распространены два типа гасителей – маятниковые антивибраторы и гасители колебаний сухого трения (демпферы), основанные на поглощении энергии колебаний силами трения.
Гаситель колебаний сухого трения (рис. 2.15) состоит из двух фланцев 3 и 6
икрепится к шкиву 4 с помощью болтов. Маховички 1 и 7 связаны с фланцами 3
и6 посредством резиновых прослоек 2 и 5, привулканизированных как к маховичкам, так и к фланцам. При возникновении крутильных колебаний коленчатого вала, а следовательно, и фланцев 3 и 6 маховички 1 и 7 будут поворачиваться относительно корпуса. При этом возникает трение в резине. В результате гаситель будет поглощать энергию колебаний и содействовать их затуханию, чем предохранит вал от разрушения.
Рис. 2.15. Гаситель крутильных колебаний
Механизм газораспределения
Механизм газораспределения обеспечивает своевременное соединение цилиндров двигателя с впускными трубопроводами для наполнения их горючей смесью (карбюраторные двигатели) или воздухом (дизели) при такте впуска и с выпускными трубопроводами для очистки цилиндров от отработавших газов при такте выпуска. Газораспределение бывает трех типов: клапанное, золотниковое и комбинированное.
Клапанный механизм газораспределения получил наибольшее распространение в четырехтактных двигателях, как наиболее простой, надежный и долговечный, обеспечивающий хорошее наполнение и очистку цилиндров. Клапанный механизм применяется также в некоторых двухтактных двигателях в комбинации с золотниковым управлением на впуске.
Золотниковый механизм используется обычно в двухтактных карбюраторных двигателях, причем золотником служит поршень. При комбинированном (клапанно-щелевом) механизме, применяемом в двухтактных дизелях с прямоточной продувкой, выпуск отработавших газов производится с
66
помощью клапанов, а впуск воздуха и продувка цилиндра осуществляются через окна, открываемые и закрываемые поршнем.
Устройство и работа механизмов клапанного газораспределения
Различают два типа механизмов клапанного газораспределения: с верхним расположением клапанов (в головке цилиндров) и с нижним (боковым) расположением клапанов (в блок-картере).
Верхнее расположение клапанов дает возможность придать камере сгорания наиболее компактную форму с малой поверхностью охлаждения, повысить степень сжатия, снизить сопротивление при впуске. Это способствует уменьшению потерь тепла и увеличению индикаторного КПД двигателя, позволяет достичь высокой топливной экономичности двигателя и повысить его мощность. Недостатками верхнего расположения клапанов являются сложность конструкции и повышенная стоимость изготовления.
При нижнем расположении клапанов (применяется только в карбюраторных и газовых двигателях) механизм газораспределения значительно упрощается, высота головки блока цилиндров и, следовательно, всего двигателя уменьшается. Вместе с тем вследствие большой протяженности камеры сгорания и длинного пути пламени повышается склонность двигателя к детонации и ограничивается возможность применения повышенной степени сжатия для увеличения мощности и экономичности двигателя.
Газораспределительный механизм с верхним расположением клапанов (рис. 2.16, а) состоит из распределительного вала с кулачками 18; толкателя 17, перемещающегося в отверстии блока цилиндров 16; штанги 15; коромысла 11, установленного на оси 14; клапана 6, на который надет маслоотражательный колпачок 1; направляющий втулки 7; пружины 10 с деталями крепления (сухарь 4, втулка 3, тарелка 2, опорная шайба 9). Работа механизма газораспределения с верхними клапанами происходит следующим образом. При вращении распределительного вала кулачок, набегая на толкатель, заставляет последний со штангой 15 перемещаться вверх. Штанга, нажимая на регулировочный болт 13, поворачивает коромысло 11 вокруг своей оси. При этом клапан 6 опускается, сжимая пружину 10, его головка отходит от седла 5 и соединяет цилиндр с впускным или выпускным трубопроводами, проходящими в головке 8 блока цилиндров.
67
Рис. 2.16. Механизмы газораспределения
После того как кулачок выйдет из-под толкателя, клапанный механизм под действием пружины возвращается в исходное положение. Положение болта 13 фиксируется гайкой 12.
Газораспределительный механизм с нижним расположением клапанов (рис. 2.16, б) состоит из распределительного вала с кулачками 10, толкателя 9, регулировочного болта 7, пружины 4, клапана 2 и направляющей втулки 3. Положение регулировочного болта в толкателе фиксируется контргайкой 8. Пружина на клапане крепится с помощью тарелки 6 и сухаря 5. Работа механизма происходит аналогично описанному выше механизму с верхним расположением клапанов. При вращении распределительного вала кулачок набегает на толкатель и приподнимает его, заставляя пружину сжиматься. При этом регулировочный болт нажимает на клапан, головка которого отходит от седла 1 и открывает отверстие для впуска в цилиндр горючей смеси или выпуска отработавших газов. Отверстие закрывается клапаном под действием пружины после того, как кулачок выходит из-под толкателя.
68
Фазы газораспределения
В соответствии с рассмотренными выше теоретическими циклами двигателей внутреннего сгорания открытие и закрытие органов газораспределения (клапанов, окон) должно происходить, когда поршень находится в в. м. т. и н. м. т. В действительных же циклах впуск горючей смеси (воздуха) или выпуск отработавших газов происходит с некоторым опережением или запаздыванием по отношению к этим точкам. Моменты открытия и закрытия клапанов, выраженные в градусах поворота коленчатого вала относительно мертвых точек, называются фазами газораспределения. Графически фазы газораспределения можно представить в виде круговой диаграммы газораспределения (рис. 2.17). Как видно из диаграммы, открытие впускных клапанов автотракторных двигателей происходит за 10–20° до в. м. т., т. е. раньше, чем закроется отверстие выпускного клапана. Это необходимо для того, чтобы избежать излишнего разрежения в цилиндре и возрастания насосных потерь двигателя. Кроме того, опережение открытия впускного клапана при запаздывании закрытия выпускного клапана улучшает продувку камеры сгорания и очистку ее от остаточных газов с использованием инерционного напора горючей смеси, что особенно важно для быстроходных двигателей. Угол поворота коленчатого вала, при котором одновременно открыты впускной и выпускной клапаны, называется углом перекрытия клапанов. Обычно угол перекрытия равен 20–40°.
Рис. 2.17. Диаграмма газораспределения
Запаздывание закрытия впускного клапана (на 50–70° после н.м.т.) позволяет улучшить наполнение цилиндра. Если оставить впускной клапан открытым после н.м.т., то в цилиндр будет продолжать поступать воздух (смесь) до тех пор, пока не будет использована полностью инерция потока воздуха (смеси), движущегося во впускном трубопроводе. Преждевременное открытие выпускного клапана (за 40–60° поворота коленчатого вала до н.м.т.) позволяет выпускать отработавшие газы под собственным давлением (0,35–0,4 МПа), что уменьшает сопротивление движению поршня в период выпуска. Запаздывание закрытия выпускного клапана (10–20° поворота коленчатого вала после в.м.т.) обеспечивает достаточные проходные сечения для выпуска газов, а также улучшает очистку камеры сгорания от отработавших газов. Фазы
69
газораспределения для каждого двигателя подбирают опытным путем. Величины опережения открытия и запаздывания закрытия клапанов у высокооборотных двигателей больше, чем у тихоходных.
Детали клапанного механизма газораспределения Клапаны. Они предназначены для периодического открытия и закрытия
впускных и выпускных отверстий в цилиндрах и надежного их уплотнения. Клапаны работают в тяжелых условиях, подвергаясь воздействию высоких температур, давлению газов, сил упругости пружин и сил инерции деталей механизма. Наиболее тяжелым периодом работы является выпуск отработавших газов, во время которого нагрев клапанов достигает 600–850°С. Современные четырехтактные двигатели имеют в каждом цилиндре два клапана – один впускной и один выпускной.
Клапан состоит из стержня 2 и головки 1 (рис. 2.18, а), соединенных между собой переходом плавной формы, способствующим уменьшению сопротивления движению газов при открытом положении клапана. Головка клапана является частью поверхности камеры сгорания, а ее форма определяет прочность рабочей поверхности клапана, его жесткость, массу и обтекаемость. Головка может быть плоской (тарельчатой), выпуклой и тюльпанообразной. Плоский клапан (рис. 2.18, а) применяется только в карбюраторных двигателях, тюльпанообразный (рис. 2.18, в) – в качестве впускных клапанов двигателя повышенной мощности с верхним расположением клапанов, выпуклый (рис. 2.18, б) – для выпускных клапанов дизелей.
Рис. 2.18. Клапан
Головка клапана имеет рабочую поверхность, предназначенную для закрытия впускных или выпускных отверстий. Для плотного прилегания головки клапана его рабочая поверхность делается конической. Угол рабочей фаски 3 клапанов обычно делается равным 45°, в ряде двигателей (ЗИЛ) у впускных клапанов он составляет 30°.
Стержень клапана имеет цилиндрическую форму и служит для направления движения клапана. Диаметр стержня зависит от величины передаваемых нагрузок, а длина – от расположения клапана. На конце стержня клапана крепится тарелка пружины.
Для лучшего охлаждения головки выпускных клапанов иногда стержень 2 изготавливается полым. Внутренняя полость 4 (рис. 2.18, г) такого стержня
70
заполняется на 50–60% металлическим натрием, который при работе двигателя расплавляется и интенсивно отводит тепло от головки. Для увеличения срока службы выпускные клапаны в некоторых двигателях (ЗИЛ-130 и др.) поворачиваются специальным механизмом (рис. 2.19).
Рис. 2.19.Механизм вращения выпускного клапана
Механизм состоит из неподвижного корпуса 1, установленного в специальном гнезде головки блока цилиндров, пяти шариков 2 и их возвратных пружин 6, расположенных в наклонных углублениях корпуса, выполненных по дуге; конической дисковой пружины 5; упорной шайбы 3, на которую действует клапанная пружина 4, и замочного кольца 7. Упорная шайба и дисковая пружина надеты на выступ корпуса 1 с зазором.
Механизм работает следующим образом. При закрытом клапане усилие пружины 4 через упорную шайбу 3, закрепленную замочным кольцом 7, передается на наружную кромку пружины 5, опирающейся внутренней кромкой в заплечик корпуса 1. Во время открытия клапана усилие клапанной пружины увеличивается; под действием возросшего усилия дисковая пружина распрямляется, между внутренней кромкой пружины и заплечиком корпуса появляется зазор. Усилие пружины начинает передаваться на шарики 2. Шарики, перекатываясь по углублениям, поворачивают дисковую пружину и упорную шайбу 3, а вместе с ними клапанную пружину и клапан относительно его первоначального положения. Во время закрытия клапана усилие клапанной пружины уменьшается, прогиб дисковой пружины возрастает, она упирается в заплечик корпуса, освобождая шарики, которые под действием пружин 6 возвращаются в исходное положение, подготавливая механизм к новому повороту. Клапан, совершая одновременно возвратно-поступательное и вращательное движение, препятствует образованию нагара на его рабочей поверхности и улучшает условие трения стержня клапана в отверстии
71
направляющей втулки. Частота вращения выпускного клапана около 30 об/мин (при 3200 об/мин коленчатого вала).
Клапаны могут изготовляться штамповкой на горизонтальноковочных машинах или свариваться с помощью стыковой сварки при изготовлении головок и стержней из различных материалов. В этом случае головки выпускных клапанов изготовляют из кремнехромистых, кремнехромоникелевых и других высоколегированных жаро- и коррозионностойких сталей 40X9, 17Х18Н9, а стержни – из сталей повышенной износостойкости. Для повышения износостойкости выпускных клапанов на уплотнительные фаски наплавляют слой твердого сплава толщиной до 2 мм. Выпускные клапаны изготовляются из хромистой или хромоникелевой стали.
Клапанные гнезда (седла клапанов) предназначены для удлинения срока службы опорной поверхности, на которую садится клапан (блок-картера при нижнем расположении клапанов или головки блока цилиндров при верхнем расположении клапанов). Для выпускных клапанов обычно седла делают вставными в виде круглых фасонных колец. Седла изготовляются из жаростойких чугунов, легированных сталей, металлокерамики, алюминиевой бронзы.
Направляющие втулки служат для устранения перекосов клапана при посадке на гнездо и для отвода тепла от клапанов. Втулки всегда делаются вставными, что упрощает ремонт. Осевое перемещение втулок ограничивается опорными поясками или упругими кольцами. Втулки изготовляются из бронзы, перлитного чугуна или металлокерамических сплавов.
Клапанные пружины должны обеспечивать достаточное прижатие клапана к седлу, воспринимать инерционные нагрузки, возникающие при движении деталей механизма газораспределения. Наиболее распространены винтовые пружины с постоянным или переменным шагом витка. Переменный шаг витка предотвращает возникновение резонансных колебаний. В некоторых двигателях (КДМ-100, ЯМЗ236) на каждый клапан устанавливаются две пружины (одна внутри другой) с разным направлением навивки. Это позволяет уменьшить длину клапана, предотвращает явление резонанса и повышает надежность работы механизма газораспределения. Пружины изготовляются преимущественно из высокоуглеродистых марганцовистых, кремнемарганцовистых и хромоникелеванадиевых сталей.
Толкатели предназначены для передачи усилия от кулачков вала к стержням клапанов или штангам и восприятия боковых усилий, возникающих при вращении кулачка. Толкатели бывают тарельчатые (рис. 2.20, а), цилиндрические (рис. 2.20, б), роликовые и гидравлические.
72
Рис. 2.20. Тарельчатый (а) и цилиндрический (б) толкатели
Тарельчатые толкатели получили распространение на двигателях с нижним расположением клапанов. Трущаяся поверхность толкателя 3 в месте соприкосновения с кулачком 2 распределительного вала 1 имеет сферическую форму, что уменьшает трение. В торец толкателя ввернут регулировочный болт 4 с контргайкой 5. Изменением положения болта по высоте меняется зазор между клапаном и толкателем. Для более равномерного износа тарелки толкателя его ось смещают относительно оси кулачка (при плоской опорной поверхности толкателя) или кулачок делается коническим (при сферической опорной поверхности толкателя). При этом толкатель одновременно совершает поступательное и вращательное движения.
Цилиндрические толкатели применяют на двигателях с верхним расположением клапанов. Внутри пустотелого цилиндрического толкателя 7, опирающегося на кулачок 9 вала 10, размещена штанга 6. Слив масла из внутренней полости толкателя производится через отверстие 8.
Роликовые толкатели применяют для уменьшения износа трущихся поверхностей и потерь на трение в механизме газораспределения. Однако значительная масса, большой износ оси ролика и сложность изготовления роликовых толкателей ограничивают их применение.
Гидравлические толкатели применяются в быстроходных двигателях легковых автомобилей.
Толкатели изготовляются из легированных сталей. В некоторых двигателях толкатели делают из отбеливающих чугунов.
Штанги и коромысла являются кинематическими элементами механизма газораспределения при верхнем расположении клапанов. Штанга передает усилие от толкателя к коромыслу. Штанги бывают сплошные и трубчатые; изготовляются из стали или дюралюминия. Коромысло служит для передачи усилия от штанги к стержню клапана и представляет собой двуплечий рычаг, один конец которого соединяется со штангой, а второй опирается на стержень клапана. Ось коромысла обычно неподвижна, а коромысло вращается на оси на втулке или на игольчатых подшипниках. Коромысла, как правило, имеют плечи разной длины. Плечо, обращенное к клапану, всегда бывает в полтора-два раза больше плеча со стороны штанги. Благодаря этому удается обеспечить необходимую высоту подъема клапанов при значительно меньших перемещениях
73
толкателей и штанг, т. е. снизить величину их ускорения и сил инерции. Коромысла отливают из чугуна и стали методом точного литья или штампуют из стали марки 45.
Рис. 2.21. Распределительный вал
Распределительный вал (рис. 2.21) служит для управления движением клапанов. Вал имеет опорные шейки 1, впускные 2 и выпускные 4 кулачки, эксцентрик 3 для привода топливного насоса и шестерню 5 привода масляного насоса и распределителя зажигания. Размещение кулачков определяется расположением клапанов, заданными фазами газораспределения и порядком работы двигателя. Распределительный вал устанавливается в подшипниках блок-картера или в специальном корпусе на головке блока цилиндров (при верхнем расположении вала). Число подшипников распределительного вала обычно равно числу подшипников коленчатого вала. Подшипниками опорных шеек являются чугунные или бронзовые втулки, тонкостенные сталебаббитовые втулки или втулки из биметаллической ленты. Распределительный вал приводится в движение от коленчатого вала с помощью зубчатой (рис. 2.22, а) или цепной (рис. 2.22, б) передачи.
Рис. 2.22. Передачи, применяемые для привода распределительного вала
Схема привода распределительных валов на V-образном двигателе показана на рис. 2.22, в. От осевого перемещения распределительный вал удерживается обычно упорным фланцем. На характер работы механизма газораспределения во многом влияет профиль кулачка, обычно выполняемый выпуклым, что обеспечивает наилучшее наполнение цилиндров при небольших инерционных силах.
Распределительный вал изготовляется из углеродистых или легированных сталей, а также из специального чугуна. Кулачки и шейки стальных
74