Условия работы распредвала – Описание условия работы, выбора материала и технологии упрочняющей обработки распределительного вала легкового автомобиля

Описание условия работы, выбора материала и технологии упрочняющей обработки распределительного вала легкового автомобиля

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ  БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «ФИЗИКИ МЕТАЛЛОВ

И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ»

 

 

 

 

 

 

Контрольно – курсовая работа

по дисциплине: «Основы проектирования процессов термической обработки»

на тему: «Описание условия работы, выбора материала и технологии упрочняющей обработки распределительного вала легкового автомобиля»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тула 2012

Содержание

 

  1. Введение…………………………………………………………………….3
  2. Условия работы распределительного вала……………………………….3
  3. Выбор материала …………………………………………………………..5
  4. Технология изготовления………………………………………………
    ….6
  5. Технология упрочняющей термической обработки……………………..7
  6. Оборудование для термической обработки……………………………..10
  7. Список использованной литературы…………………………………….15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. Введение

 

   Распределительный вал — основная деталь газораспределительного механизма (ГРМ), служащего для синхронизации впуска или выпуска и тактов работы двигателя.

   В современных автомобильных двигателях, как правило, расположен в верхней части головки блока цилиндров и соединён со шкивом или зубчатой звёздочкой коленвала ремнём или цепью ГРМ соответственно и вращается с вдвое меньшей частотой, чем последний (на 4-тактных двигателях). В прошлом была широко распространена схема с нижним расположением распределительного вала. Составной частью распредвала являются его кулачки, количество которых соответствует количеству впускных и выпускных клапанов двигателя. Таким образом, каждому клапану соответствует индивидуальный кулачок, который и открывает клапан, набегая на рычаг толкателя клапана. Когда кулачок «сбегает» с рычага, клапан закрывается под действием мощной возвратной пружины.

   Двигатели с рядной конфигурацией цилиндров и одной парой клапанов на цилиндр обычно имеют один распределительный вал (в случае четырёх клапанов на каждый цилиндр, два), а V-образные и оппозитные — либо один в развале блока, либо два, по одному на каждый полублок (в каждой головке блока). Двигатели, имеющие 3 клапана на цилиндр (чаще всего два впускных и один выпускной), обычно имеют один распредвал на головку блока, а имеющие 4 клапана на цилиндр (2 впускных и 2 выпускных) имеют 2 распредвала в каждой головке блока. Но бывают и исключения, к примеру, двигатель Mitsubishi Lancer модели 4G18 (с рядным расположением 4-ех цилиндров) имеет 4 клапана на цилиндр и 1 распределительный вал.

   Современные двигатели иногда имеют системы регулировки фаз газораспределения, то есть механизмы, которые позволяют проворачивать распредвал относительно приводной звездочки, тем самым изменяя момент открытия и закрытия (фазу) клапанов, что позволяет более эффективно наполнять рабочей смесью цилиндры на разных оборотах.

 

 

  1. Условия работы распределительного вала

 

  Распределительного вал обязан выдерживать режим работы двигателя при самых разных оборотах коленчатого вала, при плюс 1000 0С в цилиндрах и минус 50 0С на улице, часами, а порой и сутками, непрерывно, почти без отдыха. При этом вал должен не только заставлять двигаться связанные с ним клапаны, но и беречь их от перегрузок.

   Важнейший элемент распределительного вала — кулачок. Толстая, или широкая, часть его предназначена для отдыха, тонкая — самая нагруженная. У него важны абсолютно все участки поверхности, которые с соответствующими названиями показаны на рис. 1. Причем важность и тонкость расчета профиля каждой части кулачка постоянно возрастают по мере роста максимального числа оборотов у двигателей.

Рис. 1 Профиль кулачка 

   На рисунке  1 изображены: 1- сектор отдыха; 2 – сектор ускорения; 3 – боковая поверхность; 4 – вершина; 5- сектор максимального открытия клапана.

   Поворачиваясь вместе с валом, кулачок должен выбрать тепловой зазор в работающей с ним паре трения и начать подъем клапана от седла, подготавливая его к полному открытию. Здесь в дело включается сектор ускорения. От профиля этого участка кулачка зависит скорость подъема клапана и характер нарастания нагрузок на кулачок от клапанной пружины. В свободном состоянии пружина прижимает клапан к седлу с усилием до 15 килограмм. При полном открытии клапана сопротивление пружины добавляет еще 30 килограмм. Если учесть, что соотношение плечей рычагов в клапанном приводе не в пользу кулачка, то нагрузка на него возрастает и в максимальном значении может приблизиться к 50 килограмм. Распределяется же она всего лишь на тоненькой линии по всей ширине кулачка, площадь которой, как правило, не более 0,2 мм

2.

   Все эти цифры приблизительны, но их значения близки к реальным для большинства легковых двигателей, и благодаря им можно посчитать удельные нагрузки на рабочую площадь поверхности кулачка. Грубый подсчет даст величину 200 кг/мм

2.

   Выдержать такие громадные нагрузки могут только специальные стали или отбеленный чугун, из которых делаются распределительные валы современных моторов, да и то при условии упрочняющей термообработки их, хорошей смазки и точного соблюдения времени работы и отдыха кулачков, что определяется зазорами. От величины «зазоров в клапанах» зависит и как — с ударом или постепенно — начнет открываться клапан, и как — мягко или с отскоком — сядет он обратно в седло.

  1. Выбор материала

 

   В настоящее время используют большое разнообразие применяемых материалов и методов упрочнения, что связано с различным характером эксплуатации валов, масштабом, условиями и традициями производства на предприятиях различных отраслей. В основном применяют следующие варианты изготовления и упрочнения распределительных валов:

1. Валы из среднеуглеродистых сталей марок 40, 45, 50, изготавливаемые горячей штамповкой, с упрочнением кулачков и опорных шеек поверхностной закалкой при поверхностном индукционном нагреве

Этим методом изготавливают  большинство распределительных  валов двигателей грузовых автомобилей и тракторов.

2. Валы из цементуемых сталей (20Х, 18ХГТ и др), упрочняемые цементацией с последующей поверхностной закалкой при поверхностном индукционном нагреве кулачков и шеек

В этом случае облегчается  обработка валов резанием, но возрастает общая трудоемкость и сложность  термической обработки.

3. Литые валы из перлитного серого и высокопрочного чугуна, упрочняемые путем поверхностной закалки при индукционном нагреве кулачков и шеек либо путем отбела рабочих поверхностей (носиков) кулачков.

   В соответствии  с таблицей 1 выбираем для изготовления распредвала из подходящих материалов, самый дешевый материал — Ст 40.

 

Таблица 1. Цены выбранных  материалов

Марка

профиль

ГОСТ, ТУ :

Цена  руб/т

сталь 45

Круг стальной 100мм немерный

1050-88

28 041

сталь 40

Круг стальной 180мм немерный

ГОСТ 2590-88

27 620

сталь 20Х

Круг стальной 100мм немерный

ГОСТ 4543

30 142

сталь 18ХГТ

Круг стальной 100мм немерный

ГОСТ 4543-71

33 609

Чугун СЧ25

Длина 1560мм

Ø 220

ГОСТ 1412-85

92 000

 

Характеристика стали  Сталь 40.

   Сталь конструкционная углеродистая качественная, маркируемая как сталь 40, имеет широкую область применения:

— ее используют для изготовления коленчатых валов, распредвалов, шатунов, зубчатых венцов, маховиков, зубчатых колес, болтов, осей и других деталей после улучшения;

— ее также используют для изготовления деталей средних размеров, к которым предъявляются требования высокой поверхностной твердости и повышенной износостойкости при малой деформации, к примеру, длинных валов, ходовых валиков, зубчатых колес, использую дополнительное поверхностное упрочнение с нагревом ТВЧ;

   Технологические свойства, которыми обладает сталь 40: ограниченная свариваемость (для получения качественных сварных соединений необходим предварительный подогрев до 100-120 град. и отжиг после сварки), флокенонечувствительность, кроме того, сталь 40 не склонна к отпускной хрупкости.

   Механические свойства, которыми обладает сталь 40: предел кратковременной прочности – 520 – 600 МПа, предел пропорциональности – 320 – 340 МПа, относительное удлинение – 16 – 20%, относительное сужение – 45%, ударная вязкость – 600 кДж/кв.м

   Химический состав  стали Сталь 40 указан в таблице  2.

 

Таблица 2. Химический состав стали Сталь 40

Химический элемент

%

Кремний (Si)

0,17-0,37

Медь (Cu), не более

0.30

Марганец (Mn)

0,50-0,80

Никель (Ni), не более

0,30

Фосфор (P), не более

0,035

Хром (Cr)

0,80-1,10

Сера (S), не более

0,035

 

 

  1. Технология изготовления

 

   Требования, предъявляемые к точности обработки распределительных валов, обусловливают технологические решения по обеспечению высокого качества обработки и надежности применения автоматизированных технологических процессов. Распределительные валы автомобильных двигателей изготавливают из углеродистых, легированных сталей или легированною чугуна. Например, распределительный вал двигателя легкового автомобиля — из стали 40 или из магниевого чугуна с шаровидной формой графита, грузового автомобиля — в основном из стали. Стальные заготовки распределительных валов получают горячей штамповкой с предварительным формообразованием на ковочных вальцах или на прессах в ручьевых штампах Исходный материал — круглый или периодический фасонный прокат. Отштампованные распределительные валы подвергают термической обработке для снятия внутренних напряжений и обеспечения заданной твердости материала. Ниже приведены технологический маршрут изготовления заготовки распределительного вала из стали 40 и применяемое оборудование. Припуски на механическую обработку у штампованных валов составляют 1—4 мм на диаметр. Литые распределительные валы изготавливают из легированного высокопрочного чугуна. Заготовки таких валов отливают в песчаные или оболочковые формы. При отливке в песчаные формы часто применяют металлические, образующие формы кулачков и эксцентриков. При заливке жидкого чугуна интенсивно отводят теплоту и на поверхности кулачков и эксцентриков образуется твердая корка отбеленного чугуна толщиной до 6 мм.

 

  1. Технология упрочняющей термической обработки

 

   Для распределительных валов легковых автомобилей широко применяется процесс «Эловиг», разработанный фирмой «АЕГ Элотерм» и заключающийся в расплавлении тонкого поверхностного слоя кулачков чугунных валов электрической дугой неплавящимся вольфрамовым электродом в атмосфере инертного газа (аргона), с последующей быстрой кристаллизацией этого слоя.

   Технология поверхностной закалки при поверхностном индукционном нагреве кулачков и шеек распределительных валов, которая в большинстве случаев является основной и наиболее ответственной операцией упрочняющей термической обработки как стальных, так и чугунных валов, определяющей их работоспособность.

   По условиям эксплуатации оптимальная глубина закаленного слоя на кулачках должна составлять 2—5 мм, при этом на носике допускается ее увеличение до 10 мм.

   Одновременный поверхностный нагрев кулачков и шеек производится в кольцевых или омега образных индукторах (рис. 2) различной конструкции с питанием от преобразователей с частотой 8—10 кГц. При индукционном нагреве ТВЧ кулачков и шеек распредвала со скоростью 100-200 °С/с — нагревают до температур 910—960 °С, при этом продолжительность нагрева составляет 1-1,5 секунды.. При меньшей частоте (1 и 2,5 кГц) ввиду особенности формы кулачка (большой разности диаметров поверхности носика и тыльной части) носик нагревается слабее и для получения в этой зоне высокой твердости приходится перегревать всю остальную часть кулачка, что увеличивает глубину закаленного слоя и деформацию валов, а также снижает производительность установок.

 

 

Рис. 2.  Кольцевой (а) и  омегаобразный (б) индукторы для распределительных валов.

 

   При нагреве в одновитковом индукторе (рис. 3, а) закаленный слой получается неравномерным, глубже в центре и меньше у торцев кулачка. Применение более сложных индукторов (рис. 3, б—г) усиливает нагрев торцев и выравнивает глубину слоя. Закалочное охлаждение осуществляется водяным душем из спрейеров.

 

Рис. 3. Формы индукторов для поверхностного нагрева кулачков распределительного вала

 

   При закалке очередных кулачков необходимо исключить возможность нагрева уже закаленных соседних кулачков, что может привести к их отпуску и недопустимому снижению твердости. Для этого кольцевые индукторы снабжают электромагнитными или водяными экранами, уменьшающими нагрев соседних элементов вала. Иногда охлаждение соседних шеек осуществляют отдельными спрейерами.

www.referat911.ru

Секреты распределительного вала

Работа исправного и хорошо отрегулированного двигателя похожа на музыку. В ней все подчинено строгой гармонии тактов, да и сам мотор чем-то напоминает слаженный оркестр. Среди сотен деталей, из которых устроены системы и механизмы современного четырехтактного мотора, есть «детали-исполнители», но есть и «дирижеры». Одним из «дирижеров» является распределительный вал, управляющий самыми важными рабочими процессами — наполнением и очисткой цилиндров.

Конечно, роль распределительного вала можно сравнить с ролью дирижера в оркестре. Но, пожалуй, точнее, с инженерной точки зрения, было бы назвать его программным механизмом поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Качество рабочих процессов в моторе обеспечивается строгой взаимосвязью его деталей, их размеров, последовательностью действия. Учитывается абсолютно все: и форма камеры сгорания, и диаметры клапанов, и длина впускного тракта, и момент воспламенения горючей смеси, словом, в двигателе нет ни одного параметра, не влияющего на соседа. Большую часть деталей однажды изготовляют на заводе по заданным конструктором чертежам, собирают в узлы и до самой разборки для ремонта они остаются недосягаемыми. И только распределительный вал среди всех механизмов требует регулярного внимания.

Здесь снова приходит на ум сравнение двигателя с музыкальным механизмом. Вспомните популярные в прошлом часы, шкатулки, шарманки, которые наигрывали самые разные мелодии. Принцип конструирования их приводных валиков сродни тому, что используется при расчетах распределительных валов. Набор звучащих на разных нотах стальных пластин, которые в определенной последовательности цепляются выступами-штырями валика, — вот и вся премудрость. Изготовил, настроил, и механизм сто лет «поет» и бабушкам и внукам.

Условия работы распределительного вала несравнимо хуже. Он обязан выдерживать «мелодию» работы двигателя при самых разных оборотах коленчатого вала, при плюс 1000°С в цилиндрах и минус 50°С на улице, часами, а порой и сутками, непрерывно, почти без отдыха. При этом вал должен не только заставлять двигаться связанные с ним клапаны, но и беречь их от перегрузок.

Рис. 1. Профиль кулачка: 1 — сектор отдыха; 2 — сектор ускорения; 3 — боковая поверхность; 4 — вершина; 5 — сектор максимального открытия клапана.

Важнейший элемент распределительного вала — кулачок. Кулачков столько, сколько клапанов в механизме газораспределения. Как правило, два на цилиндр. Число цилиндров у различных моторов, все знают, разное. От одного до шестнадцати. Все, что происходит в одном цилиндре, обеспечивается парой кулачков, управляющих впускным и выпускным клапанами. От положения на валу кулачковых пар зависит очередность работы отдельных цилиндров. Кроме того, конечно, учитываются их число и расположение (рядное, V-образное, оппозитное), и порядок работы каждого всегда строго увязан с точно определенным и равным для всех углом поворота коленчатого вала. Совершенно обязательно, чтобы рабочие процессы в каждом цилиндре были максимально приближены к единообразию. Но сначала о кулачке.

Толстая, или широкая, часть его предназначена для отдыха, тонкая — самая нагруженная. У него важны абсолютно все участки поверхности, которые с соответствующими названиями показаны на рис. 1. Причем важность и тонкость расчета профиля каждой части кулачка постоянно возрастают по мере роста максимального числа оборотов у двигателей. Приняв разделение профиля кулачка на секторы, нам легче будет представить себе их значение. Начнем с того момента, когда клапан закрыт и, прижавшись к седлу, остывает. Особенно важно это для выпускного клапана, омываемого только раскаленными газами. Кулачок в это время тоже свободен после трения о толкатель («волги», старые «москвичи»), коромысло («Москвич — 412») или рычаг («Жигули») привода клапана и повернут к нему сектором отдыха. Хотелось бы сделать этот период возможно более длительным. Но конструктивные особенности двигателей ограничивают его в пределах 140-160 градусов.

Поворачиваясь вместе с валом, кулачок должен выбрать тепловой зазор в работающей с ним паре трения и начать подъем клапана от седла, подготавливая его к полному открытию. Здесь в дело включается сектор ускорения. От профиля этого участка кулачка зависит скорость подъема клапана и характер нарастания нагрузок на кулачок от клапанной пружины. Как-никак, а даже в свободном состоянии пружина прижимает клапан к седлу с усилием до 15 кг. При полном открытии клапана сопротивление пружины добавляет еще килограммов 30. А если учесть, что соотношение плечей рычагов в клапанном приводе не в пользу кулачка, то выяснится, что нагрузка на него возрастает еще и в максимальном значении может приблизиться к 50 кг. Распределяется же она всего лишь на тоненькой линии по всей ширине кулачка, площадь которой, как правило, не более 0,2 мм2. Конечно, все эти цифры приблизительны, но их значения близки к реальным для большинства легковых двигателей, и благодаря им можно посчитать удельные нагрузки на рабочую площадь поверхности кулачка. Грубый подсчет даст величину 200 кг/мм2, что, образно говоря, равно весу опрокинутой пирамиды из 35 «жигулей», опирающейся на площадь монетки достоинством в 1 копейку. Выдержать такие громадные нагрузки могут только специальные стали или отбеленный чугун, из которых делаются распределительные валы современных моторов, да и то при условии упрочняющей термообработки их, хорошей смазки и точного соблюдения времени работы и отдыха кулачков, что определяется известными всем зазорами. От величины «зазоров в клапанах» зависит и как — с ударом или постепенно — начнет открываться клапан, и как — мягко или с отскоком — сядет он обратно в седло. Но об этом несколько позже.

Возвращаясь к сектору ускорения кулачка, можно сказать еще, что в нем заложены мощностные характеристики двигателя. Он регулирует время открытия клапана, а оно в большей мере, чем открытое клапаном отверстие для газов, влияет на наполнение цилиндра. Как и сектор отдыха, сектор ускорения хочется сделать возможно большим.

Рис. 2. Рабочие такты (а) четырехтактного двигателя, соответствующий им график (б) углов поворота коленвала и линии открытия выпускного и впускного клапанов; П — угол перекрытия фаз газораспределения; (в) — типичная схема фаз газораспределения.

Вершина кулачка определяет время, когда клапан открыт полностью. Естественно желание продлить его, а для этого необходимо удлинить поверхность, иными словами, сделать вершину тупой, разумеется, при той же высоте, так как она определяет высоту подъема клапана.

Из всего сказанного о профиле кулачка очевидно, что конструктор всегда стоит перед поиском компромисса, удовлетворяющего определенным режимам работы двигателя. Удлинили сектора отдыха и ускорения — уменьшилась длина вершины. В результате получим клапанный механизм, работающий в спокойном режиме, с большим ресурсом, но мощность двигателя будет невысокой. Сделали круче боковую поверхность и более тупую (длинную) вершину — механизм загрузился, время отдыха его уменьшилось, но зато выходная мощность мотора (производная от наполнения цилиндра) возросла.

Создав необходимый профиль кулачка, конструктор выбирает оптимальные условия совместной работы клапанов — фаза наполнения следует сразу же за очисткой цилиндра, и важно не мешкать ни с тем, ни с другим. Времени для этого всегда меньше, чем хотелось бы. Представим себе один из наиболее употребляемых режимов работы двигателя — 2400 об/мин. Распределительный вал повернется в два раза меньше, и каждый из четырех впускных или выпускных клапанов на любом из наших индивидуальных автомобилей откроется за это время 1200 раз. 20 раз в секунду распределительный вал должен будет открыть выпускной клапан, закрыть его, открыть впускной клапан, закрыть его и дать клапанам немного отдохнуть перед следующим циклом. Дефицит времени и характер газодинамических процессов, происходящих в цилиндре, позволяют совместить начало впуска свежей рабочей смеси с концом выпуска отработавших газов. При этом они даже несколько перекрываются, что в характеристике двигателя называется углом перекрытия фаз газораспределения (рис. 2). Для каждого мотора угол перекрытия свой и зависит от многих параметров — от объема цилиндра, проходного сечения отверстий под клапанами, изменения скорости потока вылетающих из цилиндра газов и соответствующего, изменения давления в нем и др. А поддерживается он в требуемых пределах все той же регулировкой «клапанных зазоров». От нее же зависят и условия, в которых приходится работать клапанам, находящимся в буквальном смысле в самом пекле.

Схемы механизмов газораспределения: с нижним (а) и верхним (б) расположением распределительного вала; стрелками показаны пары трения, определяющие величину суммарного зазора в приводе

Зона отдыха на кулачке обеспечивает клапану на остывание минимум третью часть времени от одного оборота. Кое-что перепадает ему от зон ускорения, там, где профиль кулачка начинает отходить от круга до величины суммарного зазора в приводе клапана. Все вместе может обеспечить клапану отдых около половины времени оборота вала. И чем выше частота вращения распределительного вала, тем существеннее для клапана эта разница между третью и половиной рабочего времени кулачка, которая отводится ему для отдыха.

Отсюда уже начинается чистая практика, волнующие каждого автомотолюбителя вопросы правильной регулировки зазоров в клапанном механизме. Ошибок здесь может быть только две, а последствий гораздо больше.

Зазор велик. Его мы определяем по характерному шуму под клапанной крышкой, напоминающему стрекотанье старой швейной машинки. Но шум лишь косвенный показатель того, что происходит в механизме привода клапанов. На самом деле разница между работой механизма с нормальными и увеличенными зазорами может быть сравнима с ездой по асфальтовому и булыжному шоссе со всеми вытекающими отсюда последствиями. Минуя участок плавного перехода сектора отдыха в сектор ускорения, кулачок с размаху бьет боковой поверхностью в привод, через который удар передается на стержень клапана. Здесь энергия его распределяется вдоль стержня и на стенки направляющей втулки. Открыв ненадолго клапан, кулачок по той же сокращенной программе резко бросает клапан, и пружина с большим усилием сажает его в седло. Процесс этот повторяется снова и снова, производя микроразрушения в структуре поверхностных слоев работающих в паре деталей и, в конечном итоге, намного раньше положенного срока выводит их из строя. Надо отметить, что двигатель в целом не остался безучастным к этому. Упала его мощность, и для той же работы, которую он проделывал, чтобы катить машину со скоростью 60 км/ч, ему уже потребовалось несколько больше топлива. Разумеется, и эти прямые и будущие ремонтные расходы адресованы владельцу машины.

Зазор мал. Это значит, что кулачок, едва посадив, правда, мягко, клапан в седло, тут же, не дав отдохнуть и остыть, снова поднимает его. При очень малых зазорах удлинившийся от нагревания клапан может и вовсе зависнуть над седлом. В результате температура тарелки клапана поползет вверх, кромки ее начнут перегреваться и обгорать, компрессия в цилиндре упадет, а вместе с ней и мощность. Порой дело доходит до «стрельбы» в карбюратор или в глушитель. При этих признаках ремонта уже не избежать. Не остается без пагубных последствий и сам кулачок. Он больше времени трется о привод клапана, меньше смазывается и, в конечном итоге, изнашивается раньше времени, приводя в полную негодность весь распределительный вал.

Надо отметить, что любое отклонение в величине зазоров влечет за собой изменение в углах перекрытия фаз газораспределения, что тоже всегда некстати.

Случается, что после самой тщательной регулировки зазоров стуки от «распущенных» клапанов сохраняются. Причина — в неравномерных износах трущихся пар. Здесь могут быть и сколы, и неровные впадины на рычагах и кулачках. Чаще всего неудачи при регулировке встречаются у двигателей с нижним расположением распределительного вала и верхними клапанами («волги», «москвичи» среднего поколения, «запорожцы»). Большое количество пар трения в этих приводах (рис. 3, а) требует повышенного внимания и дополнительных забот при ремонте и уходе за мотором. У более современных «москвичей» и «Жигулей» (рис. 3, б) их всего три, и обслуживать их гораздо проще.

СОКОЛОВ А.Д. (За Рулем №4, 1979)

own.in.ua

Распределительный вал ГРМ

Распределительный вал (распредвал) — ключевой элемент газораспределительного механизма, который отвечает за своевременное открытие и закрытие впускного или выпускного клапана для подачи топливно-воздушной рабочей смеси или выпуска отработавших газов.

Распредвал служит для синхронизации впуска и выпуска на тактах работы ДВС. Деталь обеспечивает функционирование всего газораспределительного механизма с учетом порядка работы цилиндров и фаз газораспределения применительно к тому или иному конкретному двигателю.

Распределительный вал представляет собой вал с расположенными на нем кулачками. Распредвал вращается в подшипниках скольжения, которые выполнены в виде опор. К опорам распредвала по каналам поступает моторное масло под давлением из системы смазки. Количество кулачков на распредвале соответствует количеству впускных и выпускных клапанов двигателя. Один клапан получает свой кулачок, который осуществляет его открытие путем нажатия на толкатель. В тот момент, когда кулачок распредвала сходит с толкателя, тогда клапан закрывается под мощным воздействием возвратной пружины.

От формы кулачков распределительного вала зависят фазы газораспределения. Под такими фазами понимаются моменты открытия и закрытия клапанов, а также продолжительность пребывания клапана в открытом или закрытом состоянии. Современные силовые агрегаты имеют также систему изменения фаз газораспределения для повышения общей эффективности работы ГРМ и улучшения характеристик ДВС.

В двигателях современных автомобилей распредвал находится в верхней части головки блока цилиндров. Распределительный вал соединяется с зубчатой звездочкой или шкивом коленчатого вала двигателя посредством ремня или цепной передачи. Приводом распредвала выступает коленчатый вал.

На четырехтактных моторах весь ГРМ вращается в два раза медленнее, чем коленвал, так как полный рабочий цикл таких ДВС осуществляется за два оборота коленвала. За указанные два оборота впускной и выпускной клапаны должны открыться только по одному разу. Получается так, что распредвал, управляющий открытием клапанов, должен совершить только один оборот за рабочий цикл.

В конструкции ГРМ может присутствовать не один распредвал. Зачастую это обусловлено количеством клапанов на цилиндр. Сегодня наиболее широко применяется  схема четырех клапанов на один цилиндр и двухвального ГРМ (один распредвал является приводом впускных клапанов, а другой взаимодействует с выпускными). Для V-образных ДВС устанавливают четыре распредвала, так как каждый ряд цилиндров имеет отдельную ГБЦ с двумя валами. Система ГРМ с одним валом называется SOHC (англ. Single OverHead Camshaft), двухвальная получила наименование DOHC (англ. Double OverHead Camshaft).

Читайте также

krutimotor.ru

10 главных причин поломки распределительных валов

Когда выходит из строя распредвал, то причина поломки, зачастую, не плохое качество изготовления самого распредвала, а совсем иная. Поэтому четкое понимание взаимосвязей в работе распредвала, и сопряженных с ним деталей, очень важно для сборки двигателя. Здесь мы попробуем рассказать о наиболее важных особенностях, над которыми следует подумать, прежде чем ругать распредвал или толкатели.

 

«Заклинивание» пружины

Подобное происходит, когда монтажная длина клапанной пружины (смонтированной на свое штатное место) оказывается меньше, чем полный ход клапана. В этом случае витки пружины садятся друг на друга, превращая пружину в «твердое тело». Этот «моток» проволоки останавливает движение клапанного механизма и при этом, как правило, ломается самое слабое звено газораспределительного механизма. Обычно гнутся штанги толкателей, обрываются и падают в цилиндр клапаны или «стираются» кулачки. Схема, приведенная ниже, показывает правильную установку клапанной пружины:

В принципе, при полном ходе клапана между витками пружины должен оставаться зазор. «Запас прочности» составляет обычно около 1,5 мм, хотя в некоторых современных двигателях эта величина может колебаться от 0,40 до 3,0 мм, особенно – при двух пружинах на клапан. Но как бы там ни было: смыкание витков пружины – это очень плохо, и может привести к «уничтожению» распредвалов и другие деталей.

 

«Столкновение» тарелки клапанной пружины и маслосъемного колпачка

Если смыкание витков превращает пружину в твердый «кусок» металла, то «утыкание» тарелки клапанной пружины и маслосъемного колпачка может причинить такой же ущерб. Расстояние от вершины маслосъемного колпачка до нижнего края тарелки клапанной пружины должно быть больше, чем ход клапана, в противном случае колпачок и тарелка столкнутся. Если это расстояние меньше, необходимо доработать на станке направляющую втулку клапана. Это очень распространенная причина ранней поломки распредвала (см. схему 1).

 

Схема 1.
Расстояние между тарелкой клапанной пружины и маслосъемным колпачком должно быть больше, чем ход клапана.
Нарушения в приводе клапанов

Ненадлежащее управление клапанным механизмом также может вызвать повреждение. Клапанный механизм – сложная система идеально настроенных движущихся деталей, работающих с большими нагрузками и на высоких оборотах. Любое слабое звено или неправильно подобранный компонент может превратить гармонично работающие детали в хлам. Причем, зачастую причиной являются неподходящие, например, «осевшие» из-за длительной эксплуатации, пружины. Проблемы только усугубляются, когда форсируют мотор, устанавливая распределительные валы с «высокими» кулачками и поднимая мощность (т. е. увеличивая давление в цилиндрах).

Особенно это заметно на «нижневальных» моторах, со штанговым приводом клапанов. Штанги толкателя являются самым нежестким элементом в клапанном механизме и обычно первыми подвержены деформации. Если пружины слишком «слабые», то увеличенное давление в цилиндре затрудняет открытие клапана и это вызывает изгибание штанги толкателя. Поэтому штанги должны быть достаточно толстыми, чтобы выдержать сжимающую нагрузку и высокие обороты. Слишком большой зазор или заедание толкателя также могут вызывать повреждение. Определяющим является скорость перемещения подвижных деталей ГРМ до их контакта, — чем быстрее «удар» или контакт, тем сильнее его воздействие на детали.

 

Отключение зажигания для ограничения оборотов

Использование подобного ограничителя оборотов кажется хорошей идеей, но оно также негативно влияет на клапанный механизм.

Большинство современных «ограничителей оборотов» просто отключают зажигание в цилиндрах. Однако топливо продолжает поступать в цилиндр и, при последующем воспламенении, сгорание обогащенной смеси перегружает цилиндр. По этой причине увеличивается давление в цилиндре, «захлопывая» клапан, и передавая удар на пружину, коромысло, штангу толкателя, толкатель и кулачок. Проведенные испытания показали, что отключение подобного ограничителя оборотов – хорошая идея для продления «жизни» двигателя.

 

Плохая промывка роликовых толкателей

Грязь (мелкие частицы нагара или пыли, лаковые отложения) – причина № 1 неполадок роликового толкателя. Частицы грязи, попадающие с потоком масла, в «тонкие» каналы толкателя, могут привести его заклиниванию. В итоге – увеличиваются зазоры в клапанном механизме, что вызывает чрезмерный шум и мешает нормальному движению клапана.

Устанавливая толкатели, убедитесь, что блок или головка блока двигателя (и каналы в них) являются абсолютно чистыми. Осмотрите толкатели на предмет повреждений при транспортировке и промойте их чистым бензином или дизельным топливом, чтобы удалить загрязнения. После промывки погрузите толкатели в чистое моторное масло для смазки поверхностей перед установкой.

 

Загрязнение масла

Двигатель никогда не будет «слишком чистым» при сборке. Хорошая чистка промывка корпусных деталей (блока цилиндров или головки блока цилиндров) весьма трудоемка и обычно требует специализированного оборудования, такого как моечная машина. Но и в этом случае не обойтись без бутылочного ершика. Причиной повреждений вкладышей или толкателей часто может стать грязь, скопившаяся ВНУТРИ масляных каналов.

Грязь (мелкие частицы нагара или пыли, лаковые отложения) оседает в масляных каналах, особенно в двигателях, пострадавших от аварийных повреждений. Загрязнения эти скапливаются в уголках и закутках магистралей, и просто продуть каналы сжатым воздухом – значит спрессовать грязь еще больше. Посторонние частицы необходимо промыть и вычистить полностью, чтобы от них не осталось и следа. Для этого нужно удалить (даже с высверливанием и нарезанием резьбы для новых заглушек) все заглушки масляных магистралей, а масляные каналы – вычистить щеткой-ершиком. Также нужно прочистить все отверстия для подвода масла в коленчатом вале и промыть штанги толкателей, даже если они новые.

Кулачки, толкатели и вкладыши (и прочие подвижные детали двигателя) предохраняются от износа тонкой пленкой смазочного масла, и любые твердые частицы, оставшиеся в масле, становятся абразивом, который быстро разрушает поверхность деталей или застревает в малых зазорах. Если заблокировать эти жизненно важные пути для масла, то поломка вкладышей или толкателей – неизбежна. В итоге, если вы хотите, чтобы ваш распредвал и толкатели работали долго, они должны быть чистыми, чистыми, чистыми!

 

Недостаточная смазка или слишком высокая температура масла

Хорошее смазывание – ключ к продолжительной работе распредвала и толкателя.

Четыре правила хорошей смазки – это:

  • качественное масло;

  • в нужном месте;

  • в нужное время;

  • в достаточном количестве.

При нормальных рабочих условиях в двигателе масло не перегревается. Повышение его температуры обычно является результатом подклинивания деталей, например, в результате застревания толкателя в отверстии или засорения канала.

 

Рисунок 2.
Результат отсутствия вращения толкателя

 

Однако, противоизносные присадки в масле нуждаются в определенном нагреве и давлении, чтобы высвободить молекулу цинка и сформировать равномерное защитное покрытие на деталях. Из-за перегрева химическая реакция, формирующая защитную пленку, не происходит, и присадки перестают работать как следует. В этом случае масло распадается или ослабляется его способность «грунтовать» контактирующие поверхности деталей. Значит, поломка неизбежна!

Если давление масла слишком низкое, то между сопряженными деталями не образуется пленки масла достаточной толщины. Это позволяет деталям соприкасаться, при этом выделяется много тепла, что ведет к их повреждению. Масляной насос с высокой подачей – вот мудрое решение при увеличении оборотов.

 

Ошибки при приработке «плоских» толкателей

Особенности конструкции и высокое давление пружины делают «плоские» толкатели «звездами» при поломках кулачков на распредвалов. Для них нарушение правильной процедуры приработки неизбежно ведет к поломкам.

Поскольку плоская поверхность толкателя непосредственно контактирует с выступом кулачка, то применение надлежащего (содержащего нужные присадки) моторного масла является принципиальным. Кроме того, стоит соблюдать несколько несложных правил.

Никогда не используйте старые толкатели с новым распредвалом. Если же вы повторно используете и распредвал, и толкатели, то надо устанавливать толкатели на те же места, где они работали ранее.

Смажьте, после полной промывки, все контактирующие поверхности деталей надлежащей сборочной смазкой.

Заправьте систему смазки двигателя перед запуском, при этом надо вращать коленвал, чтобы быть уверенным, что масло заполнило все каналы, все коромысла и толкатели смазаны.

Правильно выставите фазы и опережение зажигания, а также – подачу топлива, чтобы двигатель завелся сразу и не перегревался. После запуска двигатель должен несколько секунд поработать на скорости 2000 – 2500 об/мин., чтобы масло надежно смазало клапанный механизм. Работа двигателя на холостом ходу не обеспечивает достаточной подачи масла. Если двигатель не запускается в течение первой минуты, прекратите пуск и выясните, почему мотор не заработал.

Затем двигатель пусть поработает 20-30 минут, при этом надо медленно менять обороты в диапазоне от 1500 до 3800 об/мин. Немедленно запустите его снова, если он остановится, чтобы масло не успело стечь в поддон. Сразу после этого замените масло и фильтр, а затем еще раз – через 800 км пробега.

 

Плохое масло для распредвалов с роликовыми толкателями

Посторонние загрязнения (мелкие частицы нагара или пыли, лаковые отложения) – причина № 1 повреждения подшипников в роликовых толкателях. Если повреждение «плоского» толкателя при обкатке очевидно, то в случае повреждения роликового толкателя, полученного при обкатке, последствия могут проявиться через несколько тысяч км. Но принципиальными и здесь являются правильная процедура обкатки и качество масла.

Качественное обкаточное масло должно выполнять две функции: защищать клапанный механизм и уменьшить износ колец. Если масло будет ненадлежащего качества, детали износятся слишком быстро, а продукты износа – большое количество частиц металла «убьют» подшипники в роликах.

«Правильное» масло содержит много противоизносной присадки, которая создает пленку, покрывающую микронеровности на поверхности деталей, а гладкая поверхность выдерживает большие нагрузки.

 

Рисунок 3.
Поврежденные роликовые толкатели
Правильная кинематика газораспределительного механизма

Еще одна сфера, оставленная без внимания, – это правильная кинематика движущихся деталей. При создании форсированного двигателя, процесс «смешивания и сочетания» деталей создает много возможностей для нарушения надлежащей кинематики. Тщательно исследуйте штанги толкателей и коромысла на наличие признаков нежелательных контактов. Геометрия коромысла и длина штанги толкателя должны быть проверены на обеспечивать легкое перемещение во всем диапазоне движения.

Штанги толкателей должны соответствовать оборотам и диапазону нагрузки на двигатель, а прочие детали находятся на своих посадочных местах и их перемещению ничего не мешает.

Убедитесь, что между коромыслами, клапанной крышкой, клапанными пружинами и прочими сопутствующими деталями есть зазоры, иначе, возможно, понадобится небольшая фрезеровка. Никогда не собирайте клапанный механизм так: закрутил крепеж и ушел.

Кроме того, проверьте износ вновь используемых компонентов, убедитесь, что цилиндрические детали сохранили свою форму, а отверстия, например, для толкателя с «правильной» геометрией. Изношенное отверстие толкателя вызовет смещение толкателя, и он, скорее всего, заклинит – с катастрофическими последствиями. Убедитесь, что все бывшие в употреблении и новые детали сочетаются друг с другом и могут применяться в рамках одной спецификации.

Проверьте «люфт» распредвала, если это необходимо, а также положение и кривизну кулачков. Некоторые кулачки, из-за своей формы, могут плохо сочетаться с толкателями.

 

Заключение

Правильная сборка или ремонт двигателя – дело сложное и точное. Есть много моментов, когда все может пойти неверно, и двойная проверка спецификаций и следование надлежащим процедурам всегда сэкономит время впоследствии. Не спешите гонять мотор «на максимуме» сразу после сборки и не обвиняйте распредвал, когда случилась катастрофа. Неисправность распредвала обычно имеет другую причину.

ХОТИТЕ СТАТЬ АВТОРОМ?

Пришлите свою статью


www.mehanika.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о