2.3. Механизм газораспределения

Механизм газораспределения предназначен для своевременной подачи горючей смеси ( в двигателях с искровым воспламенением) или воздуха (в дизелях) в цилиндры двигателя и выпуска из них отработавших газов.

В современных двигателях механизм газораспределения состоит из клапанного механизма и системы его привода, включающей в себя распределительный вал, механизмы его привода и деталей передачи усилия от распределительного вала на клапаны.

Клапанный механизм состоит из клапанов, клапанных пружин, деталей их крепления и направляющих втулок. Клапан представляет собой деталь, образованную стержнем и головкой (рис. 2.17). Головка клапана работает в условиях высоких температур и давлений в агрессивной среде, поэтому клапан изготавливается из высокопрочной легированной стали. Диаметр головки впускных клапанов обычно несколько больше, чем у выпускных, это повышает пропускную способность впускного канала для лучшего наполнения цилиндров. Выпускной клапан постоянно контактирует с отработавшими газами, имеющими температуру порядка 700 °С, поэтому он изготавливается из жаропрочной стали.

Механизм газораспределения

Рис. 2.17. Механизм газораспределения: 1 — распределительный вал; 2 — толкатель; 3 — направляющая толкателей; 4 — штанга; 5 — прокладка крышки головки; 6 — коромысло; 7 — контргайка; 8 — регулировочный винт; 9 — болт крепления крышки головки; 10 — тарелка пружины; 11 — втулка тарелки; 12 — сухарь; 13 — внутренняя пружина; 14 — направляющая клапана; 15 — наружная пружина; 16 — шайба; 17 — стержень клапана (выпускного); 18 — тарелка клапана; 19 — седло клапана; А — тепловой зазор

Клапаны располагаются в головке цилиндров. У большинства двигателей автобусов на каждый цилиндр устанавливают по одному впускному и одному выпускному клапану, на двигателях ЗМЗ-406 на каждый цилиндр устанавливают по два впускных и два выпускных клапана. Клапаны надежно герметизируют внутреннюю полость цилиндра. Эта герметизация обеспечивается плотным прилеганием уплотняющей конической кромки клапана к поверхности седла. Седла — чугунные кольца с конической опорной поверхностью — запрессованы в отверстия головки цилиндров. Угол конуса уплотняющей кромки клапана и седла составляет 30 или 45°. Для надежной герметизации цилиндра кромка клапана должна плотно прилегать к кромке седла, что обеспечивается шлифовкой соответствующих поверхностей с последующей притиркой. Притирка представляет собой многократный проворот клапана относительно седла при нагружении значительной осевой силой, при этом в зону контакта подается специальная шлифовальная паста.

Надежное прилегание клапана к седлу обеспечивается одной или двумя концентричными витыми цилиндрическими пружинами, один торец которых упирается в головку блока, а другой — в тарелку клапана. Для этого в верхней части стержня клапана выполняется кольцевая проточка. В эту проточку вставляют два сухаря — разрезанную на две равные части втулку, имеющую коническую наружную поверхность и цилиндрическую внутреннюю. В проточку стержня входит кольцевой выступ, предусмотренный в середине внутренней цилиндрической поверхности сухарей. На наружную коническую поверхность сухарей опирается внутренняя коническая поверхность тарелки. Стержень клапана перемещается в направляющей втулке, запрессованной в головку блока. Втулки изготавливают из чугуна или из металлокерамики, представляющей собой пропитанную маслом спеченную смесь порошков железа, меди и графита.

Распределительный вал предназначен для своевременного открытия и закрытия клапанов, для привода топливного насоса и прерывателя-распределителя. Он может располагаться либо в блоке цилиндров при нижнем расположении, либо в головке блока — при верхнем. В большинстве рядных двигателей, имеющих по два клапана на цилиндр, применяется один распределительный вал. В двигателе ЗМЗ-406, имеющем четыре клапана на цилиндр, применяются два распределительных вала. В V-образных двигателях применяются один распределительный вал при расположении вала в развале между блоками и два распределительных вала — по одному на каждый блок при их верхнем расположении.

Распределительный вал представляет собой металлический стержень, образованный опорными шейками и расположенными между ними кулачками. Он может быть кованым из обычных или легированных среднеуглеродистых сталей. Опорные шейки, кулачки и эксцентрик привода топливного насоса подвергаются закалке токами высокой частоты. Вал может быть и литым, из специального чугуна, кулачки и эксцентрик также закалены. Опорные шейки вращаются в подшипниках скольжения в виде биметаллических втулок, установленных в отверстиях блока цилиндров при нижнем расположении вала или в отверстиях головки блока при верхнем расположении. Число опорных шеек обычно равно числу коренных шеек коленчатого вала. 

Для обеспечения технологичности диаметры опорных шеек выполняют одинаковыми, собираемость в этом случае обеспечивается установкой подшипников с гарантированным зазором 0,03…0,09 мм.

Иногда, для облегчения установки распределительного вала в блок или головку блока, диаметры опорных шеек делают неодинаковыми, уменьшая размер от передней к последней на 2…3 мм.

Осевая фиксация распределительного вала осуществляется специальными ограничительными фланцами, крепящимися болтовым соединением к блоку или головке блока. Допустимая величина осевого перемещения не должна превышать 0,1…0,2 мм.

При нижнем расположении вала его привод осуществляется чаще всего парой шестерен от коленчатого вала двигателя с передаточным числом, равным 2. Шестерню привода, установленную на коленчатом валу, обычно выполняют из стали, шестерню на распределительном валу — из пластмассы или чугуна.

При верхнем расположении вала привод может осуществляться двухрядной втулочно-роликовой цепью, приводимой звездочкой, установленной на коленчатом валу и передающей вращение на звездочку распределительного вала. Для компенсации износа цепи предусматривается натяжное устройство, а для исключения колебаний цепи — успокоитель. Натяжное устройство представляет собой башмак или ролик, прижимаемые к цепи специальным подпружиненным упором. В двигателях, предназначенных для малых и особо малых автобусов, привод вала часто осуществляется зубчатым ремнем, применение которого уменьшает шум. Привод ремня осуществляется зубчатыми шкивами, натяжение — роликами.

В настоящее время распространены двигатели с четырьмя клапанами на цилиндр. В этом случае в головке обычно устанавливают два распределительных вала: один для впускных, другой для выпускных клапанов.
Привод валов в этом случае осуществляется специальной втулочно-роликовой цепью, приводимой от звездочки промежуточного вала (рис. 2.18).

Двухступенчатый привод распределительных валов

Рис. 2.18 Двухступенчатый привод распределительных валов: 1—шумоизолирующие резиновые шайбы; 2 — пробки; 3 — нижняя цепь; 4 — ведомая звездочка промежуточного вала; 5 — ведущая звездочка промежуточного вала; 6 — башмак гидронатяжителя верхней цепи; 7 — гидронатяжитель верхней цепи; 8 — верхняя цепь; 9 — установочные метки на звездочкех; 10 — устеновочные штифты; 11 — звездочка распределительного вала впускных клапанов; 12 — верхний успокоитель цепи; 13 — звездочка распределительного вала выпускных клапанов; 14 — верхняя плоскость головки блока цилиндров; 15 — средний успокоитель цепи; 16 — нижний успокоитель цепи; 17 — крышке цепи; 18 — звездочка коленчатого вала; 19 — башмак гидронатяжителя нижней цепи; 20 — гидронатяжитель нижней цепи; М 1 и М 2 — устеновочные метки на блоке цилиндров

Воздействие кулачков распределительного вала (при нижнем его расположении) на клапан осуществляется через толкатели, штанги и коромысла. Толкатель представляет собой стальной стаканчик, установленный в отверстии блока. Донышко толкателя контактирует с кулачком, а во внутреннюю полость его входит штанга, передающая усилие от толкателя к коромыслу, — она должна иметь достаточную жесткость. Изготавливаются они обычно из дюралюминиевой трубки. На концы штанг напрессовывают стальные сферические наконечники, подвергнутые термообработке и шлифованию.

Коромысло представляет собой разноплечий рычаг, качающийся на оси. Подшипником служит бронзовая втулка. В некоторых случаях применяется единая ось для коромысел впускных и выпускных клапа-нов, однако чаще — отдельные оси. Коромысла отливают из чугуна или штампуют из стали. Короткое плечо коромысла обращено к толкателю, его конец имеет форму полого цилиндра с нарезанной внутри него резьбой под регулировочный болт. Внутри болта имеется отверстие для подвода масла к наконечнику штанги, фиксация болта осуществляется контргайкой. В осевом направлении коромысло фиксируется витыми цилиндрическими пружинами, надетыми на ось и установленными между соседними коромыслами или между коромыслом и опорой оси.

При верхнем расположении кулачкового вала воздействие вала на клапан может осуществляться либо через коромысло, либо через рокер, либо непосредственно на клапан через толкатель (рис. 2.19).

Конструктивные варианты привода клапанов

Рис. 2.19 Конструктивные варианты привода клапанов: а — привод клапанов с помощью штанг при нижнем расположении распределительного вала; б — привод клапанов рычажным толкателем; в — привод клапанов двумя коромыслами от одного кулачка верхнего распределительного вала; г — непосредственный привод от распределительного вала через толкатель при верхнем расположении клапанов; ОНV — верхнеклапанная схема; ОНС — верхнее расположение распределительного вала; DOНС — схема с двумя распределительными валами верхнего расположения

Коромысло в этом случае аналогично описанному выше. Рокер представляет собой одноплечий рычаг, один конец которого опирается на сферическую головку регулировочного болта, ввернутого во втулку, запрессованную в головку блока. Второй конец рычага контактирует с торцем стержня клапана. Фиксация регулировочного болта осуществляется контргайкой. Кулачок вала воздействует на верхнюю поверхность рокера.

В приводе от распределительного вала до клапана необходим тепловой зазор, который исчезает по мере нагрева деталей двигателя. Регулировка зазора осуществляется либо регулировочными болтами, установленными в коромысле или опоре рокера, либо регулировочными шайбами, устанавливаемыми между кулачком и тол-катедем при непосредственном воздействии кулачка на клапан. Тепловой зазор составляет обычно 0,2…0,3 мм. На многих современных двигателях установлены гидротолкатели, обеспечивающие автоматическую регулировку теплового зазора, а также гидронатяжители цепей или зубчатых ремней привода механизма газораспределения.