Механизм привода клапанов

Движение на клапаны передается от распределительного вала. Распределительный вал посредством кулачков через передаточные звенья привода передает движение клапанам. Расположение кулачков на валу обусловлено числом клапанов на цилиндр и последовательностью их открытия в зависимости от порядка работы цилиндров, схемой привода, фазами газораспределения.

Распределительный вал располагается либо в блоке, либо в головке двигателя (рис. 4.2). Такие механизмы называются с нижним расположением распределительного вала (см. рис. 4.2, а) и верхним — (рис. 4.2, б). Нижнее расположение вала применяют на дизелях, а верхнее — на бензиновых двигателях.

В двигателе Д-245 (рис. 4.2, а) клапан находится в конце длинной кинематической цепи, в которую входят клапан 3, коромысло 7, регулировочный болт 9, штанга 12, толкатель 13. В этом случае передача усилия через неравноплечие коромысла позволяет уменьшить высоту кулачка при заданном ходе клапана и снизить инерционные нагрузки в приводе клапана.

Рис. 4.2. Привод клапанов:

а — Д-245; б — ВАЗ-2110; А — тепловой зазор; 1 — шестерня промежуточная;

• 2 — поршень; 3 — клапан; 4 — головка цилиндров; 5 — втулка направляющая;
• 6 — клапанные пружины; 7 — коромысло; 8 — ось коромысел; 9 — болт регулировочный; 10 — контргайка; 11 — стойка коромысел; 12 — штанга;
• 13 — толкатель; 14 — распределительный вал; 15 — шестерня привода распределительного вала; 16 — шестерня коленчатого вала; 17 — корпус подшипника распределительного вала; 18 — седло клапана

Механизм работает следующим образом: движение от коленчатого вала 16 через промежуточную шестерню 1 передается на шестерню 15

привода распределительного вала и на вал. При повороте распределительного вала кулачок, набегая выступом на толкатель, через штангу передает движение на коромысло, которое, поворачиваясь на оси 8, нажимает на торец клапана 3, опускает его, преодолевая усилия предварительно сжатых пружин. Максимальное открытие клапана соответствует моменту нахождения толкателя на вершине кулачка. При дальнейшем повороте распределительного вала толкатель сбегает с кулачка и под действием пружин клапан возвращается на седло. Таким образом, клапан открывается под действием кулачка, а закрывается под действием пружин. Профиль кулачка обеспечивает необходимый закон открытия клапана, а пружины — безотрывное движение клапана.

В двигателе ВАЗ-2110 (см. рис. 4.2, б) применяется верхнее расположение распределительного вала.

Вследствие значительного межцентрового расстояния между валами для привода в данном случае применяют ремни. Ремень изготавливается из малостойкой резины, армированной кордом из стекловолокна. Зубья ремня для повышения износостойкости покрыты прочной эластичной тканью. Это позволяет снизить шумность работы привода, упростить его обслуживание. В двигателе ВАЗ-2110 кулачок воздействует непосредственно на клапан через цилиндрический толкатель. Ход клапана равен высоте кулачка.

Работа привода клапана следующая: при набегании кулачка 14 на толкатель 13 преодолевается усилие предварительно сжатых пружин 6 и клапан 3 открывается максимально, когда толкатель находится на вершине кулачка. При дальнейшем повороте распределительного вала под действием пружин клапан возвращается на седло 18.

Привод распределительного валаразличают в зависимости от способа передачи вращения от коленчатого вала к распределительному. Он может быть зубчатым (рис. 4.3, а) и ременным (рис. 4.3, б).

Привод распределительного вала двигателя ВАЗ-2110 осуществляется зубчатым ремнем, который приводит во вращение также шкив привода насоса системы охлаждения (см. рис. 4.3, б). Ролик 3 служит для натяжения ремня. Отверстие для крепления ролика расположено эксцентрично в его внутренней обойме. Поэтому поворотом ее относительно шпильки крепления можно изменять натяжение ремня. Натяжение считается нормальным, если в средней части ветви между шкивами распределительного и коленчатого валов ремень закручивается на 90° усилием пальцев в 1,5 и 2 кгс.

Привод зубчатыми колесами чаще всего применяется в механизмах с нижним расположением распределительного вала.

В дизеле Д-245 от коленчатого вала приводится во вращение также и топливный насос, привод распределительного вала осуществляется через промежуточную шестерню 10 (см. рис. 4.3, а).

В процессе работы двигателя на распределительный вал действуют значительные осевые усилия от косозубых зубчатых колес на самом валу и в его приводе. Для восприятия этих усилий используют стальной упорный фланец 4 (рис. 4.4, б).

Рис. 4.3. Схемы приводов ГРМ:

а — Д-245; б — ВАЗ-2110; 1 — зубчатый шкив коленчатого вала; 2 — зубчатый шкив привода насоса системы охлаждения; 3 — натяжной ролик; 4 — защитный кожух; 5 — зубчатый шкив привода распределительного вала; 6 — приводной ремень; 7 — эксцентрик натяжного ролика; 8 — шестерня коленчатого вала; 9 — шестерня привода насоса смазочной системы; 10 — шестерня промежуточная; 11 — шестерня привода топливного насоса; 12 — шестерня привода распределительного вала; 13 — шестерня привода насоса гидроусилителя; А, В — установочные метки шестерни распределительного вала;

D, Е — установочные метки шестерни коленчатого вала Для согласования работы кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов, привода топливного насоса зубчатые колеса при монтаже устанавливают по меткам (см. рис. 4.3, а).

За два оборота коленчатого вала четырехтактного двигателя должны произойти один впуск и один выпуск. Поэтому распределительный вал должен вращаться в два раза медленнее, чем коленчатый. Согласование частоты вращения распределительного и коленчатого валов определяется передаточным отношением привода, которое для четырехтактных двигателей равно 1:2.

Распределительный вал ВАЗ-2110 (рис. 4.4, а) чугунный, имеет пять опорных шеек. Гнезда подшипников выполнены в головке цилиндров и в корпусах подшипников распределительного вала. На валу расположен эксцентрик 9 для привода топливного насоса. В заднем торце распределительного вала выполнен паз для соединения вдатчиком — распределителем зажигания. Передний конец распределительного вала уплотняется самоподжимной манжетой.

От осевых перемещений распределительный вал удерживается упорным буртиком вала, располагаемым между торцем задней опоры вала и корпусом вспомогательных агрегатов. Для повышения износостойкости рабочие поверхности кулачков, эксцентрика и поверхность под манжету отбеливаются. Глубина отбеленного слоя — не менее 0,2 мм.

Рис. 4.4. Валы распределительные:

а — двигатель ВАЗ-2110; б — двигатель Д-245; 1 — болт-привода счетчика моточасов; 2 — шайба; 3 — шестерня распределительного вала;

4 — дистанционное кольцо; 5 — упорная шайба; 6 — опоры вала; 7 — кулачки впускной и выпускной; 8 — привод прерывателя-распределителя; 9 — эксцентрик привода бензонасоса; 10 — посадочное место приводной шестерни Распределительный вал Д-245 (см. рис. 4.4, б) — пятиопорный, приводится в действие от коленчатого вала через шестерню распределения. Подшипниками распределительного вала служат втулки, запрессованные в расточки блока. Передняя втулка (со стороны вентилятора) из алюминиевого сплава имеет упорный бурт, удерживающий распределительный вал от осевого перемещения, остальные втулки чугунные.

Толкателипредназначены для передачи усилия от кулачка на детали привода клапана. Толкатели двигателя ВАЗ-2110 (см. рис. 4.2, б) изготовлены в виде цилиндрических стаканов и находятся в направляющих отверстиях головки цилиндров. Поверхность, соприкасающаяся с клапаном, нитроцементируется на глубину 0.2 мм для повышения износостойкости. В верхней части толкателя имеется гнездо для регулировочной шайбы.

Толкатели двигателя Д-245 (см. рис. 4.2, а) — стальные, имеют сферические донышки. В результате того, что кулачки распределительного вала изготовлены с небольшим наклоном, толкатели в процессе работы совершают вращательное движение.

Штанга 12 служит для передачи усилия от толкателя к коромыслу, изготовлена из стального прутка. Сферическая часть, входящая внутрь толкателя, и чашка штанги закалены.

Коромысла 7 передают усилие от штанги на клапан, стальные, крепятся на оси, установленной на четырех стойках 11. Крайние стойки — повышенной жесткости. Ось коромысел 8 — полая; имеет восемь радиальных отверстий для смазки коромысел. Перемещение коромысел вдоль оси ограничивается распорными пружинами.

Клапаны (рис. 4.5) являются наиболее нагруженными деталями механизма газораспределения, так как в процессе сжатия и расширения на головку клапана действуют значительные (до 5—10 МПа) давления газов, высокие температуры и значительные инерционные нагрузки, особенно при посадке клапана. Высокие температуры газов и наличие в них агрессивных компонентов в виде соединений серы, свинца и других элементов создают благоприятные условия для интенсивного коррозионного изнашивания, а большие скорости движения газовых потоков приводят к ускоренному эрозионному изнашиванию элементов клапана. Температура головки выпускных клапанов, особенно у форсированных бензиновых двигателей, может составлять 900—1100 К, а скорость движения отработавших газов — 400—600 м/с.

Рис. 4.5. Клапаны двигателей:

а — ВАЗ-2110; б — Д-245; 1 — клапан; 2 — направляющая втулка; 3 — стопорное кольцо; 4 — маслоподжимная манжета; 5 — нижняя тарелка пружин;

• 6 — внутренняя пружина; 7 — внешняя пружина; 8 — верхняя тарелка клапана;
• 9 — сухари; 10 — толкатель; 11 — регулировочная шайба

С целью обеспечения лучшей обтекаемости и снижения гидравлических потерь переход от головки к стержню выполняется плавным и большим радиусом. Нижние поверхности головок большинства выпускных клапанов выполнены плоскими как наиболее простые в изготовлении и обладающие достаточной жесткостью.

Для повышения наполнения цилиндра диаметр головки впускного клапана стремятся увеличить, но при этом необходимо, чтобы инерционные нагрузки в приводе были возможно меньшими. Клапаны бензиновых двигателей наклонены к оси цилиндра на 7—15° для уменьшения сопротивления на впуске, так как впускной канал по длине можно выполнить с большим радиусом.

В процессе работы двигателя на фасках клапанов (особенно выпускных) образуется нагар. Наличие нагара резко ухудшает теплопередачу от клапана к седлу, при этом повышается температура головки и седла, может произойти прогар клапана.

С целью повышения надежности и герметичности сопряжения «клапан — седло» (см. рис. 4.5) его фаску 12 шлифуют, а затем притирают по месту специальными притирочными пастами, чтобы ширина контактного поясаА на фаске клапана была не менее 2 мм.

Основная часть воспринимаемой клапаном теплоты отводится через его седло при посадке клапана, что предусматривает более интенсивное охлаждение, особенно седел выпускных клапанов.

Повышение надежности данного сопряжения достигается также наплавкой на фаску специального износостойкого сплава — стеллита. Длительная и надежная работа клапанов обеспечивается не только особенностями конструкции, но и применением при их изготовлении соответствующих материалов (легированных сталей с высоким содержанием хрома, никеля и др.). Стержни клапанов на форсированных двигателях хромируют с целью улучшения износа. Торцы клапанов закаливают и шлифуют.

Направляющая втулка обеспечивает строго перпендикулярное относительно седла перемещение клапана. Наряду с направляющими втулками из серого чугуна широкое распространение получили пористые металлокерамические втулки, которые обладают хорошими обрабатываемостью и антифрикционными свойствами. Имея пористую структуру, такие втулки хорошо удерживают смазочный материал, благодаря чему снижаются темпы изнашивания стержней клапанов и самих втулок.

Зазор в сопряжении «клапан — втулка» оказывает значительное (10—20%) влияние на расход масла двигателем, так как при такте впуска создается перепад давлений между клапанной крышкой и цилиндром и масло через зазор попадает в цилиндр двигателя. Это приводит к увеличению расхода масла на угар и повышению токсичности отработавших газов. Поэтому зазор в сопряжении «клапан — втулка» стараются сделать минимальным (0,05—0,08 мм).

Направляющие втулки 5 двигателей Д-245 и ВАЗ-2110 (см. рис. 4.2) чугунные, запрессованы в головку цилиндров и от возможного выпадания удерживаются стопорными кольцами. Отверстия во втулках окончательно обрабатываются в сборе с головкой цилиндров, что обеспечивает узкий допуск на диаметр отверстия и точность его расположения по отношению к рабочим факсам седла и клапана. В направляющих втулках двигателя ВАЗ-2110 имеются спиральные канавки для смазки. У втулок впускных клапанов нарезаны до половины длины отверстия, а у втулок выпускных клапанов — по всей длине отверстия.

Для уплотнения сопряжения"направляющая втулка — клапан" на верхний конец втулки надеваются самоподжимные манжеты 4 (см. рис. 4.5) из фторкаучуковой резины со стальным армированным кольцом.

Пружины, предварительно сжатые удерживают клапан в закрытом состоянии. Пружины клапана должны также обеспечивать безотрывное, во избежание ударных нагрузок, движение деталей привода клапана в период открытия и закрытия клапанов и не должна иметь дополнительной вибрации в клапанном приводе при смене режима работы двигателя.

В случае использования двух пружин 6 и 7 (см. рис. 4.5) повышается надежность работы механизма газораспределения и уменьшаются размеры пружин. Пружины устанавливают так, чтобы направление их витков было противоположно, иначе при поломке одной из них ее витки могут попасть между витками другой.

Для образования опорной поверхности концевые витки пружины при изготовлении сближают до соприкосновения и сошлифовывают. Нижним концом пружина опирается на головку блока через специальную опорную тарелку 5, а верхним концом соединяется двумя сухарями 9 (см. рис. 4.5) с клапаном через тарелку 8.

Наиболее важным сопряжением, определяющим долговечность механизма газораспределения, является сопряжение «седло — клапан», так как оно подвержено ударным нагрузкам при посадке клапана и значительным термическим нагрузкам.

Седла впускных и выпускных клапанов двигателей, имеющих алюминиевую головку блока, изготовляют из жаропрочного чугуна, охлаждают в жидком азоте и запрессовывают.

Для обеспечения определенной скорости посадки клапана на седло профиль кулачка выполнен таким образом, чтобы скорость посадки не превышала 0,3—0,7 м/с при номинальной частоте вращения коленчатого вала.

В процессе работы двигателя клапан и детали привода клапана нагреваются, длина их увеличивается. При отсутствии зазора в приводе клапана между седлом и головкой клапана при тактах сжатия и расширения может образоваться зазор. При сжатии это приводит к снижению давления в цилиндре в конце сжатия и вытеснению части свежего заряда из цилиндра, а при расширении, вследствие высокой температуры и скорости сгорания заряда, — к обгоранию фасок клапана и седла, их эрозионному изнашиванию и в конечном счете к потере герметичности цилиндра, а следовательно, и резкому ухудшению технико-экономических показателей двигателя.

Для предотвращения этих явлений кинематическую цепь привода клапана при его закрытом состоянии размыкают, т. е. устанавливают.

зазор между торцом клапана и деталью привода, воздействующей на клапан (коромыслом или толкателем). Тепловой зазор должен быть такой, чтобы при любом режиме работы двигателя минимальное его значение было не менее 0,05 мм. В среднем тепловой зазор в зависимости от типа двигателя составляет 0,15—0,30 мм для впускного клапана. Меньшие значения теплового зазора даны для двигателей с верхним расположением распределительного вала, большие — с нижним расположением, так как в этом случае кинематическая цепь привода клапана длиннее, следовательно, изменяется при нагревании на большую величину.

Тепловой зазор в двигателе Д-245 регулируют болтом 9 (см. рис. 4.2, а), ввернутым в коромысло 8. При регулировании клапанов поршень регулируемого цилиндра должен находиться вблизи ВМТ при такте сжатия.

Тепловой зазор в двигателе ВАЗ-2110 (см. рис. 4.2, б) регулируется с помощью специальных шайб И. Зазор, А между кулачками распределительного вала и регулировочными шайбами на холодном двигателе должен быть (0,20 ± 0,05) мм для впускных клапанов и (0,35 ± 0,05) мм — для выпускных. Зазор регулируется подбором толщины регулировочных шайб 6. В запасные части поставляются регулировочные шайбы толщиной от 3 до 4,25 мм с интервалом через каждые 0,05 мм. Толщина шайбы маркируется на ее поверхности.