Механизм газораспределения.
Общее устройство и принцип действия
24. Схема верхнеклапанного механизма газораспределения.
1 — шестерня коленчатого вала; 2 — промежуточная шестерня; 3 — клапан; 4 — направляющая втулка; 5 — пружина; б — упорная тарелка; 7 — коромысло; 8 — ось коромысла; 9 — контргайка; 10 — регулировочный винт; 11 — штанга; 12 — толкатель; 13 — распределительный вал; 14 — шестерня распределительного вала.
Для впуска в цилиндры двигателя свежего заряда и выпуска продуктов сгорания необходимо в нужные моменты и при определенных углах поворота коленчатого вала соединять цилиндры с впускными и выпускными каналами. Это обеспечивается механизмом газораспределения.
Дизельный двигатель имеет клапанный механизм газораспределения с верхним (подвесным) расположением клапанов (рис. 24). Он состоит из приводной шестерни, распределительного вала, толкателей, штанг, регулировочных винтов с контргайками, коромысел и стоек, клапанных пружин с деталями крепления и клапанов.
Работа механизма газораспределения. Во время работы двигателя коленчатый вал через шестерни 1, 2 и 14 приводит во вращение распределительный вал 13. Количество кулачков распределительного вала равняется количеству клапанов, а каждый цилиндр современного тракторного дизельного двигателя имеет два клапана: впускной и выпускной.
В нужный момент кулачок подходит к толкателю 12, поднимает его, а вместе с ним и штангу 11, которая через регулировочный винт 10 давит на плечо коромысла 7. Коромысло поворачивается вокруг оси 8 и другим плечом нажимает на клапан 3, сжимая при этом пружину 5. Между головкой клапана и седлом образуется зазор, благодаря которому надпоршневая полость цилиндра сообщается с атмосферой.
Закрываются клапаны под действием пружин. Скорость подъема и опускания клапанов, а следовательно, и продолжительность времени, когда открыто сообщение между надпоршневой полостью и атмосферой, зависят от профиля кулачков. Необходимая последовательность от-
инять цилиндры с впускными и выпускными каналами. Это обеспечивается механизмом газораспределения.
Дизельный двигатель имеет клапанный механизм газораспределения с верхним (подвесным) расположением клапанов (рис. 24). Он состоит из приводной шестерни, распределительного вала, толкателей, штанг, регулировочных винтов с контргайками, коро- мысел и стоек, клапанных пружин с деталями крепления и клапанов.
Работа механизма газораспределения. Во время работы двигателя коленчатый вал через шестерни 1, 2 и 14 приводит во вращение распределительный вал 13. Количество кулачков распределительного вала равняется количеству клапанов, а каждый цилиндр современного тракторного дизельного двигателя имеет два клапана: впускной и выпускной.
В нужный момент кулачок подходит к толкателю 12, поднимает его, а вместе с ним и штангу 11, которая через регулировочный винт 10 давит на плечо коромысла 7. Коромысло поворачивается вокруг оси 8 и другим плечом нажимает на клапан 3, сжимая при этом пружину 5. Между головкой клапана и седлом образуется зазор, благодаря которому надпоршневая полость цилиндра сообщается с атмосферой.
Закрываются клапаны под действием пружин. Скорость подъема и опускания клапанов, а следовательно, и продолжительность времени, когда открыто сообщение между надпоршневой полостью и атмосферой, зависят от профиля кулачков. Необходимая последовательность открытия клапанов цилиндров соответствует порядку работы двигателя и достигается определенным размещением кулачков на валу.
Клапаны должны открываться и закрываться при определенных положениях поршней в цилиндрах. Согласованность действия газораспределительного и кривошипно-ша-тунного механизмов обеспечивается установкой распределительных шестерен по специальным меткам.
Шестерня распределительного вала 14 имеет вдвое больше зубьев, чем шестерня коленчатого вала 1, что обеспечивает вдвое меньшую частоту вращения распределительного вала по отношению к коленчатому. Таким образом, за два оборота коленчатого вала, т. е. за рабочий цикл, впускные и выпускные клапаны открываются только по одному разу.
Во время работы двигателя его детали нагреваются, в результате чего их размеры увеличиваются. Чтобы компенсировать удлинение подвижных деталей механизма газораспределения (рис. 24), нарушающее плотность посадки клапанов в седлах, предусмотрен тепловой зазор. Он устанавливается регулировочным винтом 10 между клапаном и бойком коромысла (в пределах 0,25—0,5 мм). Отклонение величин зазоров от установленных для данного двигателя нарушает его работу и может привести к поломке деталей.
Так, недостаточный зазор приводит к неплотной посадке клапана в седле, прорыву через зазор горячих газов и перегреву клапана (возможно коробление тарелки клапана и обгорание рабочей фаски).
Увеличенный зазор сокращает время и уменьшает величину открытия клапана, вследствие чего уменьшается наполнение цилиндра свежим зарядом и ухудшается очистка цилиндра от продуктов сгорания. Работа двигателя с увеличенными тепловыми зазорами сопровождается звонкими стуками
Детали механизма газораспределения
Приводная шестерня механизма газораспределения расположена у большинства двигателей в передней части в специальном картере (рис. 27).
Во многих двигателях направление вращения распределительного вала совпадает с направлением вращения коленчатого. Поэтому между шестернями этих валов устанавливается промежуточная шестерня 2. Если распределительный и коленчатый валы вращаются в разные стороны, как, например, у двигателях СМД-60 и СМД-62, то промежуточная шестерня отсутствует.
27. Схемы расположения шестерен привода различных механизмов двигателя:
а — А-41; б — СМД-60 и СМД-62; D — СМД-14; г —Д-240; д — Д-37Е и Д-144; 1 — шестерня коленчатого вала; 2 — промежуточная шестерня; 3 — шестерня привода насоса гидроусилителя; 4 — шестерня привода топливного насоса; 5 — шестерня привода механизма газораспределения; 6 — шестерня привода насоса гидросистемы; 7 — шестерня приво-да масляного насоса.
27. Схемы расположения шестерен привода различных механизмов двигателя
Правильная установка шестерен обеспечивается сборкой по буквенным меткам, нанесенным возле зубьев или впадин.
У двигателя А-41 (рис. 27, а) шестерня коленчатого вала через промежуточную приводит во вращение шестерни привода топливного насоса 4 и механизма газораспределения 5. Шестерни привода гидронасосов и масляного насоса устанавливаются произвольно, остальные —по меткам, обозначенным одинаковыми буквами.
В двигателях СМД-60 и СМД-62 шестерни привода распределительного вала и топливного насоса (рис. 27, б) размещены со стороны маховика. Промежуточная шестерня и шестерня распределительного вала скреплены между собой болтами и образуют блок шестерен. Для правильной сборки на шестернях имеются метки. Метка «К» на шестерне привода механизма газораспределения должна быть совмещена с риской на шестерне коленчатого вала. Метка «Т» на промежуточной шестерне должна быть совмещена с меткой «Р» на шестерне привода топливного насоса.
Метки на распределительных шестернях двигателей СМД-14 показаны на рис. 27, в. Буквы «К» и «Р» на промежуточной шестерне должны совпадать с такими же на шестернях коленчатого и распределительного валов, а буква «Т» с буквой «Т» (в вихрекамерных дизелях без наддува) или «Н» (в дизелях с камерой в поршне и с наддувом) на шестерне привода топливного насоса.
На промежуточной шестерне и шестернях коленчатого, распределительного и вала привода топливного насоса двигателя Д-240 (рис. 27, г) нанесены метки «С», которые нужно совместить при сборке. В двигателях Д-37 и Д-144 сопряжение шестерен коленчатого вала и промежуточной обозначено буквой «О» (рис. 27, д), промежуточной и распределительного вала —буквой «Р»; промежуточной и топливного насоса— буквой «Т».
28. Детали механизма газораспределения двигателя СМД 14 и его Модификаций.
Распределительный вал (рис. 28) имеет кулачки 20, опорные шейки и фланец крепления приводной шестерни 21. Вал стальной, его рабочие поверхности (кулачки и шейки) закаливают токами высокой частоты на небольшую глубину с последующей шлифовкой. Такая обработка позволяет достичь твердой, износостойкой рабочей поверхности при сохранении упругости вала в целом.
Подшипниками валов служат отверстия, расточенные непосредственно в блок-картере (СМД-60, СМД-62 — кроме заднего) или запресованные и расточенные по размеру шеек втулки, изготовленные из антифрикционного чугуна (Д-37Е, Д-144, Д-240 — средняя и задняя) или бронзы (Д-240 — передняя, СМД-60, СМД-62 — задняя, СМД-14 — передняя).
У большинства двигателей опорные шейки имеют разные диаметры: со стороны приводной шестерни наибольший, с противоположной — наименьший. Эта конструктивная особенность обусловлена тем, что при сборочных работах распределительный вал вставляется в отверстия с торца картера двигателя.
Осевое перемещение (разбег) распределительного вала ограничивается разными способами (рис. 29).
В двигателях СМД-14 (рис. 29, а) осевое перемещение вала в сторону приводной шестерни 1 ограничивается упором подпятника 2 в упорный винт 10, ввернутый в крышку картера распределительных шестерен. Перемещение вала в обратную сторону ограничивается буртиком на втулке 3.
В случае вывинчивания упорного винта, а также после снятия и последующей установки крышки распределительных шестерен нужно отрегулировать осевой разбег вала путем заворачивания винта до упора в подпятник с последующим отворачиванием на пол-оборота. В таком положении винт фиксируется контргайкой.
Осевой разбег распределительных валов двигателей Д-21А, Д-37Е, Д-144 ограничивается аналогично описанному выше. Разница только в том (рис. 29, б), что подпятник 2 упирается непосрдественнно в прилив крышки картера распределительных шестерен.
29. Схема устройств, ограничивающих осевое перемещение распределительных валов.
а, б — ограничение перемещения штифтом; в — ограничение перемещения фланцем; 1 — шестерня; 2 — подпятник; 3 — втулка; 4 — распределительный вал; 5 — упорный фланец; 6 — дистанционная втулка; 7 — упорное кольцо; 8 — штифт; 9 — крышка картера распределительных шестерен; 10 — упорный винт; Р — возможное осевое перемещение вала.
У остальных рассматриваемых двигателей осевое перемещение валов ограничивается (рис. 29, в) фланцами и кольцами.
Перемещение вала в сторону шестерни ограничивается упорным фланцем 5, прикрепленным болтами к стенке блок-картера; движение в обратную сторону — упорным кольцом 7. Нормальный разбег распределительного вала составляет 0,1—0,28 мм. Толкатели передают усилие от кулачков распределительного вала на штанги. Их изготавливают из стали или чугуна.
Применяются толкатели (рис. 30) грибовидные с плоской опорной поверхностью, цилиндрические со сферической опорной поверхностью и рычажного типа с роликами.
30. Конструкции толкателей.
а — грибовидный с плоской опорной поверхностью; б — цилиндрический со сферической опорной поверхностью; в — роликовый: 1 — рычаг; 2 — ось рычага; 3 — втулка; 4 — ролик; 5 — игольчатый подшипник; 6 — ось ролика; 7 — пята; 8 — распределительный вал; 9 — кулачок; 10 — толкатель; 11 — направляющая втулка.
Разнообразие конструкций вызвано стремлением максимально уменьшить износ трущихся поверхностей. С этой целью толкатель (рис. 30, а) относительно кулачка распределительного вала размещен так, что их оси смещены на 1—2 мм (двигатели СМД). Если опорная поверхность толкателя сферическая (рис. 30, б), то он работает в паре с конусным кулачком распределительного вала (Д-240). Такие конструкции обеспечивают толкателям возможность совершать во время работы двигателя одновременно с возвратно-поступательным и вращательное движение. Это способствует равномерному износу опорных и направляющих поверхностей толкателей. Направляющими поверхностями толкателей являются втулки из антифрикционного чугуна либо стенки отверстий в блок-картерах.
Применение роликового толкателя (рис. 30, в) заменяет трение скольжения в контакте поверхностей толкателя и кулачка на трение качения (А-41).
Толкатель колеблется на полой оси 2, установленной в прикрепленной болтами к блок-картеру опоре. В его головку запрессована втулка 3, в другом конце в специальном гнезде — термически обработанная стальная пята 7 сферической формы, в ушке — ось ролика 6. Ролик вращается на игольчатом подшипнике 5.
Штанга (см. рис. 28) 11—это стальной (Д-240, СМД-60, СМД-62) стержень, стальная (А-41) или дюралюминиевая (Д-21А, Д-37Е, Д-144) трубка. Трубчатые штанги имеют стальные наконечники. Рабочие поверхности штанг для уменьшения износа закалены.
Коромысло (см. рис. 28) 6 представляет собой стальной неравноплечий рычаг, свободно установленный на оси 3. Ось укреплена на стойках 4, прикрепленных болтами к головке блок-картера.
В резьбовом отверстии короткого плеча коромысла при помощи контргайки крепится регулировочный винт 8, предназначенный для установки и изменения теплового зазора в механизме газораспределения.
Длинное плечо коромысла заканчивается утолщением (бойком), рабочая поверхность которого для уменьшения износа закаляется и полируется.
Разной длиной плеч коромысла достигается необходимый ход клапана при сравнительно малом ходе передающих деталей (толкателя, штанги), что уменьшает инерционные силы возвратно-поступательно движущихся деталей.
Поверхности трения смазываются маслом, которое подводится по трубчатой оси к втулкам и по сверлениям в,коромысле — к регулировочному винту.
Клапан — сообщает или разобщает полость цилиндра с атмосферой. Клапан состоит из головки (тарелки) и стержня (тела). Для плотной посадки клапана в седле и, следовательно, надежного разобщения надпоршневой полости и атмосферы тарелка клапана имеет фаску, шлифованную обычно под углом 45°. Такая же фаска придана седлу клапана в головке блока цилиндров. В процессе сборки фаски клапанов притираются к фаскам седел при помощи специальных паст.
Для улучшения наполнения цилиндров свежим зарядом тарелки впускных клапанов многих двигателей имеют диаметр несколько больше, чем выпускных.
Стержень клапана обеспечивает ему направление движения и крепление, а также отвод тепла от головки.
Плавный переход от головки к телу придает клапану большую прочность, способствует лучшему отводу тепла от головки и уменьшает сопротивление движению воздуха или продуктов сгорания.
Клапаны работают в неблагоприятных условиях. Впускные клапаны нагреваются до 300—400°С, выпускные — до 600—800°С. Тарелки клапанов подвергаются агрессивному действию сгорающих газов, а стержни движутся в условиях полусухого трения. Поэтому материал клапанов должен быть прочным, противостоять коррозии и стиранию. Этим требованиям удовлетворяет высоколегированная сталь.
Впускные клапаны тракторных дизелей изготовлены из хромоникелевой или хромистой стали, а выпускные—из жаростойкой. Иногда из жаростойкой стали выполняют и впускные клапаны (Д-240, СМД-60, СМД-62).
Стержни клапанов располагаются в чугунных, стальных, металлокерамических или биметаллических направляющих втулках, запресованных в головки блоков цилиндров. Meталлокерамика — смесь из порошков металла и керамики, спрессованная под большим давлением и спекаемая при высокой температуре в детали нужной формы. Пористая поверхность втулок из металлокерамики улучшает смазку сопрягаемых деталей.
Пружины (см. рис. 28) 2 создают усилие, необходимое для закрытия клапана и плотной его посадки в седло. Клапанные пружины одним концом упираются в головку цилиндров, а другим — в тарелку клапана. У большинства рассматриваемых двигателей (за исключением Д-21А и Д-37Е) применяется две пружины. Это вызвано необходимостью предупреждения резонансных явлений.
Возникающие резонансные колебания одной пружины гасятся другой, имеющей иные шаг витков и диаметр. Однако наличие двух пружин повышает надежность работы механизма газораспределения, так как при поломке одной пружины клапан удерживается другой. Пружины располагаются на клапане навивкой в противоположные стороны для предупреждения их заклинивания в случае поломки.
Клапанные пружины двигателей Д-21А и Д-37Е выполнены с переменным шагом витков. Удерживаются клапаны при помощи сухариков и тарелок пружин.
Для установки сухариков (разрезной конической шайбы) в противоположном головке конце клапана предусмотрена выточка. Сухарики обжимаются тарелкой пружин и таким образом удерживают в ней клапан. В двигателях А-41, СМД-60, СМД-62 между тарелкой пружины и сухариками установлена закаленная втулка, что обеспечивает клапану возможность поворачиваться относительно тарелки. Это благоприятно отражается на работоспособности трущихся поверхностей клапана, обеспечивая их равномерный износ.
Система питания
Общее устройство и принцип действия системы питания
Система питания дизельного двигателя обеспечивает раздельную подачу воздуха и топлива в цилиндры, а также отвод из них продуктов сгорания в окружающую среду.
В зависимости от выполняемых функций элементы системы питания можно условно разделить на три группы: приборы, обеспечивающие подачу воздуха; приборы, обеспечивающие подачу топлива; приборы, обеспечивающие отвод отработавших газов в атмосферу.
Рассмотрим общее устройство системы питания на примере двигателя Д-240 (рис. 32).
32. Система питания двигателя Д-240 (тракторов МТЗ-80, МТЗ-82, Т-70С
1 — глушитель; 2 — воздухоочиститель; 3 — электрофакельный подогреватель; 4, 14 — топливопроводы низкого давления; 5 — дренажная трубка; 6 — топливопровод высокого давления; 7— заливная горловина; 8—баки; 9 — топливомерная трубка; 10 — сливной кран; 11 и 13 — фильтры грубой и тонкой очистки топлива; 12 — продувочный вентиль; 15 — регулятор топливного насоса высокого давления; 16 — рычаг регулятора; 17 — подкачивающий насос с насосом ручной подкачки; 18 — перепускной топливопровод; 19 — топливный насос высокого давления; 20—форсунка; 21 — камера сгорания; 22 — выпускной коллектор; 23 — заслонка аварийной остановки двигателя.
Воздух, засасываемый в цилиндры двигателя при тактах впуска, очищается в воздухоочистителе.
Воздухоочистители, в которых применяются несколько способов очистки воздуха, называются комбинированными. Именно такие в настоящее время применяются на тракторах.
Итак, очистку и подачу воздуха в цилиндры двигателя обеспечивают воздухоочиститель, впускная труба и впускной коллектор. Во впускной трубе некоторых двигателей установлена заслонка 23, предназначенная для немедленной остановки двигателя в аварийной ситуации.
При наличии турбокомпрессора (СМД-60, СМД-62) подача воздуха в цилиндры осуществляется более сложным путем: воздух нагнетается центробежным компрессором, который имеет привод от турбины, приводимой в действие отработавшими газами, выходящими через выпускную трубу и глушитель в атмосферу.
К элементам системы подачи топлива относятся топливный бак 8, фильтры грубой 11 и тонкой 13 очистки топлива, подкачивающий насос 17, насос высокого давления 19, форсунки 20, топливопроводы низкого 4, 14 и высокого 6 давления.
В системах питания применяют топливные насосы высокого давления, имеющие число насосных секций, равное числу цилиндров двигателя. Однако в последнее время активно внедряются топливные насосы распределительного типа которые имеют одну или две секции и обеспечивают дозировку, нагнетание и распределение топлива по цилиндрам в необходимой последовательности.
Отвод продуктов сгорания из цилиндров обеспечивается выпускным коллектором 22 и глушителем 1
Действует система питания следующим образом.
Топливо из расходного бака 8 самотеком поступает в Фильтр грубой очистки 11. Очищенное от грубых механических примесей топливо отсасывается гюд^ч.тающим нягосом 17 и нагнетается под давлением примерно 0,2 MПa в фильтр тонкой очистки 13. От фильтра тонкой очистки топливо подается в головку топливного насоса 19, а оттуда — к его секциям. Поскольку к насосу топливо подается с избытком, чтобы избежать подсоса воздуха, часть его перепускается специальным клапаном и возвращается по топливопроводу 18 в подкачивающий насос.
В некоторых двигателях (СМД-60, СМД-62 и др.) топливо отводится не к подкачивающему насосу, а в бак. Это исключает излишний подогрев, уменьшение цикловой подачи топлива и снижение мощности двигателя.
Секции топливного насоса в соответствии с порядком работы цилиндров двигателя и в необходимом количестве подают топливо по топливопроводам высокого давления 6 к форсункам 20, которые впрыскивают его под давлением в пределах 17,5 МПа в камеры сгорания. Топливо, просочившееся через зазоры между деталями форсунок, отводится дренажными трубками 5 в бак.
Очищенный воздушным фильтром 2 воздух поступает во время такта впуска через впускную трубу и впускной коллектор в цилиндр. При такте сжатия он сжимается и нагревается Подача в эту среду струи мелкораспыленного топлива приводит к образованию топливо-воздушной смеси, которая самовоспламеняется.
33. Схема типовой топливной системы тракторного дизельного двигателя.
1—топливозаборник с краном; 2 — сливной кран; 3 — отстойник; 4 — датчик сигнализатора воды; 5 — топливный бак: 6 — сетчатый фильтр; 7 — насос ручной подкачки; 8 — подкачивающий насос; 9 — клапан удаления воздуха; 10 — фильтр тонкой очистки; 11 — насос высокого давления; 12 — дроссель; 13 — датчик сигнализатора загрязненности фильтров; 14 — перепускной клапан.
Заданный скоростной режим работы двигателя поддерживается регулятором 15, который автоматически изменяет подачу топлива в цилиндры при изменении нагрузки. Рычаг регулятора 16 служит для включения и изменения подачи топлива в цилиндры.
Насос ручной подкачки обеспечивает заполнение системы топливом и удаление из нее воздуха.
В результате проведенных научно-исследовательских работ по совершенствованию топливных систем дизелей в части повышения качества очистки топлива и улучшения приспособленности к техническому обслуживанию разработана- и внедряется тракторными заводами типовая система подачи топлива, представленная на рис. 33. Характерными особенностями такой системы являются следующие.
1. Применен сигнализатор, дающий оперативную информацию о накоплении воды в отстое, образующемся в баке, с целыо своевременного ее удаления. Контроль производится дистанционно, из кабины трактора.
Принцип работы сигнализатора основан на существенном различии электрического сопротивления воды и дизельного топлива.
Датчик сигнализатора (рис. 34) представляет собой электрод 4, изолированный от корпуса отстойника и связанный с пороговой электрической схемой, состоящей из транзистора 5, источника питания постоянного тока 7, сигнальной лампы 6.
34. Сигнализатор воды в отстойнике.
1 — отстойник; 2—вода; 3 — топливо; 4 —электрод; 5 — транзистор; 6 — сигнальная лампа; 7 — источник питания.
При достижении водой определенного уровня (обусловленного расположением датчика) резко снижается сопротивление между датчиком и корпусом отстойника. В результате возрастает сила тока в базовой цепи транзистора: транзистор открывается, возрастает сила тока в цепи эмиттера с источником питания, и загорается сигнальная лампа, установленная на щитке приборов.
2. Применен сигнализатор состояния фильтра тонкой очистки и топливоподкачивающего насоса. Для обеспечения надежного наполнения топливом насоса высокого давления, сохранения его производительности и мощности двигателя на всех режимах его работы необходимо, чтобы давление подаваемого к насосу топлива было не ниже определенного (минимального) значения. Снижение давления может быть обусловлено загрязнением фильтра тонкой очистки, повышенным износом топливо-подкачивающего насоса или неисправностью перепускного клапана.
Сигнализатор представляет собой датчик мембранного типа 13 (см. рис. 33), соединенный с сигнальной лампочкой, и дроссель 12, необходимый для демпфирования колебаний топлива в полости датчика. Питается сигнализатор от электрооборудования трактора. Загорание лампочки информирует тракториста о том, что давление топлива подаваемого к топливному насосу высокого давления ниже критического.
3. В контуре перепуска топлива из фильтра тонкой очистки в бак установлен клапан, обеспечивающий эффективную предпусковую прокачку топливной системы и автоматическое удаление воздуха в процессе работы.
Рабочее оборудование
Общие сведения
Рабочее оборудование предназначено для присоединения к трактору различных сельскохозяйственных машин и орудий, управления ими с рабочего места тракториста, а также для привода активных рабочих органов агрегатируемых стационарных машин. Для присоединения к трактору навесных и полунавесных машин и орудий, управления ими, а также гидрофицированными прицепными машинами предназначена гидравлическая навесная система. Для присоединения прицепных машин и орудий, прицепов и полуприцепов предназначено прицепное устройство.
Активные рабочие органы агрегатируемых сельскохозяйственных машин приводятся в движение с помощью ВОМ, а некоторых стационарных машин (например, измельчитель грубых кормов)—с помощью приводного шкива.
На современных тракторах отечественного производства устанавливают унифицированную гидравлическую навесную раздельно-агрегатную систему, которая облегчает труд тракториста, позволяет улучшать тягово-сцепные качества колесных универсально-пропашных тракторов, путем изменения нагрузки на ведущие колеса, обеспечивает автоматическое соединение трактора с навесными машинами и орудиями.
Трактор, оборудованный навесной системой, вместе с навешенной машиной (орудием) образует навесной агрегат, который по сравнению с прицепным обладает некоторыми преимуществами: хорошей маневренностью, относительно малой металлоемкостью, меньшим расходом топлива на единицу выполненной работы.
studfiles.net
Механизм газораспределения должен удовлетворять следующим основным требованиям: своевременно открывать и закрывать впускные и выпускные отверстия цилиндров двигателя, обеспечивать возможно лучшее наполнение цилиндров свежим зарядом и очистку цилиндров от отработавших газов; надёжно изолировать внутреннее пространство цилиндров от окружающей среды во время тактов сжатия и рабочего хода.
Механизмы газораспределения в зависимости от конструкции подразделяют на: клапанные, оконные, золотниковые и смешанные.
В современных автотракторных двигателях получил широкое применение клапанный механизм газораспределения. В зависимости от расположения клапанов различают три вида механизмов: с нижними (боковыми) клапанами, которые расположены в блоке цилиндров; с верхними (подвесными) клапанами, расположенными в головке цилиндров; смешанный или комбинированный, при котором клапаны располагаются в блоке и головке цилиндров.
Механизм с нижним расположением клапанов более прост и дешев в изготовлении. Но при этом конструктивно удлиняется камера сгорания и тем самым увеличивается поверхность охлаждения. В такой камере увеличивается длина пути пламени, а, следовательно, и время процесса сгорания топлива, что способствует возникновению детонации. В свою очередь детонация ограничивает возможность увеличения степени сжатия для повышения мощности и экономичности двигателей.
Рис. 1.10. Верхнеклапанный ГРМ
Механизм газораспределения с верхним расположением клапанов конструктивно сложнее механизма с нижним расположением клапанов, однако он обеспечивает лучшее наполнение цилиндров, увеличение степени сжатия, понижения тепловых потерь через стенки камеры сгорания и, следовательно уменьшает удельный расход топлива.
Например, дизели имеют в основном механизмы газораспределения с верхним расположением клапанов. Это объясняется тем, что дизели имеют высокую степень сжатия, а значит и малый объём камеры сгорания. При этом клапан можно разместить только в головке цилиндров, т.к. размещение их в блоке цилиндров неизбежно привело бы к увеличению объёма камеры сгорания.
Механизм газораспределения с верхним расположением клапанов состоит из распределительного вала с кулачками, толкателей, штанг, коромысел, клапанов, направляющих втулок, клапанных пружин.
Вращение от коленвала двигателя через зубчатые колёса передаётся на распредвал. Кулачёк распредвала поднимает толкатель, который передаёт усилие на штангу, поворачивающую коромысло. Коромысло передаёт усилие на стержень клапана и, преодолевая сопротивление клапанных пружин, заставляет его перемещаться и открывать впускное отверстие. Клапаны перемещаются в направляющей втулке, запрессованной в головке блока цилиндров.
Максимальное открытие клапана происходит в то время, когда толкатель находится на вершине кулачка распредвала. При дальнейшем повороте распределительного вала кулачёк выходит из-под толкателя, и клапан под действием пружин занимает прежнее место, плотно закрывая отверстие канала в головке цилиндров.
При работе двигателя стержень клапана и детали передачи нагреваются и удлиняются. Чтобы удлинение деталей передачи не препятствовало плотной посадке головки клапана в гнезде, между стержнем клапана и толкателем или коромыслом предусмотрен зазор. При слишком больших зазорах уменьшается высота подъёма клапанов, вследствие чего ухудшается наполнение и очистка цилиндров, растут ударные нагрузки и увеличивается износ деталей механизма газораспределения.
При отсутствии зазора не обеспечивается герметичность камеры сгорания, двигатель теряет компрессию, перегревается и не развивает полной мощности. Неполное закрытие клапанов приводит к обгоранию фасок клапанов.
Тепловой зазор регулируется на холодном механизме. Для впускных клапанов он составляет 0,15…0,3 мм, для выпускных, которые при работе подвергаются большему нагреву – 0,25…0,4 мм. Конкретно для каждого типа двигателя размеры зазоров определяют в зависимости от материала деталей механизма газораспределения и конструкции двигателя. Величины зазоров указаны в заводской инструкции.
Распределительные шестерни служат для привода распределительного вала, топливного и масляного насосов и других механизмов двигателя. При сборке двигателя зубчатые колёса, посредством которых приводится от коленчатого вала распределительный вал, устанавливают по специальным меткам, обеспечивающим правильную установку фаз газораспределения.
Распределительный вал служит для открытия впускных и выпускных клапанов, открытие производится кулачками распределительного вала. Распределительный вал – стальной. Кулачки изготавливаются за одно целое с валом. Вал, установленный в опорах блока цилиндров или головке блока, вращается в подшипниках скольжения. Опорные поверхности валов и рабочие поверхности кулачков подвергают цементации с последующей закалкой токами высокой частоты. Распредвал может располагаться в картере двигателя либо в головке блока цилиндров. Существуют двигатели с двумя распредвалами в головке цилиндров (в многоклапанных ДВС). Один используется для управления впускными клапанами, второй – выпускными. Такая конструкция называется DOHC (Double Overhead Camshaft). Если распредвал один, то такой ГРМ именуется SOHC (Single OverHead Camshaft). Распредвал вращается на цилиндрических шлифованных опорных шейках.
Рис. 1.11. Привод распредвала
Привод клапанов осуществляется расположенными на распределительном валу кулачками. Количество кулачков зависит от числа клапанов. В разных конструкциях двигателей может быть от двух до пяти клапанов на цилиндр (3 клапана – два впускных, один выпускной; 4 клапана – два впускных, два выпускных; 5 клапанов – три впускных, два выпускных). Форма кулачков определяет моменты открытия и закрытия клапанов, а также высоту их подъема.
 |  |
| Рис. 1.12. Распредвал | Рис. 1.13. Привод клапанов коромыслами |
Толкатель служит для передачи усилия от кулачка распредвала на стержень клапана или штангу. Одновременно он воспринимает боковое усилие, возникающее от вращательного движения кулачка. Толкатели изготавливают из чугуна или стали. Направляющую цилиндрическую часть толкателя для уменьшения массы часто делают пустотелой.
Существует три варианта исполнения толкателей – механические (жесткие), гидротолкатели (гидрокомпенсаторы) и роликовые толкатели. Первый тип в современных моторах практически не используется, в связи с большой шумностью работы и необходимостью частой регулировки зазора клапанов. Второй тип наиболее широко применяется, так как не требует настройки и регулировки теплового зазора, а работа отличается мягкостью и гораздо меньшим шумом. Гидрокомпенсатор состоит из цилиндра, поршня с пружиной, обратного клапана и каналов для подвода масла. Работа гидрокомпенсатора основана на свойстве несжимаемости моторного масла, которое постоянно заполняет его внутреннюю полость и перемещает поршень при появлении зазора в приводе клапана. Роликовые толкатели чаще всего применяются в спортивных и форсированных двигателях, так как позволяют улучшить динамические характеристики автомобиля за счет снижения трения. В месте контакта с кулачком распредвала у них находится ролик. Поэтому кулачок не трется, а катится по толкателю. Вследствие этого роликовые толкатели выдерживают более высокие нагрузки и обороты, а также позволяют обеспечить более высокий подъем клапанов. Недостатки – большая стоимость, вес и большие нагрузки на детали ГРМ.
Рис. 1.14. Устройство и принцип работы гидрокомпенсаторов
Кулачок распредвала, повернутый к толкателю тыльной стороной, непередает на него усилие и плунжерная пружина выдвигает плунжер извтулки, выбирая зазор. В увеличившийся объем полости под плунжеромчерез шариковый клапан поступает масло из системы смазки. После ее заполнения шариковый клапан закрывается под действием своей пружины.
Поворачиваясь выпуклой стороной к толкателю, кулачок начинаетперемещать его вниз. В этот момент гидрокомпенсатор передает усилие наклапан ГРМ как «жесткий» элемент, так как шариковый клапан закрыт, амасло в замкнутой полости под плунжером практически не сжимается.
При перемещении толкателя и, соответственно, плунжерной пары внизнебольшая часть масла выдавливается через зазоры из полости подплунжером. Длина гидрокомпенсатора незначительно уменьшается иобразуется зазор (упомянутый выше) между кулачком и толкателем. Утечкикомпенсируются дополнительной порцией масла из системы смазки двигателя.
Расширение деталей при нагреве приводит к изменению объема«пополняющей» порции масла и длины гидрокомпенсатора, то есть онавтоматически «выбирает» зазор как от теплового расширения, так и отизноса деталей ГРМ.
Штанга передаёт движение толкателя к коромыслу. Штанга представляет собой стальной стержень трубчатого сечения с двумя стальными наконечниками, которые подвергают цементации и закалке.
Коромысло служит для передачи движения от штанги к клапану. Оно представляет собой стальной двухплечевой рычаг с плечами различной длины.
Клапаны предназначены для открытия и закрытия впускных и выпускных отверстий цилиндров двигателя. Клапаны состоят из головки, направляющего стержня и хвостовика. В современных двигателях применяют клапаны с плоской, тюльпанообразной и сферической головками. Наиболее распространены клапаны с плоской головкой, основным преимуществом которых является малая поверхность нагрева. Тюльпанообразные головки клапанов обладают хорошей обтекаемостью и поэтому их применяют в основном для впускных клапанов. Сферическую головку клапана чаще делают у выпускных клапанов.
Края впускного и выпускного отверстия в головке блока двигателя конические с углом 450 и 300, образующие гнездо клапана. Боковая часть головки клапана (фаска) имеет конусную поверхность, выполненную под тем же углом. Конусные поверхности гнезда и головки клапана обеспечивают плотное прилегание. Для лучшего прилегания производится притирка соприкасающихся поверхностей клапана и гнезда.
Переход от головки клапана к стержню делается плавным, чем достигается увеличение прочности клапана, улучшение отвода тепла от головки и уменьшение сопротивления потоку газов. Для лучшего наполнения цилиндров горючей смесью головки впускных клапанов часто имеют больший диаметр, чем головки выпускных клапанов.
Клапанные пружины обеспечивают плотное закрытие клапанов и воспринимают инерционные усилия, возникающие в клапанном механизме при работе двигателя. Наиболее распространены цилиндрические спиральные пружины.
Рис. 1.15. Клапаны и пружины
Для лучшего наполнения цилиндров двигателя свежим зарядом и более полной очистки их от отработавших газов, открытие и закрытие клапанов производится не в тот момент, когда поршень находится в мёртвых точках, а с некоторым опережением при открытии и запаздыванием при закрытии.
Периоды открытия и закрытия клапанов, выраженные в углах поворота коленчатого вала (φПКВ) называются фазами газораспределения.
Например, у быстроходных дизелей открытие впускного клапана обычно происходит раньше, чем поршень приходит в ВМТ (с опережением). Опережение открытия впускного клапана изменяется примерно от 8 до 20 по повороту коленчатого вала. Это позволяет увеличить продолжительность впуска воздуха и использовать его инерционный напор.
Закрытие впускного клапана происходит с запаздыванием, т.е. после того, как поршень пройдёт НМТ. Это обеспечивает дополнительное поступление воздуха в цилиндр за счёт инерции воздуха и разности давлений, запаздывание закрытия впускного клапана изменяется в пределах от 370 до 560 поворота коленчатого вала.
Следовательно, фазы открытия впускных клапанов рассматриваемых дизельных двигателей будут от 2250 до 2560 .
Открытие впускного клапана происходит с опережением, т.е. до прихода поршня в НМТ, что ведёт к снижению затрат мощности на выталкивание продуктов сгорания. Опережение открытия выпускного клапана у современных дизелей колеблется в пределах от 470 до 560 по углу поворота коленчатого вала.
Закрытие выпускного клапана происходит с запаздыванием, т.е. после прохождения поршнем ВМТ. Угол запаздывания составляет 10-200. Фазы открытия выпускных клапанов будут 237-2560 по углу поворота коленчатого вала.
Так как открытие впускного клапана происходит до закрытия выпускного клапана, то возникает такой период, когда оба клапана открыты одновременно. Этот период называется перекрытием клапанов и выражается в градусах поворота коленчатого вала.
Моменты открытия и закрытия клапанов и величина перекрытия зависят от назначения, быстроходности и конструктивных особенностей двигателя.
Соблюдение фаз газораспределения обеспечивается формой и взаиморасположением кулачков на распределительном валу.
Рис. 1.16. Диаграмма фаз газораспределения
Лекция № 4
Читайте также:
lektsia.com
Категория:
Автомобили и трактора
Механизм газораспределенияМеханизм газораспределения служит для обеспечения своевременного впуска в цилиндры двигателя горючей смеси или воздуха и выпуска из цилиндров отработавших газов. Газораспределительные механизмы бывают оконные (бесклапанные), клапанные, золотниковые и смешанные.
Оконный механизм применяется в двухтактных двигателях с кри-вошипно-камерной продувкой. В этом механизме поршень, совершая возвратно-поступательное движение, открывает и закрывает впускные, перепускные и выпускные окна цилиндров.
Клапанный механизм получил наибольшее распространение в четырехтактных двигателях как наиболее простой, надежный, долговечный и обеспечивающий достаточно хорошее наполнение и очистку цилиндров. Впускные и выпускные отверстия цилиндров открываются и закрываются клапанами, управляемыми специальным механизмом.
Рис. 1. Крепление двигателя на раме
Золотниковый механизм открывает и закрывает впускные и выпускные отверстия цилиндра поступательно движущимися или вращающимися золотниками.
Смешанный механизм применяется в двигателях с прямоточно-камерной продувкой. Для выпуска отработавших газов служат клапаны, а для впуска воздуха — продувочные окна, открываемые и закрываемые поршнем.
В зависимости от расположения клапанов относительно цилиндра различают верхнеклапанные механизмы с расположением клапанов в головке цилиндров, нижнеклапанные с расположением клапанов в блоке цилиндров и комбинированные с расположением впускных клапанов в головке, а выпускных в блоке цилиндров. Нижнеклапанные и смешанные механизмы сохранились лишь на устаревших моделях двигателей со сравнительно невысокой степенью сжатия.
Расположение клапанов определяется формой камеры сгорания, которая, в свою очередь, зависит от схемы установки клапанов.
Подавляющее большинство современных двигателей имеет верхнеклапанные механизмы газораспределения, которые обеспечивают лучшее наполнение и очистку цилиндров, допускают более высокую степень сжатия (так как камера сгорания имеет наиболее рациональную форму), уменьшают потери тепла и повышают экономичность двигателя.
Рис. 2. Схемы механизмов газораспределения: а — оконный; б — клапанный; в — золотниковый; г — смешанный; д, е, ж — различные конструкции механизма газораспределения
Дизельные двигатели имеют только верхнеклапанные механизмы, так как при высоких степенях сжатия возможно получить рациональную форму камеры сгорания.
—
Устройство. На изучаемых двигателях применяют газораспределительный механизм с верхним расположением клапанов. Он состоит из распределительного вала, шестеренчатого привода, толкателей с направляющими втулками, штоков, коромысел с регулировочным устройством, осей коромысел, клапанов с направляющими втулками, пружин с деталями их крепления на клапанах и седел клапанов.
Распределительные шестерни двигателей 3M3-53-11 и ЗИЛ-130 косозубые. Ведущая шестерня, установленная на коленчатом валу двигателя, стальная, а ведомая шестерня, установленная на распределительном валу, текстолитовая у двигателя 3M3-53-11 или
Рис. 3. Газораспределительный механизм: а — зацепление шестерен привода распределительного вала двигателей 3M3-53-I1 и ЗИЛ-130; б —зацепление шестерен привода распределительного вала и ТНВД (топливного насоса высокого давления) двигателя ЗИЛ-645 по установочным меткам; в — детали газораспределительного механизма; 1 — шестерня коленчатого вала; 2 — установочные метки; 3 — шестерня привода распределительного вала; 4 — ведомая шестерня привода ТНВД; 5 — ведущая шестерня привода ТНВД; 6 — распорное кольцо; 7— опорная шейка распределительного вала; 8— эксцентрик привода топливного насоса; 9 и 10 кулачки толкателей выпускных и впускных клапанов; 11 — втулка опорной шейки распределительного вала; 12 и 21—впускной и выпускной клапаны; 13 — направляющая втулка клапана; 14 — шайба пружины клапана; 15— пружина клапана; 16 — ось коромысел; 17 — коромысло; 18 — регулировочный винт коромысла; 19 — стойка оси коромысел; 20 — механизм вращения выпускного клапана; 22 — штанги толкателей клапанов; 23 — толкатели; 24 — шестерня привода распределителя зажигания и масляного насоса; 25 — упорный фланец; 26— валик привода датчика ограничителя частоты вращения коленчатого вала чугунная (у двигателей ЗИЛ-130, -645). Для того чтобы клапаны открывались и закрывались при определенном положении поршня в цилиндре, шестерни при сборке должны вводиться в зацепление по установочным меткам (рис. 2.5,а и б).
Распределительный вал изготовляют из стали (у двигателей ЗМЗ-5Э-11 и ЗИЛ-645) или чугуна (у двигателя ЗИЛ-130) с упрочнением рабочих поверхностей кулачков и опорных шеек токами высокой частоты. Вал вращается во втулках, изготавливаемых из стали (у двигателей 3M3-53-11 и ЗИЛ-130) или из сталеалюминиевой ленты (у двигателя ЗИЛ-645) и запрессовываемых в гнезда блока цилиндров. В осевом направлении распределительный вал фиксируется упорным фланцем 25, который крепится болтами к блоку цилиндров. На распределительном валу двигателя ЗИЛ-645, помимо распределительной шестерни, закреплена ведущая шестерня привода топливного насоса высокого давления (ТНВД).
Толкатели клапанов — стальные цилиндрические стаканы, в которые сверху вставляют штанги. Торцы толкателей имеют наплавку из износостойкого чугуна.
При работе толкатели поворачиваются благодаря сферической поверхности торца и скошенной поверхности кулачка распределительного вала.
Штанги толкателей двигателей 3M3-53-11 —дюралюминиевые, трубчатые, со сферическими стальными наконечниками. У двигателей ЗИЛ-130 и -645 штанги стальные, трубчатые, с закаленными сферическими наконечниками.
Коромысла клапанов — стальные, с бронзовыми втулками. В короткое плечо коромысла ввернут регулировочный винт с контргайкой для регулировки теплового зазора между коромыслом и стержнем клапана.
Клапаны устанавливают в направляющих втулках, запрессованных в головку цилиндров. Для лучшего наполнения цилиндра горючей смесью головку впускного клапана изготовляют большего диаметра, чем выпускного. На конце стержня клапана делают кольцевую выточку, в которую вставляют конусные сухари для крепления опорной тарелки клапанной пружины. Клапаны устанавливают в направляющих втулках, запрессованных в головку цилиндров.
Рис. 4. Выпускной клапан: 1 — стержень клапана; 2 — корпус механизма поворота клапана; 3 — опорная шайба; 4 — замочное кольцо; 5 — пружина клапана; 6 — опорная шайба пружины; 7— сухарь; 8 — натриевое наполнение клапана; 9 — жаро- и износостойкая наплавка; 10— заглушка; 11 — седло клапана; 12 — направляющая втулка
Рис. 5. Механизм поворота выпускного клапана: а — положение деталей механизма при закрытом клапане; б — положение деталей механизма при открытом клапане; в — детали механизма поворота; 1 — замочное кольцо: 2 — опорная шайба; 3 дисковая пружина; 4 — шарики; 5 — возвратные пружины шариков; 6— неподвижный корпус
Для лучшего охлаждения стержень выпускного клапана двигателей ЗИЛ-130 и 3M3-53:11 имеет полость, заполненную натрием, а тарелка клапана — жаропрочную наплавку посадочной фаски. Клапаны двигателей ЗИЛ-645 из жаропрочной стали с наплавкой рабочей фаски сплавом ЭР-616-Б имеют хромированные стержни.
Для повышения срока службы выпускные клапаны двигателей ЗИЛ-130 и ЗИЛ-645 принудительно поворачиваются механизмом. В неподвижном корпусе механизма располагаются шариков с пружинами и опирающаяся на шарики дисковая пружина. При открытии клапана возрастает давление клапанной пружины, под действием которого дисковая пружина распрямляется и шарики перекатываются по наклонным углублениям корпуса, поворачивая дисковую пружину с опорной шайбой. Вместе с ними поворачиваются клапанная пружина, тарелка клапана и выпускной клапан. Когда клапан закрывается, прогиб дисковой пружины изменяется, шарики освобождаются и под действием возвратных пружин занимают первоначальное положение. Шайба на корпусе фиксируется замочным кольцом.
На двигателе 3M3-53-1 между Опорной шайбой пружины и сухарями устанавливают коническую втулку, у которой наружный конус не полностью совпадает с конусом шайбы и между ними возникает трение, поэтому при сжатии пружины от ее некоторого скручивания обеспечивается поворот клапана.
Между стержнем клапана и регулировочным винтом коромысла устанавливают тепловой зазор для более плотного прилегания тарелки клапана к седлу при удлинении стержня из-за значительного его нагрева при работе двигателя.
Седла клапанов изготовляют из жаропрочного антикоррозийного чугуна и запрессовывают в гнезда головки цилиндров.
Пружины клапанов служат для плотного прижатия клапанов к седлам.
Порядок работы цилиндров. У изучаемых двигателей имеется следующий порядок работы цилиндров 1—5—4—2—6—3—7—8. Перекрытие одноименных тактов происходит через 90е, так как шатунные шейки коленчатого вала располагаются под углом 90°. Например, если в первом цилиндре происходит рабочий ход, то через 90° поворота коленчатого вала рабочий ход начинается в пятом цилиндре, а затем в указанном выше порядке.
—
Газораспределительный механизм управляет своевременным впуском в цилиндр рабочей смеси и выпуском из цилиндра отработавших газов. У автотракторных четырехтактных двигателей применяются клапанные газораспределительные механизмы с нижним, верхним и смешанным расположением клапанов. Верхние клапаны получили преимущественное распространение, так как имеют более совершенную камеру сгорания и получают от двигателя большую мощность при высокой экономичности.
Механизм газораспределения состоит из клапанов с пружинами и направляющими втулками, толкателей и распределительного вала.
Клапаны подвержены действию высоких температур (выпускной— до. 800—900 °С) и динамических нагрузок. Поэтому они должны: сохранять механические свойства при высоких температурах; обеспечивать хорошее уплотнение гнезда; противостоять коррозии и появлению окалины; интенсивно отводить тепло во избежание перегрева.
Клапан состоит из головки с тщательно обработанной фаской и стержня.
Число клапанов на каждый цилиндр бывает равным двум (впускной и выпускной), трем (впускной и два выпускных) и четырем (по два впускных и выпускных). Впускные клапаны имеют больший диаметр.
Рис. 6. Фазы газораспределения двигателя ЗИЛ-130
Место посадки клапана называется седлом. Оно устраивается в теле блока или головки цилиндра или делается вставным. Вставные седла более распространены и изготовляются из хромо-молибденового чугуна и запрессовываются в гнезда упомянутых деталей.
Толкатели передают движение от распределительного вала к клапанам и разгружают последние от боковых усилий, возникающих от вращения кулачков.
Распределительный вал снабжен кулачками, число и характер расположения которых определяются числом цилиндров и порядком работы двигателя, а также тем, сколько клапанов имеет каждый цилиндр.
Важное значение для работы двигателя и надежности газораспределения имеет удачный выбор профиля кулачка. Последний должен обеспечивать максимальную пропускную способность клапана и безударную работу механизма.
Пропускная способность клапана оценивается фактором время — сечение, представляющим произведение площади проходного сечения клапана на время, в течение которого он открыт.
Распределительный вал, в зависимости от числа цилиндров, опирается на два, три или пять опорных подшипников скольжения, для чего имеет соответствующее число шеек. Рабочие поверхности шеек и кулачков цементируются.
Привод распределительного вала чаще бывает шестеренчатым с передаточным отношением 1 : 2 для четырехтактных двигателей и 1 : 1 для двухтактных.
Фазы газораспределения —это моменты начала открытия и закрытия клапанов, фиксируемые углами поворота коленчатого вала. Фазы газораспределения указываются в таблицах характе-ристик двигателей, но более наглядно они изображаются на диаграммах газораспределения.
Впускной клапан у быстроходных двигателей открывается до прихода поршня в положение ВМТ, что к началу впуска обеспечивает открытие отверстия на значительную величину. Для двигателя ЗИЛ-130, например, открытие происходит за 21° до ВМТ. Закрытие впускного клапана начинается после того, как поршень пройдет НМТ. Для ЗИЛ-130 это происходит с запаздыванием на 75° после НМТ. Инерция газового потока используется для лучшего наполнения цилиндра.
Выпускной клапан открывается всегда до прихода поршня в НМТ, т. е. до окончания такта расширения, чтобы ослабилось противодавление газов при последующем движении поршня вверх. Для ЗИЛ-130 утл опережения открытия составляет 57° до НМТ. Закрытие выпускного клапана происходит после прихода поршня в ВМТ (у ЗИЛ-130 на 39°) для обеспечения лучшей очистки цилиндра от газов.
Перекрытием клапанов называется время, в течение которого одновременно открыты впускной и выпускной клапаны.
Читать далее: Общее устройство и работа клапанного механизма газораспределения
Категория: - Автомобили и трактора
stroy-technics.ru
Изобретение относится к машиностроению, в частности двигателестроению, и может быть использовано при производстве механизмов газораспределения двигателей внутреннего сгорания с непосредственным приводом клапанов. Задача изобретения - снижение шума привода ГРМ, улучшение условий его работы и увеличение долговечности в эксплуатации. Механизм газораспределения двигателя внутреннего сгорания содержит смонтированные на головке цилиндров газораспределительный клапан с элементами крепления пружин клапана, кулачковый распределительный вал и имеющий форму стакана толкатель, обеспечивающий неразрывную кинематическую связь между торцом стержня клапана и кулачком распределительного вала. Между направляющей втулкой, опорной шайбой и головкой цилиндров установлен дополнительный демпфирующий элемент с высоким коэффициентом потерь, выполненный из металлического прессованного пористого (волокнистого) сетчатого материала, или металлорезины, или другого металлического пористого (волокнистого) материала с аналогичными физико-механическими свойствами. Область преимущественного применения - автомобильные двигатели. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к машиностроению, в частности двигателестроению, и может быть использовано при проектировании механизмов газораспределения двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с непосредственным приводом клапанов.
В настоящее время резко возросшие требования к акустическим качествам автомобилей предопределили необходимость создания низкошумных конструкций двигателей, в которых одним из наиболее интенсивных источников шума и высокочастотных вибраций является газораспределительный механизм (ГРМ). ГРМ обеспечивает впуск в камеры сгорания цилиндров ДВС свежих порций горючей смеси и выпуск из них в окружающую среду продуктов сгорания - отработавших газов. Эти процессы осуществляются в соответствии с принятым для конкретного двигателя порядком работы данного числа цилиндров с заданными фазами газораспределения, определяющими оптимальные условия наполнения и очистки цилиндров во всем эксплуатационном рабочем диапазоне двигателя. Наиболее широкое применение получили ГРМ на базе концепции привода клапана с промежуточным одноплечим рычагом и с прямолинейно движущимся толкателем (непосредственным приводом клапанов). В последнем техническом решении речь идет о ГРМ с непосредственным приводом клапанов, когда кулачок распределительного вала воздействует на перемещения клапана непосредственно через толкатель с регулировочной шайбой для установки оптимальных зазоров в сочленениях узла. Такие приводы широко известны из патентной литературы, см. заявку Германии N 4129637, МПК F 01 L 1/02, 1993 г; заявку Японии (JP)A N 62-174510, МПК F 01 L 1/14, 1987; заявку Японии (JP)B N 3-41645, МПК 01 L 1/12, 1991; заявки ЕПВ (ЕР) A1 NN 0515772, МПК 01 L 3/10, 1992; 0520861, МПК F 01 L 1/14, 1992; 0523691, МПК F 01 L 1/14, 1993 г. В отличие от широко распространенного в двигателестроении привода ГРМ, когда рабочая поверхность кулачка распредвала воздействует на торец клапана через дополнительную промежуточную деталь (элемент кинематической цепи) - коромысло или рычаг, непосредственный привод обеспечивает более жесткую, с меньшим числом промежуточных элементов и надежную в работе кинематическую и динамическую связь между кулачком и клапаном, что позволяет также уменьшить уровень вибраций и шума от взаимодействующих деталей привода. В частности, анализ результатов сравнительных испытаний ГРМ двигателя ВАЗ-2105 (с рычажным приводом клапанов) и ГРМ двигателя ВАЗ-2108 (с непосредственным приводом клапанов) показывает, что общие уровни шума, излучаемого ГРМ ВАЗ-2108, на 4.12 дБА ниже соответствующих значений уровней двигателя ВАЗ-2105, см. "Автомобилестроение", экспресс-информация, N 10, 1987, филиал ЦНИИТЭИавтопрома, Тольятти, с. 13-18 (прилагается). В частности, недостаточная устойчивость рычага клапана, установленного на шаровой опоре и торце клапана, позволяет ему в процессе работы совершать поперечные колебания, отрицательно влияющие на акустические качества ГРМ. В качестве прототипа принято устройство механизма газораспределения двигателя ВАЗ-2108, см. В.А. Вершигора и др. "Автомобиль ВАЗ-2108", М" ДОСААФ СССР, 1986, с. 42-57, рис. 16. Рассматриваемый ГРМ с непосредственным приводом, с прямолинейно движущимся толкателем, смонтирован в головке цилиндров ДВС и, в частности, содержит впускные и выпускные клапаны, стержни которых возвратно-поступательно перемещаются в направляющих втулках, пружины клапанов с деталями их крепления и толкатели, возвратно-поступательно перемещающиеся в направляющих отверстиях головки цилиндров. Толкатели снабжены регулировочными шайбами, являющимися промежуточным элементом кинематической связи между кулачком распредвала и непосредственно толкателем. Последние находятся в контакте с кулачками вращающегося распределительного вала, привод которого осуществляется бесконечным зубчатым ремнем, кинематически связанным с приводным шкивом коленчатого вала ДВС. Несмотря на преимущества, которыми непосредственный привод ГРМ с прямолинейно движущимся толкателем обладает по сравнению с приводом, имеющим промежуточный качающийся рычаг привода клапанов, его акустические свойства в соответствии с ужесточением норм по охране окружающей среды от акустического загрязнения могут быть и далее улучшены. Проблема заключается в том, что жесткая кинематическая цепь: тарелка клапана (входящая непосредственно в камеру сгорания), его седло, направляющая втулка (в которой стержень клапана совершает направленное возвратно-поступательное движение), торец клапана, толкатель и кулачок распределительного вала, так же жестко смонтированный на головке цилиндров, являются хорошим проводником потока вибраций, который возбуждается в результате осуществляемого в камере сгорания рабочего процесса в основном как вследствие процессов набегания и сбегания участков кулачка, так и в процессах посадки и подъема клапана (тарелки) в седло. Вибрации, генерируемые в зонах перечисленных элементов привода передаются через тело головки цилиндров на примыкающие к ней внешние корпусные детали двигателя, которые вследствие этого подвергаются соответствующему вибрационному возбуждению, возбуждают прилегающую к своим внешним поверхностям окружающую воздушную среду и преобразуются в звуковую энергию (энергию излучаемых упругих волн в частотном диапазоне 20-20000 Гц), что в конечном счете приводит к формированию соответствующего акустического качества двигателя и автомобиля в целом. Наиболее интенсивно при этом излучают шум тонкостенные, динамически подвижные, с низкой изгибной жесткостью и развитой поверхностью излучения крышки и панели, например кожух ограждения привода ГРМ, крышка головки цилиндров и др. Ситуация по интенсификации динамического возбуждения усугубляется и неизбежным наличием зазоров (технологических, тепловых, эксплуатационных) в кинематической цепи элементов привода ГРМ, которые изначально имеются и дополнительно увеличиваются в процессе эксплуатации привода, в результате механического износа его элементов и возникновения перекосов в установке элементов привода, которые усиливают развитие динамических ударных процессов в ГРМ. В этом случае это приводит к прогрессивному износу элементов ГРМ, их повышенному шуму и в ряде случаев значительному нарушению нормальной эксплуатации, диагностируемому как дефект. В рассматриваемом случае задача изобретения предполагает снижение шума привода ГРМ, улучшение условий его работы и увеличение долговечности в эксплуатации, за счет эффективного уменьшения вибровозбудимости зон контактирования пружин клапанов и стержня клапана с направляющей втулкой со структурой головки цилиндров. Решение технической задачи заключается в преднамеренном введении в неразрывную кинематическую цепь элементов привода ГРМ дополнительного демпфирующего элемента с высоким коэффициентом потерь, позволяющего с одной стороны сохранить неразрывность кинематической цепи элементов привода, а с другой, в значительной степени ослабить (прервать) замкнутый циркулирующий поток вибрационной энергии в зонах, сосредоточенных в непосредственной близости от источников непосредственного динамического возбуждения (седло клапана - тарелка клапана и опорные поверхности пружин клапанов и стержней клапанов). Сущность изобретения заключается в том, что в известном механизме газораспределения двигателя внутреннего сгорания, содержащем смонтированные на головке цилиндров, по крайней мере, один газораспределительный клапан с элементами крепления пружин клапанов, направляющие втулки стержней клапанов, кулачковый распределительный вал, кинематически связанный с толкателем, обеспечивающий неразрывную кинематическую связь между свободным торцом стержня клапана и кулачком распределительного вала, по крайней мере в одной из зон контакта торца пружины клапана с головкой блока и/или стержня клапана с головкой блока, установлен дополнительный демпфирующий элемент с высоким коэффициентом потерь, выполненный из металлического прессованного пористого (волокнистого) сетчатого материала (ПСМ) или металлорезины (МР). Демпфирующий элемент может быть выполнен составным или в виде одной цельной детали. В первом варианте конструктивного исполнения демпфирующий элемент может представлять собой спрофилированную под торцы пружин опорную шайбу и размещенную между направляющей втулкой стержня клапана и головкой блока дополнительную втулку из ПСМ или МР. Либо сама направляющая втулка может быть выполнена из ПСМ или МР, при этом она выполняет не только функцию направляющей стержня клапана, но и эффективного демпфирующего устройства. Во втором варианте демпфирующий элемент представляет собой цельно отформованное или изготовленное методом механической обработки изделие, состоящее из направляющей втулки и опорной шайбы, соответствующим образом запрессованное и зафиксированное в головке блока цилиндров ДВС. Сущность изобретения поясняется на чертежах, где на фиг. 1 показан привод ГРМ ДВС; на фиг. 2 показан вариант выполнения демпфирующего элемента в виде единой детали; на фиг. 3 показан вариант выполнения демпфирующего элемента сборной конструкции. Рассматриваемый привод механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания содержит, фиг. 1, смонтированные на головке цилиндров 1 по крайней мере один газораспределительный клапан 2 с элементами крепления 3 (опорная шайба) пружин 4 клапана 2, кулачковый распределительный вал 5 и имеющий форму стакана толкатель 6, обеспечивающий неразрывную кинематическую связь между торцом 7 стержня клапана 2 и кулачком 8 распределительного вала 5. Толкатель 6 может быть выполнен и в виде промежуточной детали, например рычага или коромысла, качающихся на дополнительной опоре. Между направляющей втулкой 9, опорной шайбой 3 и головкой цилиндров 1 установлен дополнительный демпфирующий элемент с высоким коэффициентом потерь 10, выполненный из металлического прессованного пористого (волокнистого) сетчатого материала, или металлорезины, или другого металлического волокнистого материала с аналогичными физико-механическими свойствами. Дополнительно на фиг. 1 показаны: маслоотражательный колпачок 11 и камера сгорания 12. На фиг. 2 опорная шайба 3 и направляющая втулка 9 сформированы в единую деталь, выполняющую дополнительную функцию высокоэффективного демпфирующего элемента 10. На фиг. 3 демпфирующий элемент 10 состоит из двух деталей - выполненной из материала ПСМ или МР опорной шайбы 3 и выполненной из аналогичного материала направляющей втулки 9. Работает привод обычным образом. В процессе вращения распределительного (кулачкового) вала рабочая поверхность толкателя с одной стороны находится в динамическом взаимодействии со скользящей контактирующей поверхностью кулачка распредвала, а с другой - в динамическом взаимодействии с опорной поверхностью торца стержня клапана. Вследствие конкретных инерционных упруго-массовых характеристик сопрягаемых деталей механизма, наличия эксплуатационных и тепловых зазоров, упругих деформаций в зонах контактирования, отклонений геометрических форм профиля кулачка, некруглости отверстий втулок клапанов и толкателей, частичных несоосностей отверстий втулок и отверстий толкателей с перемещаемыми в них стержнями клапанов и толкателями клапанов, а также вследствие возникающих в структуре головки цилиндров статических, динамических и тепловых деформаций, усугубляющих дополнительные искажения геометрических форм и размеров сопрягаемых движущихся элементов в составе ГРМ, возникают интенсивные динамические процессы, обуславливающие генерирование интенсивных вибраций и шума, характеризующих виброакустическое качество ГРМ и двигателя в целом. В наибольшей степени генерируемые механизмы вибрации и шум определяются конкретным профилем кулачка в зоне (момент) закрытия клапана, смещением клапана относительно его седла в момент посадки, зазорами в направляющих втулках клапанов, зазорами в отверстиях под толкатели, характеристиками внешнего трения при контактном взаимодействии толкателя и кулачка, площадью поверхности клапанной крышки и эффективностью ее виброизоляции от структуры головки цилиндров, условиями смазки кулачковой пары, величинами зазоров между кулачками и регулировочными шайбами. В основе изобретения заложена идея конструктивного выполнения демпфирующего элемента из материала, обладающего определенными физико-механическими свойствами (высоким коэффициентом потерь), что и позволяет решить обозначенную выше техническую проблему. Исходным материалом для изготовления предлагаемых шумовибродемпфирующих элементов является, например, проволочная металлическая сетка, укладываемая в несколько слоев (размеры ячеек, диаметр и материал проволоки подбираются в соответствии с конкретными конструктивными особенностями узла) и обрабатываемая прессованием в вакууме до получения монолитной структуры, которая является тем не менее частично газопроницаемой и которая обеспечивает реализацию шумовибродемпфирующих процессов за счет трения между контактными поверхностями деформируемых волокон в процессе изгибных микродеформаций структуры в целом. В процессе такого деформационного трения происходит преобразование виброакустической колебательной энергии в тепловую, что в конечном счете приводит к снижению шума и вибраций двигателя. За счет введения в зону действия непосредственного динамического источника возбуждения двигателя - механической системы "распределительный вал - газораспределительный клапан" высокоэффективного приемника и преобразователя вибрационного и шумового возбуждения энергия этого возбуждения эффективно преобразуется в тепловую энергию структурой демпфирующего элемента 10, за счет возникновения в микропористой волокнистой структуре материала названных элементов сдвиговых деформаций и трения между волокнами структуры. Передача динамического возбуждения к внешним тонкостенным структурам корпусных деталей ДВС, являющихся основными источниками его шумового излучения, таким образом существенно ослабляется. Как известно, процесс сдвиговых деформаций слоев (волокон) вибродемпфирующих материалов характеризуется наиболее эффективным рассеиванием вибрационной энергии путем ее преобразования в тепловую в процессе трения между соприкасающимися волокнами и слоями. Таким образом, "успокоение" вибрирующего узла привода механизма газораспределения осуществляется без жесткой, с относительно высокой вибропередачей, связи на стенки головки 1 цилиндров двигателя, со значительным преобразованием этой вибрационной энергии в тепловую в самой волокнистой структуре виброшумодемпфирующих элементов 10. При работе ГРМ, в процессе выборки зазоров в сочленениях деталей механизма, посадки и открытия клапана, набегания и сбегания участка рабочего профиля кулачка с регулировочной шайбы, возникают ударные процессы и импульсные динамические нагрузки на сочлененные детали привода, что и является пространственно распределенным многоточечным источником динамического возбуждения структуры головки цилиндров и, в особенности, ее присоединительной тонкостенной оболочки - клапанной крышки, являющейся вследствие этого наиболее мощным источником шумового излучения ГРМ. Таким образом, воспринимаемые тонкостенной динамически податливой структурой клапанной крышки вибрации от осуществления рабочих процессов кинематического и динамичесйого взаимодействия деталей ГРМ преобразуются в интенсивные изгибные деформации стенок этой крышки как оболочки, возбуждающей прилегающую к ней воздушную среду, в виде генерирования упругих звуковых волн, распространяемых в этой воздушной среде, т.е. излучаемого шума. Особо следует отметить неблагоприятное действие зазоров (технологических, износных, температурных) между прямолинейно возвратно-поступательно движущимся толкателем клапана и соответствующим направляющим отверстием в головке цилиндров, а также между стержнем клапана и направляющей втулкой. Из-за наличия зазоров и действующих сил и моментов появляются соответствующие перекосы осей движущихся (толкателей, клапанов) и направляющих (отверстий, втулок) элементов привода, что в свою очередь вызывает появление соответствующих опрокидывающих моментов, отрицательно сказывающихся на акустических показателях, механических потерях, износах и в конечном итоге - надежности и долговечности ГРМ. В податливом демпфирующем элементе происходит локальная компенсация перекоса торца клапана и перекоса контактной зоны донышка толкателя с ослаблением опрокидывающего момента, а также преобразование (рассеивание) энергии механических деформаций демпфирующей вставки в тепловую энергию за счет внутреннего трения волокнистой структуры пористого сетчатого материала. Конкретно техническая задача в предлагаемом ГРМ решается следующим образом. На динамику клапана существенное влияние оказывают колебания витков клапанных пружин 4, особенно на резонансных режимах колебаний пружин. Ввиду того, что витки пружин 4 подвергаются интенсивным пульсирующим нагрузкам и свободным затухающим колебаниям, они создают дополнительные возрастания динамических нагрузок в приводе ГРМ, увеличивают результирующие амплитуды колебаний, приводят к разрывам кинематической цепи на участках подъема клапана и отскокам клапана после посадки. Опорная поверхность структуры головки 1 цилиндров, контактирующая с витками пружин 4, нагружается при этом интенсивными импульсными нагрузками, трансформируемыми в колебательную и звуковую энергию внешних стенок головки 1 цилиндров, излучаемую в свободное пространство в виде соответствующего шума. Очевидно, что максимальная вибровозбудимость контактной зоны происходит на резонансных режимах колебаний пружин 4 с максимальными амплитудами колебаний, вызванных совпадением частот периодических возбуждений и их конкретных гармоник собственных частот колебаний пружин. Появляющиеся при этом разрывы кинематической цепи вызывают увеличение скорости посадки клапана 2 в седло примерно в 9 (девять) раз выше расчетной, что дополнительно усиливает процесс возбуждения и излучения шума (см., например, Макаревич П. С., Пушкин А.Г. Исследование работы механизма газораспределения двигателя УРАЛ-376. Автомобильная промышленность, 1969, N 6). Установка в зоне опорной поверхности пружин виброшумодемпфирующего элемента 10 обусловит, по сути дела, последовательное подключение к пружине упруго-демпфирующего элемента с высоким внутренним трением (потерями), который, с одной стороны, благоприятно воздействует на демпфирование резонансных колебаний пружин (добротность резонанса резко падает при введении даже незначительных потерь в колебательную систему), а с другой стороны, демпфирует импульсные динамические нагрузки, воспринимаемые структурой корпуса головки 1 цилиндров в зоне контактирования опорной поверхности пружин 4 (в первую очередь и на режимах резонансных колебаний и разрывов кинематической цепи). При увеличенном зазоре в сопряжении "направляющая втулка 9 - стержень клапана 2" клапан 2 может садиться в седло с перекосом и скорость клапана при этом будет повышаться (как и в случае уменьшения жесткости привода). Боковые ускорения клапана определяются зоной приложения усилий к клапану (т. е. положением пятна контакта между толкателем и клапаном), скоростным режимом ДВС и зазором в сопряжении "стержень клапана 2 - направляющая втулка 9". На положение пятна контакта влияет погрешность геометрических размеров деталей привода. Боковые ускорения растут с ростом зазора и числа оборотов. При перемещении клапана 2 в плоскости, перпендикулярной оси коленчатого вала двигателя, происходит перекладка клапана в момент передачи импульса силы от привода на клапан, в момент изменения знака ускорения, в момент посадки клапана в седло, что приводит к дополнительным соударениям сопрягаемых деталей. Конечные скорости движущихся деталей ГРМ в начале и в конце движения клапана приводят к ударам и возникновению вибрационных импульсов. Сила удара зависит при этом от скачка скорости в момент удара и массы движущегося клапана. Введение промежуточного демпфирующего элемента 10 в зону, разделяющую непосредственно структуру головки 1 цилиндров с воспринимающей вибрационные импульсы направляющей втулкой 9 при косых посадках клапана 2 и соответствующих боковых виброускорениях стержня клапана 2 в зазорном пространстве направляющей втулки клапана позволит ослабить передачу этих виброимпульсов непосредственно на структуру корпуса головки 1 цилиндров и ее внешние звукоизлучающие стенки. Именно в структуре виброшумодемпфирующего элемента 10 будет происходить затухание этих генерируемых перекладкой стержня клапана 2 вибрационных импульсов вследствие преобразования механической работы деформаций структуры демпфирующего элемента 10 с высоким внутренним трением в тепловую энергию и, таким образом, будет осуществляться процесс заглушения шума ГРМ и двигателя в целом. Достоинством предлагаемых демпфирующих элементов 10 является еще и то, что материал, из которого они изготовлены, полностью сохраняет свои вибродемпфирующие характеристики в процессе длительной высокотемпературной эксплуатации, в среде масляного тумана и картерных газов. Кроме того, их наличие также не влияет отрицательно на процесс теплоотвода (теплопередачи) для обеспечения эффективного охлаждения ДВС. Изменение температурного состояния двигателя от момента холодного запуска и до момента нагрева до рабочей температуры практически не вызывает изменения жесткостных, изолирующих и демпфирующих характеристик, как это, например, имеет место в полимерных (например, резине) материалах, что, таким образом, позволяет оптимизировать эти характеристики практически вне зависимости от температуры.Формула изобретения
1. Механизм газораспределения двигателя внутреннего сгорания, содержащий смонтированные на головке цилиндров, по крайней мере, один установленный в направляющей втулке газораспределительный клапан с элементами крепления пружин, кулачковый распределительный вал и толкатель, обеспечивающий неразрывную кинематическую связь между торцом стержня клапана и кулачком распределительного вала, отличающийся тем, что по крайней мере в одной из зон контакта: торца пружины клапана с головкой блока И/ИЛИ стержня клапана с головкой блока, установлен дополнительный демпфирующий элемент с высоким коэффициентом потерь, выполненный из металлического прессованного пористого сетчатого материала (ПСМ), или металлорезины (МР). 2. Механизм по п.1, отличающийся тем, что демпфирующий элемент выполнен составным, в виде спрофилированной под торцы пружин опорной шайбы и размещенной между направляющей втулкой стержня клапана и головкой блока дополнительной втулки. 3. Механизм по п.1, отличающийся тем, что демпфирующий элемент выполнен в виде единой детали, состоящей из двух функциональных элементов - направляющей втулки и опорной шайбы, соответствующим образом запрессованной и зафиксированной в структуре головки блока цилиндров.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3www.findpatent.ru
