Газораспределительный механизм двигателя, конструкция и принцип действия

Устройство газораспределительного механизма

Газораспределительный механизм состоит из:

1. распределительного вала;
2. толкателей;
3. клапанов;
4. коромысла;
5.  штанги;
6.  привода.

1. Распределительный вал. Вращение распределительного вала приводит к своевременному открытию и закрытию клапанов газораспределительного механизма в зависимости от последовательности работы цилиндров двигателя, учитывая фазы газораспределения газов в механизме. Изготавливают распределительный вал из высокопрочной закаленной стали или чугуна. На валу ГРМ имеются опорные шейки и кулачки. Форма кулачков влияет на рабочие процессы распределения горючей смеси и газов, частоту и время открытия, закрытия клапанов. В торце распределительного вала ГРМ крепится звездочка (на которую устанавливается цепь) или шкив привода вала (на которую одевается ремень). Вал устанавливается в корпусе на подшипниках. В целях предотвращения осевых смещений распределительный вал имеет упорный фланец.

2. Толкатели. Толкатели – это детали газораспределительного механизма, которые служат для передачи усилий от кулачков распределительного вала к штангам коромысел. Толкатели изготавливают из высокопрочной стали или чугуна.

Виды толкателей: роликовые, цилиндрические, грибовидные.

Движение толкателей происходит в корпусах, закрепленных на блоке цилиндров или по направляющим.

3. Клапаны. Клапаны служат для подачи горючей смеси в цилиндры двигателя и вывода отработанных газов. Различают впускные и выпускные клапаны. Впускные служат для впуска горючей смеси, а выпускные клапаны служат для выпуска отработавших газов.

Конструкция клапана. Клапан состоит из стержня и головки. НА клапанной головке имеется кромка под 45 градусов для лучшего прилегания клапана. Впускной клапан отличается от выпускного диаметром. Выпускной клапан значительно больше по диаметру, чем впускной, так как объем отработавших газов превышает объем подающейся горючей смеси. Клапаны ГРМ установлены в головке блока цилиндров. Место их соединения называется седлом и имеет конусную форму. Для герметизации цилиндра предназначен клапанный механизм.  Для улучшения герметизации цилиндра проводят процесс под названием притирка клапанов. 

Впускные клапаны изготавливают из стали с хромистым покрытием, а выпускные клапаны из жаропрочной стали. Седла клапанов изготавливают из жаропрочного чугуна.

Движение стержней клапанов осуществляется по направляющим втулкам, которые изготавливаются из чугуна или стали. Направляющие соединены с головкой блока цилиндров. Клапаны оснащены внутренней и наружной пружинами. Пружины же крепятся с помощью тарелок, сухарей и шайб.  

Открытие клапанов осуществляется через усилие, которое передается от распределительного вала на клапан.

Газораспределительный механизм современных двигателей устроен таким образом, что на каждый цилиндр двигателя имеется по два клапана впуска и два клапана выпуска. Для снятия клапанов используют рассухариватели клапанов. 

4. Штанги

Штанги служат для передачи усилия от толкателей к коромыслам.  Штанги толкателей могут иметь  форму полых цилиндрических стержней со стальными наконечниками.

Штанги изготавливают из износостойкого алюминиевого сплава, крепятся с одной стороны к коромыслу, а с другой – к толкателю.

5. Коромысло

Коромысло служит для передачи усилия от штанги к клапанам. Коромысло выполнено в виде рычага с двумя плечами, который крепится на оси. При этом одно плечо длиннее, чем другое (возле штанги).

Коромысла изготавливают из прочной стали. Устанавливают коромысло на оси, которая крепится к головке цилиндров, на специальных втулках.  Втулки предназначены для уменьшения трения между осью и коромыслом.

6. Привод распределительного вала

Распределительный вал приводится в движение от коленчатого вала при помощи привода, который может быть, как мы говорили цепной, шестеренчатый, ременной.

 Скорость вращения распределительного вала в 2 раза меньше, чем скорость вращения коленчатого вала, что обеспечивается передаточным числом звездочки, либо размером шкива.

Таким образом, за два вращения коленчатого вала, распределительный вал совершит только одно вращение, что необходимо для осуществления одного рабочего цикла.

Часто встречается в обиходе автомобилистов такой термин, как тепловой зазор. 

Устройство газораспределительного механизма

Газораспределительный механизм состоит из следующих элементов:

1. Распределительный вал — изготовляется из чугуна или стали — в задачу которого входит открывание/закрывание клапанов газораспределительного механизма при работе цилиндров. Он монтируется в картере, который перекрывает крышка газораспределительного механизма, или в головке блока цилиндра. При вращении вала на цилиндрических шейках происходит воздействие на клапан. На него воздействуют кулачки, расположенные на распределительном валу. На каждый клапан воздействует свой кулачек.
2. Толкатели, изготовленные также из чугуна или стали. В их задачу входит передача усилия от кулачков на клапаны.
3. Клапаны впускные и выпускные. В их задачу входит подача топливно-воздушное смеси в камеру сгорания и удаления отработочных газов. Клапан представляет из себя стержень с плоской головкой. Основным отличием впускных и выпускных клапанов является диаметр головки. Впускной состоит из стали с хромированным покрытием, а выпускной — из жаропрочной стали. Клапанный стержень изготавливается в виде цилиндра с канавкой, необходимой для фиксирования пружины. Клапана двигаются только по направлению ко втулкам. Чтоб масло не попадало в камеру сгорания цилиндра, производят установку уплотнительного колпачка. Его изготавливают из маслостойкой резины. На каждый клапан крепятся внутренняя и наружная пружина, для крепления используют шайбы, тарелки.
4. Штанги. Они необходимы для передачи усилия от толкателей к коромыслу.
5. Привод газораспределительного механизма. Он передает вращение коленвала на распредвал и тем самым приводит его в движения, причем движется он со скоростью в 2 раза меньше, чем скорость коленвала. На 2 вращения коленвала распредвал делает 1 вращение — это и называется рабочим циклом, при котором происходит 1 открытие клапанов.

Схема устройства ГРМ Таково устройство ГРМ и общая схема газораспределительного механизма. Теперь следует разобраться, каков принцип работы газораспределительного механизма.

Как отрегулировать клапана

Все процедуры необходимо проводить только на холодном двигателе. Это делается для того, чтобы результаты нстройки остались стандартными: именно так поступают на заводах-изготовителях. Стоит отметить, что порядок регулировки клапанов на каждой машине свой: узнать его можно из инструкции к автомобилю или соответствующей литературы. Процесс осуществляется посредством вкручивания или выкручивания специальных регулировочных винтов, либо подбором плоских шайб. Каждый из этих вариантов рассматривается отдельно.

Использование специальных инструментов

Регулировка клапанов двигателя производится с помощью набора щупов или посредством специальной рейки и индикатора. Оба способа достаточно широко распространены: первый отличается простотой, доступностью и требует минимальных финансовых и временных затрат. Чтобы применить второй метод, придется купить прибор и специальное приспособление.

Регулировка с помощью щупа и контргаек

Подобный способ настройки ГРМ характерен для российских заднеприводных авто («классика»). Алгоритм действий:

• Демонтируйте корпус воздушного фильтра и от клапанной крышки отсоедините все трубки, тросики и рычажки. Для облегченного проворачивания коленвала двигателя выверните свечи зажигания.
• Снимите клапанную крышку и передний кожух ремня ГРМ (если он есть – может быть и цепь).
• Выставите поршень цилиндра, с которого начнется процедура (например, в жигулевской «классике» он 4-й) в положение верхней мертвой точки: клапаны окажутся в закрытом положении.

• Наблюдая за меткой-углублением на шкиве вала двигателя, проворачивайте его до совпадения с риской на нижней передней крышке БЦ . Точка-углубление на звездочке вала ГРМ тоже должна совпасть с меткой на его «постели» (корпусе).
• Рожковым ключом удерживайте регулировочный метиз и одновременно ослабьте контргайку. Далее нужно пользоваться набором щупов для регулировки клапанов. Выберете нужную тонкую пластину, вставьте ее между коромыслом и стержнем клапана. Щуп при нормальной настройке будет проходить с небольшим трением. Значение зазора необходимо отрегулировать по таблице, которая для каждой машины своя (для ВАЗ2101-07 – 0,15 мм). Теперь затяните контргайку и еще раз проверьте зазор. При необходимости операцию повторите. Соблюдайте порядок регулировки клапанов: например, для «классики» ВАЗ: 8-6, 4-7, 1-3, 5-2.

Регулировка с помощью шайб

Подобная настройка ГРМ больше характерна для переднеприводных автомобилей. Чтобы ее произвести, необходимо:

1. Снять крышку клапанов.
2. Найти метки на блоке мотора, шкиве ремня ГРМ и, проворачивая коленвал по часовой стрелке, добиться их совпадения. В итоге первый поршень окажется в положении ВМТ.
3. Определите зазор между регулировочной шайбой и кулачком распределительного вала (они – первые, если смотреть со стороны шкива).
4. При большем или меньшим зазоре подберите другую шайбу (на каждой есть соответствующая маркировка, если нет – воспользуйтесь штангенциркулем, а лучше — микрометром).
5. После установки шайбы снова проверьте зазор: допустимое отклонение – не более 0,05 мм в обе стороны.
6. Не забывайте, что величина зазора для впускного и выпускного клапанов разная – данный параметр необходимо выяснить из инструкции по эксплуатации конкретного авто.

Регулировка с помощью индикатора и рейки

Этот метод считается более точным и был особенно популярен во времена ССССР. Подобный способ регулировки хорош для двигателей, находящихся в эксплуатации длительное время, т. к. прибор и рейка при измерении учитывают выработки на поверхностях деталей. Ход процедуры:

1. Снимите клапанную крышку, предварительно отсоединив от нее рычаги и тросики.
2. Прокрутите вал двигателя до совпадения меток, точно так же, как при регулировке клапанов с помощью щупа.
3. Возьмите рейку и зафиксируйте ее на головке блока цилиндров (крепление осуществляется к шпилькам корпуса «постели») распредвала. Есть небольшой нюанс: не нужно вкручивать полностью все 3 гайки крепления рейки, иначе она будет болтаться. Прежде всего заверните крайние метизы, далее начинайте откручивать средний болт, пока рейка не станет неподвижной.
4. Возьмите стрелочный индикатор и закрепите его на рейке, а лапку прибора поставьте на край кулачка клапана.
5. Захватом, входящим в комплект, уцепите кулачок и потяните его вверх: стрелка индикатора должна пройти 52 деления (при температуре воздуха +20 градусов). Если это не так, то нужно регулировать клапан одним из двух вышеописанных способов.

Банда четырех для всех любителей быстрой езды

Великолепные инженеры копании Peugeot весьма любили погонять на дороге. Посовещавшись, они пришли к разработке теоретической части автомобильного мотора. В тот период времени, до того, как был создан мотор DOHC, обороты не доходили выше 2000. «Банда четырех» задумалась над тем, чтобы произвести мощный и быстрый, сложный и сверхэкономичный автомобильный двигатель, аналогов которому мир на тот момент еще не знал.

Основа устройства была предложена по идее Зуккарелли. По его мнению, необходимо было поменять некоторые конструктивные особенности, а именно поместить каждый распределительный вал над клапанами. Вследствие таких операций ненужные элементы конструкции просто отпадают. А для большей легкости клапанов, им предложено было взять четыре легких клапана, вместо двух более тяжелых. Такие особенности считались инновационными, но в полной мере позволили решить основные поставленные задачи.

Двигатель DOHC на странице в Википедии представлен двумя распределительными валами, помещенными в головку цилиндра и четырьмя клапанами для каждого цилиндра. Данная статья расскажет о создании и конструктивных особенностях двигателей DOHC — это несомненно будет интересно не только специалистам, но и вполне рядовым автолюбителям. Двигатель DOHC обладает распределительным валом, который размещается над рядами клапанов как над впускными, так и над выпускными. «Посредники» (коромысла, штанги, рокеры) в данном случае отсутствуют, поскольку их функции перераспределены между другими элементами нового мотора. А для легкости каждого клапана, сверху цилиндра устанавливается четыре, а не привычные два, легких клапана. Таким образом, когда обороты увеличатся, пружины будут принимать значительно меньше нагрузки — это существенно уменьшает их износ и продлевает жизнь мотору в целом.

Работа газораспределительного механизма

Работа системы газораспределения поделена на четыре фазы:

1. Впрыск топлива в камеру сгорания цилиндра.
2. Сжатие.
3. Рабочий ход.
4. Удаления газов из камеры сгорания цилиндра.

Рассмотрим подробнее принцип действия газораспределительного механизма.

1. Подача топлива в камеру сгорания цилиндра происходит за счет движения коленвала, который передает свое усилие на поршень и он начинает движения из так называемой ВМТ (это точка, выше которой поршень не поднимается) в НМТ (это точка, соответственно, ниже которой поршень не опускается). При этом движении поршня одновременно открывается впускной клапан и топливно-воздушная смесь заполняет камеру сгорания цилиндра. Впрыснув положенное количество топливно-воздушной смеси клапан закрывается. При этом коленвал поворачивается на 180 градусов от своего начального положения.
2. Сжатие. Дойдя до НМТ поршень продолжает свое движение. Меняя свое направление в ВМТ, в этот момент в цилиндре и происходит сжатие топливно-воздушной смеси. При подходе поршня к высшей точке фаза сжатия заканчивается. Коленчатый вал продолжает свое движения и поворачивается на 360 градусов. И на этом фаза сжатия закончена.
3. Рабочий ход. Воздушно-топливная смесь воспламеняется свечей зажигания, когда поршень находится в высшей точке цилиндра. При этом достигается максимальный момент сжатия. Затем поршень начинает двигаться к нижней точке цилиндра, так как на поршень оказывают огромное давление газы, образовавшиеся при горении воздушно-топливной смеси. Это движение и есть рабочий ход. При опускании поршня до НМТ фаза рабочего хода считается завершенной.
4. Удаления газов из камеры сгорания цилиндра. Поршень движется к высшей точке цилиндра, все это происходит при усилии, которое оказывает коленчатый вал газораспределительного механизма двигателя. При этом открывается выпускной клапан и поршень начинает избавлять камеру сгорания цилиндра от газов, которые образовались после сгорания топливно-воздушной смеси в камере сгорания цилиндра. После достижения высшей точки и освобождения ее от газов. Поршень начинает свое движение в низ. Когда поршень доходит да НМТ, то рабочая фаза удаления газов из камеры сгорания цилиндра считается законченной, а коленчатый вал совершает оборот на 720 градусов от своего начального положения.

Для точной работы клапанов газораспределительной системы происходит синхронизация с работой коленчатого вала двигателя.

Ремонт распределительного вала

Основными дефектами распределительного вала являются:

1. износ опорных шеек;
2. износ винтовой шестерни привода масляного насоса;
3. износ кулачков;
4. прогиб;
5. увеличение осевого зазора.

Опорные шейки при износе ремонтируют двумя способами:

• шлифованием их на меньший диаметр
• хромированием

Первый способ ремонта применяют в тех случаях, когда опорами для шеек вала служат сменные втулки, запрессованные в гнезда блока. Если распределительный вал вращается в гнездах, выполненных непосредственно в блоке, то опорные шейки ремонтируют хромированием.

Шейки шлифуют на круглошлифовальном или токарном станке супортно-шлифовальным приспособлением.

Перед шлифованием вал проверяют в центрах по индикатору и выправляют под прессом, если биение превышает 0,05 мм. При шлифовании шеек необходимо учитывать высоту кулачков, так как иначе может создаться положение, при котором вал нельзя будет установить во втулки уменьшенного ремонтного размера. Высота кулачка должна быть меньше самой малой опорной шейки вала на 1—1,5 мм.

После шлифования шеек из блока выпрессовывают старые опорные втулки и запрессовывают новые полуобработанные, внутреннее отверстие которых необходимо обработать под размер шеек развертыванием.

Втулки двигателя ГАЗ-51 имеют два диаметрально расположенных отверстия, из которых одно — большего диаметра — служит для подвода смазки и должно точно располагаться против смазочного канала, а другое, меньшего размера, служит для закрепления втулки и должно располагаться против лунки в гнезде блока.

Втулку закрепляют длинным бородком, устанавливаемым в масляный канал, при помощи которого раскернивают малое отверстие втулки; образующийся при этом выступ входит в лунку гнезда блока.

После закрепления втулок их развертывают длинной раздвижной разверткой, обеспечивающей сохранение параллельности осей коленчатого и распределительного валов. При отсутствии сменных втулок (автомобили ГАЗ-MM, «Москвич») гнездам в блоке придают правильную геометрическую форму развертыванием, а опорные шейки хромируют и прошлифовывают на требуемый размер.

Кулачки с небольшим износом и задирами зачищают вначале крупной, а затем мелкой наждачной бумагой, которая должна облегать не менее половины профиля кулачка.

При большом износе кулачков вал заменяют или наплавляют изношенные места газовой сваркой сплавом сормайт. При этом вал помещают в ванну с водой, оставляя на поверхности только часть кулачка, подлежащую наплавке. При наплавке поверхность кулачка достаточно нагреть до состояния «потения», и расплавленный сормайт будет хорошо растекаться по поверхности. При отсутствии сормайта наплавлять можно проволокой от старых клапанных пружин при помощи газовой или электродуговой сварки.

После наплавки сормайтом последующая обработка заключается только в зачистке, а при наплавке сталью необходима закалка. При значительном износе приводной шестерни масляного насоса распределительный вал следует заменить.

Увеличенный осевой зазор распределительного вала устраняют путем регулировки упорного болта, помещенного в крышке распределительных шестерен (автомобили ЗИС-5 и ЗИС-150). Для этого болт завертывают до упора в торец вала, а затем, отвертывают на 1/6 оборота и закрепляют контргайку. Если распределительный вал от осевого смещения удерживается упорной шайбой (автомобили М-20 «Победа», ГАЗ-51), то уменьшение осевого зазора до нормальной величины 0,10—0,20 мм достигается заменой изношенной упорной шайбы. Если же это окажется недостаточным, то следует уменьшить толщину распорного кольца, установленного между задним торцом ступицы распределительной шестерни и торцом первой опорной шейки распределительного вала.

Устройство газораспределительного механизма

В современных моторах газораспределительный механизм располагается в головке блока цилиндров двигателя. В его состав входят следующие основные элементы:

1. Распределительный вал. Это сложная по конструкции деталь, которая изготавливается из прочной стали или чугуна с высокой точностью обработки. В зависимости от конструкции ГРМ распредвал может устанавливаться в головке блока цилиндров или в картере двигателя (такая компоновка сейчас не применяется). Это основная деталь, которая отвечает за последовательное открытие и закрытие клапанов. Распределительный вал

На валу имеются опорные шейки и кулачки, которые и толкают стержень клапана или коромысло. Форма кулачка имеет строго определенную геометрию, поскольку от этого зависит длительность и степень открытия клапана. Также кулачки выполнены разнонаправленными, чтобы обеспечивать попеременную работу цилиндров.

Привод. Крутящий момент от коленчатого вала передается через привод на распределительный вал. Привод бывает разным в зависимости от конструктивного решения. Шестерня коленвала в два раза меньше шестерни распредвала. Таким образом, коленчатый вал вращается в два раза быстрее. В зависимости от типа привода в его состав входят:

• цепь или ремень;
• шестерни валов;
• натяжитель (натяжной ролик);
• успокоитель и башмак.

Впускные и выпускные клапаны. Они расположены в головке блока цилиндров и представляют собой стержни с плоской головкой на одном конце, которая называется тарелкой. Впускные и выпускные клапаны отличаются по конструкции. Впускной изготавливается цельной деталью. Также он имеет больший диаметр тарелки для обеспечения лучшего наполнения цилиндра свежим зарядом. Выпускной часто изготавливают из жаропрочной стали и с полым стержнем для лучшего охлаждения, так как в работе он подвергается более высоким температурам. Внутри полости находится натриевый наполнитель, который легко плавится и отводит часть тепла от тарелки к стержню.
Впускные и выпускные клапаны с пружинами

На тарелках клапанов сделаны специальные фаски, которые обеспечивают более плотное прилегание к отверстиям в головке блока цилиндров. Это место называется седлом. Кроме самих клапанов, в механизме предусмотрены дополнительные элементы, обеспечивающие его правильную работу:

• Пружины. Возвращают клапаны в исходное положение после нажатия.
• Маслосъемные колпачки. Представляют собой специальные уплотнители, которые не допускают попадания масла в камеру сгорания по стержню клапана.
• Направляющая втулка. Устанавливается в корпус ГБЦ и обеспечивает точное движение клапана.
• Сухари. С их помощью пружина крепится на стержне клапана.

Толкатели. Через толкатели передается усилие от кулачка распредвала на стержень. Изготавливаются из высокопрочной стали. Они бывают разных видов (механические (стаканы), роликовые, гидрокомпенсаторы). Тепловой зазор между механическими толкателями и кулачками распредвала регулируется вручную. Гидрокомпенсаторы или гидротолкатели автоматически поддерживают нужный тепловой зазор и не требуют регулировки.

Коромысло или рычаги. Простое коромысло представляет собой двуплечный рычаг, который совершает качательные движения. В различной компоновке коромысла могут работать по-разному.

Коромысло

Системы изменения фаз газораспределения. Данные системы устанавливаются не на все двигатели. Более подробно про устройство и принцип работы CVVT можно прочитать в отдельной статье на нашем сайте.

Правильный выбор запасных частей

Как показывает практика, наиболее часто вызывает проблему при капитальном ремонте двигателя ГРМ. Причем далеко не всегда она кроется в несвоевременном обслуживании. В некоторых случаях все дело в запчастях. Дело в том, что есть оригинальные ремни, ролики и водяные насосы. Под словом «оригинальные» стоит понимать те запасные части, которые были установлены заводом изготовителем. В большинстве случаев они имеют достаточно длительный ресурс и хороший запас прочности при правильной эксплуатации и обслуживании. К примеру, водяная помпа рассчитана в среднем на 150 тысяч пробега. Такой интервал выдерживают абсолютно все детали, начиная от обводных роликов и заканчивая ремнем или же цепью. Но даже при приближении такого пробега, ГРМ может работать вполне нормально еще 30 или 50 тысяч километров. Но уже нет никакой гарантии, что его не оборвет в самый неподходящий момент. Тем не менее определенный запас производителем все же заложен.

Ну а сейчас следующая ситуация. Оригинальные детали на большую часть автомобилей стоят приличных денег. Исключением являются только некоторые автомобили семейства ВАЗ. Ремонт ГРМ «Жигулей» — не слишком затратное и сложное мероприятие. Ну а если под капотом 5-литровый монстр, то покупка оригиналов ГРМ на него обойдется не в одну сотню долларов. Вполне естественно, что автомобилисты хотят сэкономить, приобретая аналоги не самого лучшего качества. В результате уже через 10-20 тысяч километров появляется люфт в подшипниках, начинает подтекать помпа и т. п. Водитель в этом случае вынужден повторно менять детали ГРМ, что приводит к неоправданным затратам. В худшем случае придется выполнять такие работы, как ремонт клапанов ГРМ, а точнее, их полную замену.