазор в приводе клапанов регулируется в соответствии с порядком работы двигателя.
Контрольные вопросы
Назовите назначение газораспределительного механизма.
Приведите классификацию газораспределительных механизмов. Дайте им сравнительную оценку.
Поясните общее устройство и работу газораспределительного механизма.
Перечислите детали верхнеклапанного газораспределительного механизма и их
назначение.
Какие типы приводов распределительного вала применяются в современных двигателях?
В чем преимущество гидравлического толкателя в сравнении с механическими?
Поясните принцип его работы.
Каково назначение декомпрессионного механизма?
Что такое фазы газораспределения?