Chainov_Ivashenko_Konstr_dvs / Чайнов Иващенко - Конструирование ДВС

Рис. 8.2. Схема цепного привода распредели тельного вала:

1 – звездочка на коленчатом валу; 2 – звез дочка на распределительном валу; 3 – натя житель; 4 – башмак; 5 – направляющая (ус покоитель)

как и шестеренчатый, отличается достаточной надежностью. Кроме того, если двигатель имеет два рас пределительных вала, то их привод может быть осуществлен одной це пью, которая дополнительно в не которых схемах может быть исполь зована для привода одного или не скольких агрегатов двигателя. Цепь состоит из звеньев, соединенных шарнирами. К преиму ществам цепного приво да относятся: возмож ность использования це пи при больших меж осевых расстояниях ме жду ведомым и ведущим элементами, малые га баритные размеры, вы сокий КПД, легкость за мены цепи. К недостат кам цепной передачи можно отнести отсутст вие жидкостного тре ния, что приводит к из нашиванию шарниров и увеличению в связи с

Рис. 8.3. Схема привода распределительного (ку лачкового) вала с помощью зубчатого ремня:

1 – шкив на коленчатом валу; 2 – шкив на распределительном валу; 3 – натяжной ролик

этим шага, а также необходимость установки успокоителей и примене ния натяжных устройств.

В приводе МГР используют од но и двухрядные роликовые цепи (рис. 8.4).

Ременный привод (зубчатый ре мень) отличается компактностью и низким уровнем шума при работе (рис. 8.3). Ремень, как и цепь, мо жет одновременно приводить по мимо распределительного вала и другие агрегаты: масляный насос, распределитель зажигания и даже

Рис. 8.7. Механизм газораспределения при верх нем расположении распределительного вала с не посредственным приводом клапана

роходных автомобильных двигате лях при верхнем расположении рас пределительного вала и непосредст венном приводе клапана через на правляющий стакан (рис. 8.7) число элементов МГР существенно сокра щается. Рычажный привод клапа нов с гидроопорой автомобильного дизеля с четырехклапанной (на од ну секцию) головкой цилиндров по казан на рис. 8.8.

Клапаны и седла клапанов. Клапа ны (в первую очередь, выпускные) являются наиболее теплонапряжен ными деталями двигателя. В начале выпуска скорость газа в щели между фаской клапана и головкой цилинд ра достигает 600 м/с и более, а тем пература может превышать 1000 С. Вследствие ограниченного теплоотво да через узкую фаску и стержень тем пература головки выпускного клапана может составлять 700–800 С, а в вы сокофорсированных двигателях тем пература головки может доходить до 800–850 С. Наличие в отработавших газах соединений серы, свинца и дру гих агрессивных веществ создает ус ловия для появления коррозии. В

Рис. 8.8. Механизм газораспределения при верхнем расположении распределительного ва ла и рычажном приводе клапана:

1 – втулка впускного клапана; 2 – головка цилиндра; 3 – гидроопора; 4 – установочная втулка распределительного вала; 5 – втулка выпускного клапана; 6 – седло выпускного клапана; 7 – седло впускного клапана

связи с этим клапаны выполняют из жаростойких легированных сталей типа 45Х14Н14В2М, 55Х20Г9 АН4.

Впускные клапаны из стали типа 40ХН2МА, С40Х9С2 и 40ХН четы рехтактных двигателей во время впуска омываются свежим зарядом и поэтому имеют по сравнению с вы пускными более низкую температуру головки, составляющую 400–600 С. Более нагретыми являются клапаны двигателей с принудительным воспла менением, работающие при меньших значениях коэффициента избытка воздуха по сравнению с дизелем.

Посадочные фаски клапанов и седел, а также торцы стержней клапанов подвергаются ударной нагрузке при закрытии и в начале открытия клапана. Стержень и го ловка клапанов нагружаются пере менными растягивающими сила ми и изгибающими моментами от действия усилий пружин, давле

ния газов и сил инерции. Боковая поверхность стержня подвергается изнашиванию в условиях недоста точной смазки, при наличии в за зоре частиц нагара, продуктов из нашивания деталей двигателя и химически агрессивных продуктов сгорания топлива и масла.

При проектировании клапанов необходимо учитывать, что усло вия их работы изменяются в зави симости от организации рабочего процесса, режимов и времени ра боты двигателя. Как правило, в ре зультате повышения наддува уве личиваются не только давление га за, но и температура газа на вы пуске. Увеличение нагрузки и час тоты вращения вызывает повыше ние температуры, ее перепадов и механических нагрузок на клапа ны. Кроме того, вследствие смены режимов работы двигателя увели чиваются амплитуды изменения температур, деформаций и напря жений головок клапанов. При длительной эксплуатации двигате ля повышается температура клапа нов и седел в результате увеличе ния зазоров в направляющей втул ке клапана, ухудшения контактов фасок клапанов и седел, образова ния отложений нагара, накипи, солей и соединений металлов, со держащихся в присадках к маслам и топливам.

Напряженные условия работы клапанов обусловливают возмож ность нарушений работы, наиболее характерными проявлениями кото рых являются зависание клапанов и удары их о поршень, выгорание фас ки, изнашивание, коробление и рас трескивание фасок, обрыв стержня, изнашивание стержня и его торца.

На рис. 8.9 показан общий вид клапана с обозначением его ос новных геометрических парамет ров. Основные размеры клапана

Рис. 8.9. Общий вид клапана

ориентировочно можно предста вить в зависимости от диаметра клапана d, обычно близкого к диаметру горловины седла кла панного отверстия. Диаметр кла пана d выбирают в зависимости от диаметра цилиндра D с учетом числа клапанов и типа двигателя. Параметры клапанов различных двигателей приведены в табл. 8.1. В быстроходных автомобильных двигателях наметилась тенденция уменьшения диаметра стержня клапана dс до 5 мм.

От формы головки зависят со хранение формы фаски при рабо те, масса клапана, условия обте кания клапана газами, а также стоимость изготовления клапана. Плоский (тарельчатый) клапан (рис. 8.10, а) отличается относи тельно большой толщиной голов ки, малым радиусом перехода от стержня к головке и плоским (или почти плоским) торцом головки. Такой клапан наиболее прост в изготовлении и используется во всех двигателях.

Клапан с головкой тюльпано образной формы (рис. 8.10, б) применялся широко во впускных клапанах быстроходных форсиро ванных двигателей. Поскольку переход от стержня к головке вы полнен с большим радиусом кри

Рис. 8.10. Типы клапанов:

а – плоский; б – тюльпанообразный; в – выпуклый

визны, улучшается обтекание клапана воздушным потоком при наполнении цилиндра, а вследст вие увеличения жесткости голов ки предотвращается коробление фаски при нагреве клапана. Для уменьшения массы клапана в го ловке со стороны цилиндра пре дусмотрена выемка. Недостатка ми тюльпанообразных клапанов являются сложность изготовле

ния и увеличенная поверхность нагрева головки.

Выпуклая форма головки кла пана улучшает обтекание голов ки горячими газами и использу ется на выпускных клапанах ря да форсированных двигателей. При этом увеличивается жест кость головки, но возрастают масса клапана и площадь по верхности нагрева.

Диаметр стержня клапана зави сит от схемы приложения усилий при открывании клапана. При внецентренном нагружении требу ется повышенный диаметр dс для уменьшения изгибных напряже ний в стержне. Вместе с тем боль шой диаметр стержня увеличивает массу клапанов и загромождает проходное сечение газовоздушных каналов.

Сопряжение стержня клапана с тарелкой пружин подвергается пе ременным нагрузкам и может быть причиной выхода клапанного ме ханизма из строя.

Наиболее распространенное со пряжение выполняют в виде раз

резных конических сухариков (рис. 8.11), соединяемых со стерж нем одной цилиндрической выточ кой (рис. 8.11, а, г), фиксирующи ми поясками (рис. 8.11, б) или ко нической выточкой (рис. 8.11, в). Последняя отличается наимень шей концентрацией напряжений в стержне вследствие использования галтели достаточно большого ра диуса и более технологична. Торец стержня клапана должен иметь твердость >50 HRC.

Вдвигателях при непосредст венном воздействии кулачка на та релку клапана используют резьбо вое соединение, регулирующее за зор между клапаном и кулачком. Для этого в стержень 1 (рис. 8.12) на резьбе с натягом ввертывают та релку 3. Тарелка 2 пружин сопряга ется со стержнем 1 мелкими шли цами по ходовой посадке, а торцо вые треугольные шлицы на тарел ках 2 и 3 препятствуют их взаимно му угловому перемещению. Для ус тановки зазора между тарелкой клапана и кулачком необходимо сжать клапанные пружины для разъединения тарелок 2 и 3 и вра щать тарелку 3.

Вдвигателях высокой удельной мощности при отводе теплоты от головки выпускных клапанов через

Рис. 8.12. Клапан с непосредственным приво дом от кулачка:

1 – стержень; 2, 3 – тарелки

фаску в седло и через стержень в на правляющую втулку может быть не обеспечена приемлемая температу ра головки. Поэтому применяют до полнительные средства для интен сификации охлаждения головки. Эффективным средством является использование натрия, имеющего низкую температуру плавления – 97 С при удельной теплоте плавле ния 13,3 кДж/кг и высокую скры тую удельную теплоту парообразо вания 4600 кДж/кг при температуре кипения 880 С и удельной массе 0,97 кг/дм3. Головка и стержень кла пана (рис. 8.13) имеют внутреннюю полость, которая примерно на 60 % заполняется солями натрия. Натрий при соприкосновении с раскален ной головкой расплавляется и час тично испаряется, поглощая боль шое количество теплоты. Соприка саясь со стенками стержня, имею щими относительно низкую темпе ратуру, натрий конденсируется и выделяет теплоту в стержень.

Надежная работа клапана в зна чительной мере зависит от качества обработки поверхностей: острые углы, риски и царапины не допус каются во избежание концентра ции напряжений. На головке кла пана со стороны цилиндра нежела тельны какие либо отверстия или пазы для притирочных приспособ лений. Отсутствие скрытых дефек тов в металле определяют магнит ными, ультразвуковыми и рентге новскими методами контроля.

В современных двигателях в го ловках (крышках) цилиндров под клапаны устанавливают седла. Сна чала седла устанавливали под выпу скные клапаны, а затем – и под впу скные. Через седла от клапана отво дится основное количество теплоты (60–80 %), поэтому седла выполня ют из специальных легированных чугунов и жаростойких сталей.

Рис. 8.13. Клапан с внутренней полостью ох лаждения

В гнезда головок цилиндров седла запрессовывают (рис. 8.14, а) с отно сительным натягом 8,0310 4–1,8310 3 или вставляют охлажденными. Для

Рис. 8.14. Способы крепления седел:

а – запрессовка с завальцовкой; б – пружин ными разрезными кольцами; в – запрессов ка с затеканием материала головки (крыш ки) цилиндра в канавки седла

повышения надежности крепления

вдеталях из легких сплавов седла завальцовывают или вытачивают на их поверхности канавки, в которые затекает металл при деформации (рис. 8.14, в). В форсированных дви гателях находят применение охлаж даемые седла клапанов.

Врезультате исследований де фектов клапанов установлено, что прогар клапана и седла происходит интенсивно после нарушения гер метичности клапана, что обусловле но в основном деформацией седла клапана вследствие неравномерного охлаждения или деформации гнезда

вголовке (крышке) цилиндра. В связи с этим в форсированных дви гателях используют самоустанавли вающиеся по фаске клапана седла, вставляемые с небольшим зазором в холодном состоянии и удерживае мые в гнезде пружинными кольца ми (рис. 8.14, б). Такие конструкции характеризуются меньшим отводом теплоты от седла в гнездо. Кроме того, такое соединение является практически неразборным.

Для более плотного сопряжения клапана с седлом фаску выполняют узкой (шириной 1–3 мм) (рис. 8.15). Такая дифференциальная фаска легко прирабатывается и способст

вует сохранению герметичности со пряжения при уменьшении угла

Рис. 8.15. Дифференциальная фаска клапана

фаски в результате деформации го ловки. Для предотвращения появле ния ступенек при изнашивании фа сок в работе и во время притирки более узкой следует выполнять фас ку в детали меньшей жесткости.

Для уменьшения изнашивания и облегчения ремонта двигателя на правляющую стержня клапана вы полняют в виде отдельной втулки из чугуна с глобулярным графитом, алюминиевой бронзы, металлокера мики или азотируемой стали (при хромированном стержне), запрессо ванной с натягом 0,04–0,05 мм и 0,06–0,08 мм соответственно в голов ку из чугуна и алюминиевого сплава. При выполнении втулки из бронзы усиливается отвод теплоты от стерж ня и улучшается работа при ограни ченной смазке, особенно в началь ный период движения клапана. За зор между втулкой и стержнем ори ентировочно составляет 0,004dс для впускного и 0,006dс для выпускного клапанов. Для клапанов малых раз меров эти значения увеличиваются соответственно до 0,010dс и 0,0125dс.

Смазка направляющей втулки осуществляется разбрызгиванием. Благодаря фаске на отверстии для стержня в верхней части втулки об разуется коническая чашечка, за полняемая маслом. Для сокраще ния чрезмерного засасывания мас ла в цилиндр при впуске свежего заряда в двигателях без наддува ус танавливают уплотняющие манже ты. При отсутствии втулки темпе ратура клапана уменьшается на 30– 120 С, но поверхность расточки головки цилиндра подвергается из нашиванию.

При работе двигателя для обес печения равномерного изнашива ния седла, фаски головки и стерж ня целесообразно вращение клапа на вокруг его оси. Для этого в месте опирания пружины на головку ци

Рис. 8.16. Механизм вращения клапана

линдров устанавливают опорный роликовый подшипник (рис. 8.16).

В крупных среднеоборотных, а также малооборотных стационар ных и судовых двигателях клапаны устанавливают во вставных охлаж даемых корпусах (рис. 8.17). Для предупреждения высокотемпера турной коррозии выпускных клапа нов применяют наплавки из твер

Рис. 8.17. Выпускной клапан среднеоборотно го двигателя

дых сплавов на посадочной поверх ности их головок. Защитное покры тие наносят иногда и на нижнюю поверхность выпускного клапана. Равномерность изнашивания кла панов повышается благодаря вра щению клапанов с помощью специ альных устройств: механических (например, типа ротокап), пропел лера, напрессованного на стержень выпускного клапана, на который воздействует поток отходящих газов и др. Следует отметить, что при на личии вставных корпусов уменьша ются площади проходных сечений, а при их отсутствии расширяются возможности оптимизации пара метров газового потока на выходе.

Пружины клапанов. Они обеспе чивают посадку и удержание клапа на в седле в закрытом состоянии, а также замкнутость звеньев механиз ма газораспределения (см. рис. 8.6) при работе двигателя.

Для предотвращения отрыва кла пана и деталей его привода от по верхности кулачка при изменении направления сил инерции и возник новения дополнительных ударных нагрузок пружины клапанов должны обладать значительной упругостью, что при небольших размерах пружи ны вызывает высокие напряжения в ней. Переменные нагрузки, а также повышенная температура (до 200 С) ухудшают условия работы пружин.

Наибольшее распространение на ходят цилиндрические пружины (рис. 8.18) с пятью – десятью рабочи ми витками. В пружинах с меньшим числом витков при полном открытии клапана возникают недопустимые напряжения. При б льшем числе ра бочих витков характеристика пружин более пологая, однако в этом случае возможны резонансные колебания витков, что недопустимо вследствие резкого возрастания напряжений и образования наклепа при ударных

Рис. 8.18. Пружина клапана

касаниях витков, приводящих к по ломкам пружин. Для уменьшения амплитуд собственных колебаний пружины выполняют с неравномер ным шагом навивки, устанавливают гасители колебаний или используют конические пружины.

Опорные витки пружин сошли фовывают по плоскости, перпен дикулярной оси пружины и состав ляющей около 270 окружности. Число нерабочих витков должно быть не менее двух для обеспече ния опоры шлифованных участков поверхности витков на соседние витки.

Для уменьшения размеров пру жин, снижения напряжений и по лучения необходимой характери стики иногда на каждый клапан ус танавливают две пружины. При этом пружины выполняют с навив кой разного направления или с раз ным шагом, что предотвращает по падание витков сломанной пружи ны в витки соседней.

Тарелка пружины должна центри ровать пружину относительно клапа на и при малой массе обладать доста точной жесткостью. Под неподвиж ный конец пружины необходимо подкладывать опорные центрирую щие тарелки, предотвращающие из нашивание более мягких поверхно стей корпусных деталей.

Пружины выполняют из сталь ной проволоки, диаметр которой , зависит от усилий, создаваемых пружиной, и определяется при рас чете пружины. При установке двух пружин усилие наружной пружины составляет 60–70 % суммарного усилия обеих пружин. Диаметры dср наружной и внутренней пружин в зависимости от диаметра клапана d составляют соответственно (0,72– 0,90)d и (0,50–0,75)d.

Для изготовления пружин приме няют стали марок 65А, 65ГА, а также легированные стали, например, 50ХФА. Для повышения сопротив ления усталости пружины обдувают стальной дробью, а для защиты от коррозии пружины оксидируют, по крывают лаками, эмалями, цинком и кадмием. Тарелки и другие детали соединения клапана с пружиной из готовляют из углеродистых и низко легированных улучшенных сталей.

Распределительные валы. Распре делительный вал управляет процес сами газообмена, обеспечивая с по мощью кулачков своевременное от крытие и закрытие клапанов.

В быстроходных автомобильных и тракторных двигателях, а также в дви гателях специального назначения ку лачки выполняются как одно целое с распределительным валом (рис. 8.19).