Основные типы механизмов газораспределения

Конструкции двигателей с двухклапанными механизмами газораспределения, включающими в себя один впускной и один выпускной клапаны (рис. 4.1, 4.2) получили наиболее широкое распространение.

В двигателях с цилиндрическими и клиновидными камерами сгорания клапаны расположены в один ряд вдоль оси блока (см. рис. 4.1).

Рис.4.1. Однорядное расположение двух клапанов на один цилиндр:

а,в – впускные и выпускные клапаны чередуются;

б – впускные и выпускные клапаны расположены попарно

Впускные и выпускные клапаны чередуются (рис. 4.1, а) или располагаются попарно (рис. 4.1, 6). При попарном расположении впускные клапаны соседних цилиндров могут иметь один общий или раздельные патрубки для каждого клапана (см. рис. 4.1, а, в). Двухрядное расположение клапанов (рис. 4.2) приме­няют в двигателях с искровым зажиганием, имеющих шатровые или полусферические камеры сгорания. Для дизелей двухрядное расположение клапанов не характерно, что объясняется трудно­стью размещения форсунок в местах, удобных для обслуживания. В двигателях с искровым зажиганием и однорядным расположени­ем клапанов впускной и выпускной трубопроводы могут быть размещены как с одной стороны головки цилиндров (см. рис. 4.1, а, б), так и с обеих сторон (см. рис. 4.1, в). В V-образных двигателях и в двигателях с двухрядным расположением клапанов трубопроводы располагаются по обе сто­роны головки цилиндров (см. рис. 4.2).

Рис.4.2. Двухрядное расположение двух клапанов (а,б) на один цилиндр

В современных автомобилях все чаще встречаются констру­кции механизма газорасп­ределения с тремя (рис. 4.3) и четырьмя клапанами на один цилиндр (рис. 4.4). Такие конструкции позволяют увеличить площади проходных сече­ний клапанов при уменьше­нии их размеров, при этом увеличивается жесткость тарелки клапана, улучшается охлаждение, а также снижается инерционная на­грузка на детали механизма газораспределения.

Рис.4.3. Варианты (а,б) расположения трех клапанов на один цилиндр

Трехклапанный механизм содержит одним выпускной клапан большого диаметра и два впуск­ных (рис. 4.3, а) или один впускной большого диаметра и двумя выпускных (рис. 4.3, б).

При установке четырех клапанов на один цилиндр (рис. 4.4) одноименные клапаны могут распола­гаться как вдоль продольной оси блока (рис. 4.4, а), так и в двух рядах (рис. 4.4, б).

Рис.4.4. Варианты (а,б) расположения четырех клапанов на один цилиндр

Впуск горючей сме­си и выпуск отработавших газов на порш­невых четырехтактных карбюратор­ных двигателях осуществляются клапанами, которые могут иметь нижнее или верхнее рас­положение. При нижнем расположе­нии клапаны устанавливают в блоке цилиндров (двигатели автомобилей ГАЗ-52-04, ЗИЛ-157КД), а при верхнем — в головке цилиндров (двигатели автомобилей ЗИЛ-130, КамАЗ-5320, ГАЗ-24-10, ВАЗ-2108 и др.).

Усилие от кулачка 6 (рис. 4.5, б) распре­делительного вала при нижнем расположении клапа­нов передается тол­кателю 7, а затем через регули­ровочный болт 4 с контргайкой 3 клапану 14, головка которого отходит от седла 13.

В процессе работы газораспределительно­го механизма стержень клапана совершает возвратно-поступательные движения в направляющей втулке 15. На нижнем конце втулки свободно установлена пружина 17, верхний торец кото­рой упирается в блок, а нижний — в тарелку 19, которая закреплена на конце стержня клапана сухариками 18. Клапан зак­рывается под воздейст­вием пружины по мере того, как выступ кулачка 6 выходит из-под толкателя.

Наиболее распространены газораспределительные меха­низмы с верхним расположением клапанов, так как они имеют следующие преимущества: камера сгорания получается ком­пактной, улучшается наполнение цилиндров, упрощается регулировка клапанов и значительно уменьшают­ся потери тепла с охлаждающей жид­костью.

Рис.4.5. Схемы газораспределительных механизмов с различным

расположением клапанов: а – верхним; б – нижним

Рассмотрим процесс работы рядных двигателях при верхнем расположении клапанов (рис.4.5,а): усилие от кулачка 6 распредели­тельного вала передается толкателю 7, а от него — штанге 5, штанга через регулировочный винт 4 нажимает на короткое плечо коромысла 1, которое, поворачиваясь на оси 2, воздействует своим носком на стер­жень клапана 14. При этом пружина 17 сжимается, а клапан перемещается вниз, отходит от седла 13, обеспечи­вая в зависимости от назначения клапана впуск горючей смеси или выпуск отработавших газов. Клапанный ме­ханизм возвращается в исходное положение под действием пружины 17 после того как выступ кулачка 6 выйдет из-под толкателя 7. Положение направляющей втулки 15, запрессованной в головку цилиндров 16 фиксируется стопорным коль­цом 12, а регулировочного винта 4 — контргайкой 3. при помощи сухариков 11, установленных в тарелке 9 при по­мощи втулки 10 закреплен верхний конец стержня клапана.

При верх­нем расположении клапанов распределительные валы могут быть установлены в блоке цилинд­ров — нижнее расположение (двига­тели автомобилей ЗИЛ-130, КамАЗ-5320) или на головке блока— верхнее расположение (двигатели автомобилей семейств ВАЗ и «Москвич»).

Если рас­пределительный вал имеет верхнее расположение (рис. 4.6, 30) толкатели и штанги от­сутствуют, вслед­ствие чего уменьшаются масса и инерционные силы клапанного меха­низма, что озволяет уве­личить частоту вращения коленчато­го вала и уменьшить уровень шума при работе двигателя.

Рис.4.6. Газораспределительные механизмы двигателей с верхним

расположением распределительных валов автомобилей:

а – Москвич-21412; б – ВАЗ-2105, -2107

В двигателях автомобилей семей­ства «Москвич» (рис. 4.6, а) кла­паны 6 имеют двухрядное расположение и приводятся в действие коромысла­ми 4 от кулачков 5 распределитель­ного вала. Ре­гулировочный болт 1 с контргайкой 2 служит для регулировки тепло­вого зазора в клапанах.

В двигателях заднеприводных автомобилей ВАЗ (рис.4.6, б) распределительный вал находится в отдельном картере на головке 7 блока цилиндров и вра­щается в подшипниках скольжения. Привод к клапанам 6, размещенным в один ряд, осуществляется непо­средственно от кулачков 5 распре­делительного вала через одноплечие рычаги (рокеры) 8. Одним концом одноплечий рычаг опирается на стер­жень клапана, другим - на сфери­ческую головку болта 1 и удержи­вается на ней при помощи шпи­лечной пружины 9.

В двигателях переднеприводных автомобилей ВАЗ верхний распределительный вал находится в отдельном корпусе 1 (рис. 4.7), расположен­ном на головке цилиндров 4, в которую запрессованы чугунные седла 9 и направляющие втулки 8 клапанов 3. Металлорезиновые маслоот-ражательные колпачки 7 служат для уплот­нения верхней части втулок 8.

Кулачки 5 через цилиндрические толкатели 2 без промежуточных рычагов приводят в действие клапаны 3. Для регулировки теплового зазора h используются шайбы 6, расположенные в гнездах толкателей клапанного механизма.

Рис.4.7. Газораспределительный механизм двигателя с верхним

расположением распределительного вала

автомобилей ВАЗ-2108, -2109

На V-образных восьмицилиндровых двигателях клапаны имеют верхнее расположение (рис. 4.8). Нижний распределительный вал таких двигателей установлен в раз­вале блока и является общим для клапанов правого и левого рядов цилиндров.

Клапаны 7 (впускной и выпускной), перемещающиеся в направляющих втулках 8, открываются под действием усилия, передаваемого от кулачков 4 и 5 через тол­катели 17 штанги 16 и коромысла 12, установленные на осях 11. Закрываются клапаны под действием пружин 10, нижние концы кото­рых упираются в шайбы 9.

Рис.4.8. Газораспределительный механизм V-образного двигателя

Верхними концами пружины обоих клапанов упираются в тарелки 18. Впускные и выпускные клапаны каждого цилиндра открываются один раз за два оборота коленчатого вала, при этом распределительный вал за этот период делает один оборот. Следовательно, распредели­тельный вал вращается в два раза медленнее коленчатого вала. Поэтому зубчатое колесо 1 распределительного вала имеет в два раза больше зубьев, чем ведущая шестерня коленчатого вала.

Распре­делительный вал отливают из специального чугуна или стали и затем термически обрабатывают. Профиль кулачков, как впускных 4 (см. рис. 4.8), так и выпускных 5, у большинства двигателей делают одинаковым.

Расположение одноименных (впускных и выпуск­ных) кулачков в различных двигателях различно: в четырехцилиндровом двигателе - под углом 90°, в шестицилиндровом - под углом 60°, в восьмицилиндровом - под углом 45°. При шлифовании кулачкам придают небольшую ко­нусность. В результате при взаимодействие конической поверхности кулачков со сфери­ческой поверхностью торца толкате­лей 17 происходит их поворот в процессе работы.

уменьшение диаметра шеек, начиная с передней опорной шей­ки 2, облегчает установку распредели­тельного вала в картере двигате­ля. Число опорных шеек обычно равно числу коренных подшипников коленчатого вала. Втулки 6 опорных шеек изготовляют из стали, а внут­реннюю поверхность их покрыта антифрикционным сплавом.

Эксцент­рик 3, воздействующий на штангу 19 привода топливного насоса, расположен на переднем конце распредели­тельного вала, а на его заднем конце находится шестерня 22, которая вращает зуб­чатое колесо валика 21, расположен­ного в корпусе 20 привода распре­делителя зажигания и масляного насоса.

Распор­ное кольцо и упорный фланец установлены между зубчатым колесом 1 рас­пределительного вала и его передней опорной шейкой. Фланец крепится болтами к блоку и удер­живает вал от продольного перемещения. Осе­вой зазор распределительного вала находится в пределах 0,08—0,21 мм, что обеспечивается большей толщиной распор­ного кольца по сравнению с толщиной упорного фланца. В отвер­стии переднего торца распредели­тельного вала (двигатели ЗИЛ-130, ЗМЗ-53-11 и др.) расположен узел привода центробежного датчика ре­гулятора частоты вращения коленча­того вала.

Привод распределительного вала

Верхний распределительный вал вращается при помощи системы промежуточных валов с коническими или винтовыми шестернями (см. рис. 4.9, б), цилиндрическими шестернями (см. рис. 4.9, в), цепью (см. рис. 33, а) или зубчатым ремнем (см. рис. 4.9, г).

Нижний распределительный вал чаще всего приводится во вра­щение непосредственно от коленчатого вала с помощью зубчатой пары (рис.4.10,б). Промежуточные шестерни (рис.4.10,в) или цепная передача (рис.4.10,а) используются при большом межцентровом расстоянии между распределительным и коленчатым валами. Зубья шестерен выполняются косым для большей плавности зацепления и уменьшения шума при работе. С этой же целью всю шестерню распределительного вала или только ее обод изготовляют из текстолита и выбирают модуль по возможности малым.

Привод с промежуточными валами сложен в конст­руктивном отношении, требует тщательной регулировки зацепле­ния шестерен, но надежен в работе. Передача из цилиндрических шестерен имеет обычно большое их количество, что увеличивает металло­емкость конструкции всего двигателя.

Рис.4.9. Привод к верхним распределительным валам:

1 — звездочка распределительного вала; 2 — цепь; 3 — успокоитель колебаний цепи; 4 — звездочка привода масляного насоса; 5 — звездочка коленчатого вала; 6 — башмак натяжителя цепи; 7 — натяжитель цепи; 8 — кулачковый вал; 9 — промежуточный вал; 10 — коленчатый вал; 11 — промежуточные ше­стерни; 12 — шкив распределительного вала; 13 — зубчатый ремень; 14 — шкив коленчатого вала; 15 — шкив жидкостного насоса; 16 — натяжной ролик

Рис.4.10. Привод к нижним распределительным валам с помощью: а – цепной передачи; б – зубчатой пары; в – промежуточных шестерен; 1 – кулачковый вал; 2 – цепь; 3 – коленчатый вал; 4 – промежуточная шестерня

Цепная пе­редача имеет следующие достоинства: простота конструкции; сравнительно малая шумность работы; возможность передачи вращения при больших межцентровых расстояниях коленчатых и распределитель­ных валов; снижение массы привода.

К недостаткам цепного привода можно отнести вибрацию цепи при резко меняющихся нагрузках, а также износ и вытяжку цепи в процессе эксплуатации. Для цепных приводов обязатель­ными являются натяжные устройства (лениксы) и успокоители ко­лебаний цепи.

Широкое распространение получили передачи, в которых вместо цепи исполь­зуется зубчатый ремень, изготовленный из синтетических матери­алов со стеклонитяным или проволочным кордом. Такой привод отличается достаточной дол­говечностью, устойчивостью регулировок, невысокой стоимос­тью, имеет низкий уровень шума, не требует смазки. Предохранительный буртик защищает ремень от схода с цилиндрических зубчатых шкивов.

В современных двигателях конструкции механизмов газораспределения позволяют оперативно изменять фазы газораспределения во время работы двигателя. В частности механизмы газораспределения с регулируемы­ми фазами подъема клапана. В этом механизме моменты открытия и закрытия клапана регулируются изменением взаимного положения оси вращения кулачка (распределительного вала) и оси качания рычага.

Выполняются они в двух вариантах:

регулирование фаз осуществляется изменением положения рычага 2 относительно кулачков распределительного вала, вращающегося в неподвижных опорах (рис. 4.11, а);

регулиру­емым элементом является распределительный вал 3 (рис. 4.11, б), вращающийся в эксцентричных отверстиях опор 4, угловое положе­ние которых устанавливается исполнительным устройством 1 в за­висимости от частоты вращения коленчатого вала.

Рис.4.11. Механизмы газораспределения с регулируемыми фазами

Основные параметры механизма