Что такое коромысло в двигателе

Рокер (коромысло) клапана

Рокер (рычаг привода клапана) — конструктивный элемент механизма привода клапанов. Встречается также название роликовый рычаг или коромысло. Задачей рокера становится передача усилия от кулачка распредвала на шток (стержень) клапана при верхнем расположении распредвала. Данное решение в устройстве привода клапанов обеспечивает ГРМ меньшую массу и снижает трение.

Коромысло (рокер клапана) принимает на себя поступательное движение штанги толкателя и передает это движение на шток клапана. Начальное усилие передается от кулачка распределительного вала. Рокеры находятся в верхней части ГБЦ. В центральную часть рокера впрессована ось, положение которой зафиксировано при помощи двух опорных штифтов коромысла. Опорные штифты вставлены в специальные стойки, которые в отдельных вариантах конструкции изготовлены в корпусе головки блока цилиндров.

Коромысло с одной стороны опирается на шток клапана, а с другой может опираться на гидрокомпенсатор. Некоторые конструкции механизма привода клапанов предусматривают то, что рокер опирается на специальную шаровую опору. Место контакта рокера и кулачка распределительного выполняется в виде ролика.

Коромысла клапанов в современных двигателях постепенно исключаются из устройства ГРМ благодаря активному применению конструкции с верхним расположением распределительного вала. Главной целью использования рокеров сегодня становится задача по уменьшению габаритов мотора. Это может быть необходимо для размещения ДВС в подкапотном пространстве малогабаритного автомобиля.

Рокер является рычагом, который имеет два «плеча» (двухплечевой рычаг). Коромысло клапана изготавливают при помощи формовки стали, методом литья или ковки. Последний вариант является более предпочтительным, так как кованые элементы имеют повышенную прочность. Кованые рокеры устанавливаются на мощные силовые агрегаты.

Гидрокомпенсатор (гидротолкатель) представляет собой цилиндр, который имеет в основе поршень с пружиной, обратный клапан и специальные каналы для реализации подвода моторного масла из системы смазки ДВС. Если гидравлический компенсатор расположен на толкателе клапана, такое устройство называется гидравлический толкатель (гидротолкатель).

Дополнительно в коротком плече имеется отверстие, которое обеспечивает доступ моторному маслу для смазки элементов. Для предотвращения перемещения рокера по оси коромысло удерживается при помощи спиральной пружины. Коромысло работает по следующему принципу, когда кулачок распредвала оказывает усилие на короткое плечо рокера, тем самым происходит подъем. Длинное плечо опускается вниз, осуществляя нажатие на шток клапана. Дополнительными элементами в конструкции рокера являются втулки для снижения трения.

В процессе работы боек рокера, подшипники и само коромысло подвержены механическим и тепловым нагрузкам, что приводит к износу и повреждениям. Коромысло может разламываться, что означает прекращение работы клапана. Если рокер сломался, тогда неисправность проявляется в виде характерного стука в ГБЦ и снижения отдачи от ДВС на различных режимах работы.

Назначение газораспределительного механизма. Составные элементы ГРМ на четырехтактном поршневом двигателе, отличительные особенности конструкции механизма.

Для чего необходимо регулировать тепловой зазор клапанов, ручная и автоматическая подстройка. Особенности эксплуатации двигателя с гидрокомпенсаторами.

Для чего и когда нужно регулировать клапана. Самостоятельная регулировка зазоров клапанного механизма при помощи щупа и регулировочных шайб. Рекомендации.

Назначение гидрокомпенсатора. Виды, устройство гидрокомпенсаторов, принципы работы и основные неисправности.

Назначение клапана ГРМ. Впускной и выпускной клапаны, устройство и особенности детали. Схемы компоновки и привод клапанов двигателя внутреннего сгорания.

Что такое рассухариватель клапанов и для чего он нужен. Существующие готовые разновидности специнструмента. Как сделать рассухариватель клапанов самому.

Источник

ГРМ. Назначение и устройство.

Газораспределительный механизм (ГРМ) обеспечивает своевременный впуск в цилиндры свежего заряда горючей смеси и выпуск отработавших газов. Он включает в себя элементы привода, распределительную шестерню, распределительный вал, детали привода клапанов, клапана с пружинами и направляющие втулки.
Распределительный вал служит для открытия клапанов в определенной последовательности в соответствии с порядком работы двигателя. Распредвалы отливают из специального чугуна или отковывают из стали. Трущиеся поверхности распределительных валов для уменьшения износа подвергнуты закалке при помощи нагрева 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.

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.
Привод распределительного вала от коленчатого вала может осуществляться одним из трех способов: ременной передачей, цепной передачей, а при нижнем расположении распредвала — зубчатыми шестернями. Цепной привод отличается надежностью, но его устройство сложнее и цена выше. Ременной привод существенно проще, но ресурс зубчатого ремня ограничен, а в случае его разрыва могут наступить тяжелые последствия.
При обрыве ремня распредвал останавливается, а коленвал продолжает вращаться. Чем это грозит? В простых двухклапанных моторах, где, как правило, поршень конструктивно не достает до головки открытого клапана, ремонт ограничивается заменой ремня. В современных многоклапанных двигателях при обрыве ремня поршни ударяются о клапана, «зависшие» в открытом состоянии. В результате сгибаются стержни клапанов, а также могут разрушиться направляющие втулки клапанов. В редких случаях разрушается поршень.

Еще тяжелее при обрыве ремня приходится дизелям. Так как камера сгорания у них находится в поршнях, то в ВМТ у клапанов остается очень мало места. Поэтому при зависании открытого клапана разрушаются толкатели, распредвал и его подшипники, велика вероятность деформирования шатунов. А если обрыв ремня произойдет на высоких оборотах, возможно даже повреждение блока цилиндров.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя происходит за два оборота коленвала. За это время должны последовательно открыться впускные и выпускные клапаны каждого цилиндра. Поэтому распредвал должен вращаться в два раза медленнее коленвала, а, следовательно, шестерня распредвала всегда в два раза больше шестерни коленвала. Клапаны в цилиндрах должны открываться и закрываться в зависимости от направления движения и положения поршней в цилиндре. При такте впуска, когда поршень движется от в.м.т. к н.м.т., впускной клапан должен быть открыт, а при тактах сжатия, рабочего хода и выпуска – закрыт. Чтобы обеспечить такую зависимость, для правильной установки на шестернях ГРМ делают метки.

Распределительный вал Шестерни распредвала Привод распредвала

Привод клапанов может осуществляться разными способами. При нижнем расположении распредвала, в картере двигателя, усилие от кулачков передается через толкатели, штанги и коромысла. При верхнем расположении возможны три варианта: привод коромыслами, привод рычагами и привод толкателями.
Коромысла (другие названия – роликовый рычаг или рокер) изготавливают из стали. Коромысло устанавливают на полую ось, закрепленную в стойках на головке цилиндров. Одной стороной коромысла упираются в кулачки распредвала, а другой воздействуют на торцевую часть стержня клапана. В отверстие коромысла для уменьшения трения запрессовывают бронзовую втулку. От продольного перемещения коромысло удерживается при помощи цилиндрической пружины. Во время работы двигателя в связи с нагревом клапанов их стержни удлиняются, что может привести к неплотной посадке клапана в седло. Поэтому между стержнем клапана и носком коромысла должен быть определенный тепловой зазор.
Во втором варианте распредвал располагается над клапанами, и приводит их в действие посредством рычагов. Кулачки распределительного вала действуют на рычаги, которые, поворачиваясь на сферической головке регулировочного болта, другим концом нажимают на стержень клапана и открывают его. Регулировочный болт ввернут во втулку головки цилиндров и стопорится контргайкой. Существуют ГРМ, в которых между рычагом и клапаном устанавливается гидрокомпенсатор. Такие механизмы не требуют регулировки зазора.
И, наконец, при третьем варианте привода распределительный вал при вращении воздействует непосредственно на толкатель клапана. 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 и вес, а, значит, и большие нагрузки на детали ГРМ.
Привод клапанов коромыслами Привод клапанов рычагами Типы гидрокомпенсаторов Применение гидрокомпенсаторов
Клапаны служат для периодического открытия и закрытия отверстий впускных и выпускных каналов. Клапан состоит из головки и стержня. Головка клапана имеет узкую, скошенную под определенным углом, фаску. Фаска клапана должна плотно прилегать к фаске седла. Для этой цели их взаимно притирают. Головки впускных и выпускных клапанов имеют неодинаковый диаметр. Для лучшего наполнения цилиндров свежей горючей смесью диаметр головки впускного клапана делают больше. Клапаны во время работы двигателя нагреваются неодинаково. Выпускные клапаны, контактирующие с отработанными газами, нагреваются больше. Поэтому их изготавливают из жароупорной стали.

Стержень клапана цилиндрической формы в верхней части имеет выточку для деталей крепления клапанной пружины. Стержень выпускного клапана — полый, с натриевым наполнением для лучшего охлаждения. Стержни клапанов помещают в направляющих втулках, изготовленных из чугуна или металлокерамики. Втулки запрессовывают в головку цилиндров.
Клапан прижимается к седлу при помощи цилиндрической стальной пружины. Кроме того, пружина не дает возможности клапану отрываться от коромысла. Пружина имеет переменный шаг витков, что необходимо для устранения ее вибрации. Другой вариант борьбы с вибрацией — установка двух пружин меньшей жесткости, имеющих противоположную навивку. Пружина одной стороной упирается в шайбу, расположенную на головке цилиндров, а другой – в упорную тарелку. Упорная тарелка удерживается на стержне клапана при помощи двух конических сухарей, внутренний буртик которых входит в выточку стержня клапана. Для уменьшения проникновения масла по стержням клапанов в камеру сгорания двигателя на стержни клапанов надеты маслоотражательные колпачки.
Работа гидрокомпенсатора Клапаны и пружины Клапаны и пружины
Фазы газораспределения

В теории открытие и закрытие клапанов должно происходить в моменты прихода поршня в мертвые точки. Однако в связи инерционностью процесса, особенно при больших оборотах коленвала, этого периода времени недостаточно для впуска свежей смеси и выпуска отработанных газов. Поэтому впускной клапан открывается до прихода поршня в в.м.т. в конце такта выпуска, т.е. с опережением в пределах 9-24 градусов поворота коленчатого вала, а закрывается в начале такта сжатия, когда коленвал пройдет положение н.м.т на 51-64 градусов. Таким образом, продолжительность открытия впускного клапана составит 240-270 градусов поворота коленчатого вала, что значительно увеличивает количество поступаемой в цилиндры горючей смеси.
Выпускной клапан открывается за 44-57 градусов до прихода поршня в н.м.т. в конце рабочего хода и закрывается после прихода поршня в в.м.т. такта выпуска на 13-27 градусов. Продолжительность открытия выпускного клапана составляет 240-260 градусов поворота коленчатого вала.
В двигателе бывают моменты (в конце такта выпуска и начале такта впуска) когда оба клапаны открыты. В это время происходит продувка цилиндров свежим зарядом горючей смеси для лучшей их очистки от продуктов сгорания. Этот период носит название перекрытие клапанов.
Моменты открытия и закрытия клапанов относительно мертвых точек, выраженных в градусах поворота коленчатого вала, называются фазами газораспределения.

Основные неисправности газораспределительного механизма.

Внешними признаками неисправности ГРМ являются: уменьшение компрессии, хлопки во впускном и выпускном трубопроводах, падение мощности двигателя и металлические стуки.
Уменьшение компрессии, хлопки во впускном и выпускном трубопроводах, а также падение мощности двигателя возможно вследствие плохого прилегания клапанов к седлам. Плохое прилегание клапана к седлу происходит вследствие отложения нагара на клапанах и седлах, образования раковин на рабочих поверхностях, коробления головок клапанов, поломки клапанных пружин, заедания стержня клапана в направляющей втулке, а также отсутствия зазора между стержнем клапана и коромыслом (рычагом).
Падение мощности двигателя и резкие металлические стуки могут происходить вследствие неполного открытия клапанов. Эта неисправность возникает из-за большого теплового зазора между стержнем клапана и коромыслом (рычагом) или отказа гидрокомпенсаторов.
К неисправностям ГРМ также относят износ шестерен распредвала и коленвала, направляющих втулок клапанов, втулок и осей коромысел, а также увеличенное осевое смещение распредвала.

Источник

Устройство автомобилей

Детали механизма газораспределения

Толкатели

Усилия от кулачков распределительного вала передается непосредственно клапанам или штангам через толкатели, которые воспринимают боковые нагрузки от кулачков и разгружают детали ГРМ. При работе толкатели клапанов следуют по контуру или профилю кулачков распределительного вала, тем самым обеспечивая преобразование вращения кулачка в возвратно-поступательное движение клапанного механизма.
Боковая поверхность толкателя изнашивается из-за трения в направляющих, а торцевые поверхности – под действием контактных напряжений, создаваемых кулачком распределительного вала и наконечником штанги либо пяткой стержня клапана.

Для обеспечения подвижного контакта со штангой в толкателях выполняется сферическое гнездо радиусом r₁ на 0,2…0,3 мм больше радиуса головки штанги r₂ (рис. 1, г).

В зависимости от схемы привода применяют толкатели различных конструкций. Наибольшее распространение получили грибковые толкатели с плоской или сферической опорной поверхностью; цилиндрические толкатели со сферической или роликовой опорной поверхностью; рычажные выпуклые или роликовые толкатели.

Для обеспечения равномерного изнашивания опорной поверхности толкателя обеспечивают его вращение вокруг своей оси путем смещения продольной оси толкателя относительно оси симметрии кулачка (рис. 1, б). С этой же целью опорная поверхность толкателя выполняется сферической, а опорная поверхность кулачка – концентрической с углом наклона образующей к оси вала 7’…15′.

Толкатели старых конструкций, в большинстве своем, имеют плоскую или выпуклую контактную поверхность, по которой скользит кулачок. Однако, в ряде конструкций толкателей используется ролик, перекатывающийся по поверхности кулачка (рис. 1, д). Роликовые толкатели используют в двигателях главным образом для снижения потерь на трение в клапанном механизме (эффект от снижения потерь достигает 8%). Снижение затрат на трение увеличивает экономичность двигателей и оправдывает повышение стоимости производства толкателей такой конструкции.

Роликовый цилиндрический толкатель обеспечивает меньшее изнашивание кулачка распределительного вала, чем грибковый или цилиндрический толкатель со сферической опорной поверхностью. Однако изнашивание боковых поверхностей роликового толкателя больше, так как такой толкатель не может вращаться вокруг своей оси, и боковые нагрузки всегда воспринимаются одними и теми же сопрягаемыми поверхностями.

Для предотвращения от поворачивания вокруг оси роликовые толкатели должны быть закреплены с помощью специальных держателей, удерживающих ролики в одной плоскости с кулачками распределительного вала. При поломке держателя роликовый толкатель получает свободу вращения вокруг своей оси, при этом разрушается как сам толкатель, так и распределительный вал.

Рычажные толкатели (рис. 1, ж), установленные на одной общей оси, не имеют направляющих, и, следовательно, трение скольжения в них отсутствует.

Общим недостатком роликовых толкателей является сложность конструкции и большая масса подвижных деталей, которая у рычажно-выпуклого толкателя несколько меньше.

Цилиндрические толкатели устанавливаются в направляющих, которые выполняются обычно в блок-картере.

Наличие зазоров в механизме газораспределения приводит к ударам движущихся деталей и ускорению их изнашивания.
Для устранения этого недостатка могут применяться так называемые гидравлические толкатели (гидрокомпенсаторы) (рис. 1, з), работающие без зазора.
Принцип действия конструкции, показанной на рисунке, заключается в следующем: штанга привода клапана упирается в головку 2 плунжера 3, расположенного внутри корпуса толкателя. Плунжер постоянно прижат пружиной 5 к штанге, а его внутренняя полость сообщается с масляной магистралью, и при открытом пластинчатом клапане 4 давление в ней равно давлению в масляной магистрали, которое создается насосом смазочной системы двигателя.

В начале подъема толкателя давление под плунжером резко увеличивается, что вызывает закрытие клапана 4, и усилие передается на штангу. Такие толкатели требуют для работы только чистое масло с высоким индексом вязкости.

Для изготовления толкателей используются специальные чугуны и стали. В чугунных толкателях опорная поверхность отбеливается, в стальных ее закаливают токами высокой частоты, наплавляют легированным отбеленным чугуном. Боковые и внутренние поверхности толкателей цементируют и закаливают. Ролики в роликовых и качающихся рычажных толкателях выполняются из шарикоподшипниковой стали, а втулки роликов – из бронзы.

Штанги

Штанги передают усилие от толкателей к коромыслам. Штанга должна иметь достаточную жесткость, устойчивость на продольный изгиб, небольшую массу и износоустойчивость рабочих поверхностей.

Для снижения массы стержни штанг чаще всего выполняют трубчатыми. В верхний и нижний концы стержней вставляют наконечники. Как правило, на нижнем наконечнике имеется сферическая головка, а на верхнем – сферическая головка или сферическое гнездо.
Верхний конец штанги, которым она упирается в клапанное коромысло придается сферическая форма, если в клапанном коромысле не предусмотрен регулировочный винт в точке контакта со штангой. Если же винт стоит, то в торце штанги делается лунка под шарообразную головку регулировочного винта, стоящего в клапанном коромысле.

Стержни штанг изготовляют из малоуглеродистой стали или алюминиевого сплава. Опорные поверхности наконечника подвергаются термической обработке и шлифуются. В некоторых двигателях для подачи масла от толкателей к коромыслам в наконечниках имеются осевые каналы.

Поскольку наиболее частой неисправностью штанги является продольный изгиб, при ремонте двигателя все штанги обязательно проверяют на прямолинейность, катая их по плоской поверхности либо вращая вокруг оси в специальном станке.

Коромысла клапанов и ось коромысла

Коромысло служит для передачи усилия от штанги (кулачка при верхнем распределительном вале) к стержню клапана.
В дизельных двигателях встречается, так называемое, форсуночное коромысло, которое служит не только для преобразования движения штанги толкателя в движение стержня клапана, но и для сжатия насос-форсунки. Кроме того, коромысло предназначено для уменьшения хода толкателя при сохранении необходимой высоты подъема клапана или хода сжатия насос-форсунки.

Коромысло представляет собой неравноплечий рычаг (рис. 4, д, е, ж), качающийся вокруг неподвижной оси (ось коромысел). Для уменьшения высоты подъема толкателей и штанг и уменьшения инерционных нагрузок на эти детали, плечи коромысла выполняются неодинаковыми. Передаточное число коромысла (соотношение между плечом стержня клапана и плечом штанги) составляет примерно 1,5:1. В этом случае высота подъема клапана в полтора раза превышает высоту подъема штанги толкателя клапана.
При таком передаточном числе клапанное коромысло получается достаточно компактным, что позволяет сократить габариты двигателя. Это также приводит к снижению скорости относительного скольжения вершины кулачка по торцу толкателя клапана.

Для регулировки теплового зазора в газораспределительном механизме в один конец коромысла, обычно обращенный к штанге, ввертывается регулировочный винт 3 с контргайкой.
В зависимости от типа наконечника штанги головка винта может быть сферической или с внутренней сферической поверхностью. Сферическая часть головки винта закаливается, цементируется и шлифуется. В теле винта высверливаются осевой и радиальный каналы для подвода смазочного материала к трущимся поверхностям штанги и винта от оси коромысла и наоборот, от штанги к втулке оси коромысла. Иногда в длинном плече коромысла выполняют канал для подвода масла к торцу стержня клапан. Носок коромысла, опирающийся на стержень клапана, тоже подвергается термической обработке.

Для уменьшения силы трения, возникающей при воздействии и проскальзывании носка коромысла по стержню клапана, головку клапанов выполняют сферической. Иногда в носок коромысла ввертывают винт 4 (см. рис. 4, е), в сферическое гнездо которого завальцовывают шарик 5 со срезанным сегментом.

Оси коромысла устанавливаются на бронзовых втулках. При установке на общих осях внутренние коромысла удерживаются от продольных перемещений спиральными пружинами, надеваемыми на ось, а коромысла на концах оси – пластинчатыми или пружинными кольцами, плоскими шайбами и шплинтами.

Оси коромысел перемещаются в специальных кронштейнах, которые крепятся к головке блока цилиндров болтами.

Смазка шарниров коромысел, установленных на оси, поступает по маслопроводным каналам, проходящим из блока цилиндров через головку блока цилиндров и полую ось к клапанным коромыслам.

Как правило, коромысла изготавливаются штамповкой из среднеуглеродистых сталей 40Х, 45, 45Л. Иногда для изготовления коромысел используют ковкие чугуны. В некоторых импортных дизельных моторах (Cummins, Komatsu, CAT, Detroit Diesel, Perkins, Deutz) используются кованые коромысла. Такие коромысла отличаются высокой прочностью, но их производство обходится дорого.

В быстроходных двигателях могут применяться облегченные коромысла, которые штампуются из листовой стали. Они качаются на сферической или полусферической опоре, закрепленной на стойке 6 (см. рис. 4, ж), которая запрессована в головку блока цилиндров. Коромысла в виде рычагов приводятся в движение непосредственно от распределительного вала, который воздействует на их плоские (рис. 4, б) либо сферические (рис. 4, в, г) рабочие поверхности.
Рычаги с плоскими рабочими поверхностями устанавливаются на оси, а со сферическими – на опорах и фиксируются на сферической опоре специальной пружиной. Смазываются такие рычаги через отверстие в кулачках распределительного вала. Особенность смазывания облегченного коромысла (рис 4, ж) заключается в том, что масло подводится к рабочим поверхностям коромысла из масляного канала 7 по осевому и радиальному отверстиям в стойке 6.

При осуществлении ремонта двигателя, связанного с демонтажем коромысел, их необходимо тщательно прочищать и осматривать на следы износа и повреждений; при необходимости неисправные коромысла следует заменять на работоспособные.
Если коромысла не имеют следов износа и повреждений, после очистки их можно повторно установить в двигатель.

Источник