Chainov_Ivashenko_Konstr_dvs / Чайнов Иващенко - Конструирование ДВС

В крупных стационарных и судовых двигателях распределительные валы выполняют составными (рис. 8.20), а кулачки в виде отдельных кулачко вых шайб устанавливают на прессо вой посадке с помощью нагрева до температуры приблизительно 200 С. Отдельные секции составного вала соединяются между собой полумуф тами, также напрессованными на вал, с помощью калиброванных бол тов. Снятие и разворот кулачковых шайб и полумуфт производят с помо щью гидроприспособлений при дав лении масла около 83,5 МПа. Съем ные кулачковые шайбы изготовляют ковкой. Поверхность профиля обра батывают по копирам с последующей термической и термохимической об работкой. При закреплении шайб на распределительном валу необходимо обеспечить не только их неподвиж ность, но и правильное угловое поло жение.

Распределительный вал вращается в опорах – подшипниках, которые,

как правило, являются подшипника ми скольжения. Конструкции опор распределительных валов отличаются большим разнообразием. В автомо бильных двигателях с верхним распо ложением распределительного вала применяют разъемные опоры в го ловке цилиндров, а также в отдель ном корпусе распределительного ва ла, и неразъемные отдельные опоры, устанавливаемые на головке или вы полняемые как одно целое с голов кой. В этом случае при использова нии силумина для головки цилиндров имеет место удачное сочетание мате риалов в подшипниковой паре рас пределительного вала, выполненного из стали или чугуна. Зазор в подшип никах распределительного вала со ставляет в этом случае 0,06–0,08 мм. В ряде двигателей, в том числе с чу гунными головками, в опорах рас пределительного вала используют тонкостенные вкладыши. Такая кон струкция обеспечивает при изна шивании или повреждении под

шипников замену лишь отдельных вкладышей. Если распределительный вал вставляют в неразъемные под шипниковые гнезда с торца двигате ля, то на шейки вала устанавливают разъемные подшипники или шейки вала выполняют такого диаметра, чтобы кулачки и другие элементы ва ла проходили через подшипниковые гнезда.

В крупных малооборотных двух тактных двигателях распредели тельный вал устанавливают на под весных подшипниках. Последние крепят к корпусам приводов топ ливных насосов и выпускных кла панов с помощью болтов и гаек.

Число опорных подшипников рас пределительных валов вследствие больших сосредоточенных нагрузок на кулачки и относительно небольшой изгибной жесткости валов превышает, как правило, на единицу число ци линдров рядного двигателя. Соотно шения размеров элементов распреде лительных валов даны в табл. 8.2.

Распределительные валы удержи ваются от перемещения в продоль ном направлении упорными под шипниками, которые целесообразно располагать около привода вала, так как при этом различные температур ные удлинения коленчатого и рас пределительного валов и корпуса двигателя, особенно в случае уста новки косозубых шестерен, не будут оказывать влияния на фазы газорас пределения, а при цепном приводе дополнительно нагружать цепи и звездочки. Осевой зазор более 0,4– 0,5 мм ухудшает работу двигателя. Существуют различные способы осе вого фиксирования распределитель ного вала. При неразъемных опорах осевое фиксирование можно осуще ствлять с помощью фланца вала, упирающегося в торец опоры, а так же стержнем упором. Последний, за крепляемый с помощью резьбы на конце распределительного вала, упи рается в специальную крышку, уста новленную на головке (корпусе) дви гателя. Для осевого фиксирования

распределительного вала часто при меняют каленые стальные скобы, за крепляемые болтами на головке ци линдров или корпусе двигателя. Фиксирование в осевом направлении можно также осуществлять двумя съемными упорными фланцами, ус танавливаемыми в проточки распре делительного вала и одной из опор на головке цилиндров.

От распределительного вала часто осуществляется привод распредели теля зажигания, а также масляного насоса и других агрегатов двигателя. К опорам распределительного вала под давлением подается смазка. Бо лее предпочтителен индивидуаль ный подвод смазки к каждой опоре. При подаче масла к одной из опор распределительный вал выполняют полым со смазочными отверстиями, соединяющими центральный канал с опорными шейками. Подача масла

к подшипникам распределительного вала возможна с помощью трубок, соединяющих опоры друг с другом и центральной масляной магистралью.

Заметного улучшения экологиче ских и экономических показателей транспортных двигателей можно до биться с помощью регулирования фаз газораспределения и высоты подъема клапанов на различных ре жимах работы двигателя. С этой це лью применяются специальные уст ройства, имеющие исполнительные механизмы, действующие по команде от электронного блока управления двигателем. При этом могут регули роваться только фазы газораспреде ления, только высота подъема клапа нов или одновременно оба параметра работы механизма газораспределе ния. На рис. 8.21 показано устройст во регулирования угла открытия впу скных клапанов. При пониженной

частоте вращения вала двигателя обеспечивается более позднее откры тие впускных клапанов и минималь ное перекрытие клапанов.

Угловое положение распредели тельного вала 5 относительно ведущей звездочки его привода 2 изменяется перемещением ведомой шестерни 3, имеющей наружные и внутренние шлицы, вдоль оси распределительно го вала под действием давления масла при закрытом дренажном отверстии 7 на управляющем плунжере 1 при вы двинутом вправо положении испол нительного соленоида 8. При переме щении исполнительного соленоида влево открывается дренажное отвер стие 7, давление масла в полости 6 падает и сжатая прежде возвратная пружина 4 перемещает ведомую шес терню 3 в обратном направлении. При этом изменение угла в окруж ном направлении составляет 12–15 . С помощью описанного устройства возможно лишь ступенчатое измене ние углового положения распредели тельного вала и соответственно нача ла открытия впускного клапана.

Существует несколько систем регулирования фаз газораспределе ния, включая системы, непрерыв но изменяющие угол открытия кла панов. Такие системы обеспечива ют более плавное изменение крутя щего момента по частоте вращения

иулучшение эксплуатационных ха рактеристик двигателя.

Примером одновременного уп равления фазами газораспределения

ивысотой подъема клапана является система Valvetronic (рис. 8.22). Углы фаз газораспределения и высота подъема клапанов изменяются в за висимости от положения эксцентри ка 1 на дополнительном валу 2 по команде от электронного блока управления с помощью шагового электродвигателя. Пружина 3 обес печивает постоянную кинематиче скую связь между роликом 4 проме жуточного рычага 5, рычагом 6, воз действующим на клапан 7, кулачком 8 и эксцентриком 1.

Непрерывное изменение фаз га зораспределения в зависимости от частоты вращения коленчатого вала

требует разработки достаточно сложного дополнительного меха низма. Высоту подъема и начало от крытия клапана можно изменять осевым перемещением распредели тельного вала с кулачком специаль ной пространственной формы с на клонной по отношению к оси рас пределительного вала образующей головки кулачка. Существуют также гидромеханические системы приво да, обеспечивающие изменение вы соты подъема впускных клапанов.

Материал для изготовления рас пределительного вала или кулачко вых шайб в случае их отдельного из готовления должен обладать высо кой износостойкостью. В зависимо сти от типа двигателя и завода изго товителя распределительные валы выполняют из стали или чугуна. Стальные валы штампуют из сред неуглеродистых сталей 40, 45, 45Х, а

вдвигателях с повышенным уров нем форсирования из легированных сталей 15Х, 20Х, 12ХН3А, 20ХН3А.

Поверхности кулачков, цапф, торцов, соприкасающиеся с упор ным подшипником и подвергаю щиеся изнашиванию, должны иметь

врезультате термохимической обра ботки или поверхностной закалки твердость 55–65 HRC. Опорные эле менты вала, цапфы и кулачка шли фуют и полируют.

Многие фирмы для изготовления распределительных валов автотрак торных двигателей используют чугун,

вчастности, отбеленный, имеющий высокую износостойкость отбелен ной поверхности, сопоставимую с из носостойкостью высококачествен ных сталей, используемых при про изводстве подшипников качения.

8.1.3.Детали передачи к клапанам

В зависимости от места располо жения распределительного вала по

отношению к клапанам число дета лей передачи движения от кулачков к клапанам может быть различным. Наименьшее число деталей привода получается при непосредственном воздействии кулачка на клапан. При нижнем расположении рас пределительного вала и верхних клапанах привод имеет, помимо рассмотренных выше элементов механизма газораспределения, сле дующие детали (см. рис. 8.6): тол катель, штангу, двуплечий рычаг коромысло, ось коромысла с опо рой. Механизм передачи движения от кулачка к клапану осуществляет разгрузку клапанов от действия бо ковых сил и регулировку зазоров.

Толкатели. В зависимости от формы кулачка толкатели выполня ют плоскими или роликовыми (рис. 8.23). В последнем случае меж ду роликом толкателя и кулачком

Рис. 8.23. Толкатели и способы вращения ци линдрического толкателя:

а – плоский (тарельчатый); б – тарельчатый с проточкой под декомпрессорное устройство; в – цилиндрический; г – качающийся про стой; д – качающийся с роликом; е, ж – спо собы вращения цилиндрического толкателя

имеет место трение качения в отли чие от трения скольжения в случае плоского толкателя. Помимо трения в месте соприкосновения толкателя с кулачком, трению подвержена и боковая поверхность толкателя, на которую действует боковая состав ляющая усилия кулачка. Поэтому к износостойкости материала толкате ля предъявляют высокие требова ния. Вместе с этим толкатель должен иметь по возможности небольшую массу, что важно для улучшения ди намических характеристик механиз ма газораспределения. Для умень шения массы цилиндрические тол катели выполняют пустотелыми.

Трущейся поверхности толкате лей придают плоскую (рис. 8.23, а, в) или сферическую (рис. 8.23, б) фор му. Толкатели с плоской формой по верхности применяют реже, так как при сферической форме неперпен дикулярность оси толкателя и обра зующих кулачка меньше влияет на работу толкателя.

Для более равномерного изнаши вания боковой поверхности и тарел ки предусматривают вращение тол кателя при работе. Для этого ось тол кателя смещают на 2–3 мм относи тельно кулачка (рис. 8.23, е) или ку лачок, который работает по сфериче ской тарелке толкателя, радиусом R800 мм (рис. 8.23, ж) выполняют коническим (10–30(). В рассмотрен ных механических толкателях зазор в холодном двигателе составляет 0,2– 0,3 мм, что обеспечивает полную по садку клапанов при работе двигателя.

В современных двигателях все ши ре применяют гидравлические толка тели (рис. 8.24), автоматически выби рающие зазор в приводе клапана и обеспечивающие безударную и бес шумную работу механизма газорас пределения. При пуске двигателя ра бочая полость 1 цилиндрического толкателя заполняется маслом из ре

зервной полости 2, в которой всегда должен быть необходимый запас мас ла, подаваемого через перепускные трубку 3 и канавку 4. В гидроцилиндре 5 имеется рабочий поршень 6, снаб женный обратным клапаном 7 и воз вратной пружиной 8. Наличие в гид ротолкателе прецизионных элемен тов, установленных с малыми зазора ми, требует высокой степени очистки масла. В ином случае возникает опас ность заклинивания гидротолкателя.

К положительным свойствам гид равлических толкателей можно отне сти некоторую коррекцию фаз дейст вия клапанов с изменением частоты вращения вала двигателя: с увеличе нием частоты вращения вследствие уменьшения времени утечек фаза действия клапана расширяется, а при снижении сужается.

Для уменьшения изнашивания на трущиеся поверхности головки тарелки толкателя устанавливают металлокерамическую вставку.

Для облегчения ремонта и мон тажа направляющие толкателей для большинства судовых и стационар ных двигателей изготовляют в виде отдельных съемных деталей. В ав томобильных и тракторных двига телях направляющие толкателя вы

Рис. 8.24. Схема цилиндрического гидравли ческого толкателя:

1 – рабочая полость; 2 – резервная полость;

3 – перепускная трубка; 4 – перепускная ка навка; 5 – гидроцилиндр; 6 – рабочий пор шень; 7 – обратный клапан; 8 – возвратная пружина

полняют непосредственно в блок картере или головке цилиндров.

Смазка трущихся пар толкателей осуществляется разбрызгиванием и под давлением из общей смазочной системы двигателя. Кулачки смазы ваются масляным туманом или на правленной струей масла. Для слива масла толкатели выполняют с дре нажными отверстиями (см. рис. 8.23).

Толкатели изготовляют из малоуг леродистых сталей 15, 30, низколеги рованных сталей 15Х, 20Х, 40Х и чугу нов (СПЧ). Толкатели, выполненные из малоуглеродистых сталей цементи руют, а из среднеуглеродистой стали закаливают до твердости 50–60 HRC. На опорную поверхность толкателей наплавляют отбеленный чугун. Ролики изготавливают из подшипниковых сталей, а ось их имеет бронзовую втул ку или игольчатый подшипник.

Одно и двуплечие рычаги (коро мысла). Эти рычаги непосредственно воздействуют на клапаны, приводя их в движение. Форма рычагов опре деляется взаимным расположением клапанов и кулачков, а также распо ложением оси качания. Нередко эта форма оказывается сложной не толь ко в плоскости качания, но и в пер пендикулярной ей плоскости. Для получения жесткой и легкой конст рукции рычагу придают форму тавра или двутавра. При высокой частоте вращения рычаги выполняют по воз можности небольшой массы и корот

кими (рис. 8.25), приближая распре делительный вал к клапанам. При верхнем расположении распредели тельного вала кулачок непосредст венно воздействует на рычаг по пло ской (рис. 8.25, а) или криволиней ной (рис. 8.25, б, в) поверхностям. В случае индивидуальной сферической опоры рычаг удерживается от сме щения специальной пружиной (рис. 8.25, б). В качестве индивиду альной опоры нередко используют гидрокомпенсаторы 1 (рис. 8.25, в).

При нижнем расположении рас пределительного вала движение кла панам передается с помощью дву плечих рычагов (коромысел), распо ложенных на шарнирных опорах в головке цилиндров (см. рис. 8.6).

Оси рычагов, выполненные из стали, имеют трубчатое сечение и твердую поверхность трения. По лость в оси используется для под вода смазки к рычагам.

Подшипники рычагов выполняют в виде бронзовых втулок (рис. 8.25, а) или игольчатыми. Если каждый ци линдр имеет отдельную крышку (го ловку), то оси закрепляют на двух стойках, выполненных литыми из чу гуна или легких сплавов. В двигате лях с общей головкой для всех или группы цилиндров рычаги имеют од ну ось. Для того чтобы рычаги не пе ремещались вдоль оси, между ними устанавливают распорные цилиндри ческие пружины.

Внекоторых случаях изготовля ют отдельные оси для рычагов од ного цилиндра даже при общей для всех цилиндров головке. В резуль тате упрощается снятие клапанов, форсунок, насос форсунок.

Вконструкциях с верхними клапа нами и нижним распределительным валом движение от толкателя переда ется рычагу штангой (рис. 8.26). Для уменьшения массы штангу выполня ют полой, с толкателем она сопряга ется наконечником со сферической опорой, позволяющей штанге откло няться от оси толкателя при качании рычага. Стальные наконечники вы полняют как одно целое со штангой (рис. 8.26, а) или запрессовывают по концам (рис. 8.26, б, г).

Устройство для регулирования за зора расположено в месте соедине ния штанги с рычагом. Типовая кон струкция регулировочного устройст

ва показана на рис. 8.26, д. Короткое плечо коромысла снабжают резьбо вым отверстием под регулировочный болт. Закаленная стальная головка болта имеет сферическую форму в соответствии с наконечником штан ги. Болт, фиксируемый контргайкой, имеет канал и проточку для подвода масла к наконечнику штанги. Рычаги штампуют из сталей 20Х, 40, 45Х или отливают из чугуна. Опорные по верхности термически обрабатывают до твердости 50–60 HRC. Иногда для передачи движения нескольким кла панам используются траверсы. Эти траверсы изготовляют из малоуглеро дистых цементируемых хромонике левых сталей с направляющей частью прямоугольного или круглого сече ния. В последнем случае траверса должна удерживаться от поворота.

Механические системы с кулач ковыми валами, осуществляющими

теля. На рис. 8.28 показана схема оп ределения проходного сечения при открытом клапане. Основными пара метрами клапана являются его диа метр d, диаметр горловины d2, обыч но близкий по значению d, угол , образованный фаской клапана, и полный ход клапана h. Площадь про ходного сечения клапанной щели при текущем перемещении клапана на hx равна площади боковой поверх ности усеченного конуса, меньший диаметр которого d, а больший диа метр d + 2hxcos sin . Площадь про ходного сечения клапана Fк достигает максимального значения при полно стью открытом клапане, когда hx = h:

Fк dh(cos )[1 (h2d)sin2 ].

Сдругой стороны, площадь про

ходного сечения горловины состав ляет Fг = 0,25 (d22 dc2 ). Из условия

равенства площадей Fк и Fг при допу щении d2 d получают соотношение

Из выражения Fк видно, что пло щадь проходного сечения увеличи вается с уменьшением угла , однако прочность головки клапана при этом снижается. Обычно угол принима ют 45 , хотя впускные клапаны ино гда выполняют и с = 30 .

Принятые площади проходных сечений в горловине и клапанной щели проверяют по значению услов ной средней скорости потока газа W = cm D 2idг2 (здесь cm – средняя

скорость поршня; i – число одно именных впускных или выпускных клапанов, приходящихся на один цилиндр). Для автомобильных и тракторных двигателей с двухкла панными головками скорость свеже го заряда в горловине составляет 50– 80 м/c, а скорость отработавших га зов 70–100 м/c. В случае примене

ния б льшего числа клапанов на один цилиндр указанные скорости можно снизить соответственно до 35 и 50 м/c, что уменьшает гидравличе ские потери на впуске и выпуске.

Для улучшения наполнения све жим зарядом и очистки цилиндров от продуктов сгорания открытие и закрытие клапанов производят не в мертвых точках положения порш ней, а с некоторым отклонением в сторону опережения при открытии и запаздывания при закрытии. Мо менты начала открытия и конца за крытия клапанов, выраженные в уг лах поворота коленчатого вала, на зывают фазами газораспределения. Впускной клапан в четырехтактном двигателе открывается до ВМТ с опе режением на угол 1, а закрывается после НМТ с запаздыванием на угол2 в начале такта сжатия. Выпускной клапан открывается в конце такта расширения с опережением относи тельно НМТ на угол 3 и закрывает ся после ВМТ с запаздыванием на угол 4 в начале такта наполнения.

На рис. 8.29 показаны фазы га зораспределения четырехтактного

Рис. 8.29. Фазы газораспределения четырех тактного двигателя