Газораспределительный механизм ВАЗ 21081 (стр. 1 из 3)
Лабораторная работа №2
Газораспределительный механизм
1) Назначение ГРМ
ГРМ служит для управления процессами наполнения цилиндров воздухом или топливно-воздушной смесью и выпуска отработавших газов из цилиндров.
Управление процессами выпуска и впуска осуществляется путем открытия и закрытия отверстий в цилиндре двигателя от угла поворота кривошипа коленчатого вала.
2) Типы и виды ГРМ
а) Двигатели с распредвалом в блоке цилиндров
Нижнеклапанный двигатель (L-Head, Flathead, Side-Valve) — двигатель, у которого распредвал расположен в блоке и клапана расположены также в блоке, в ряд сбоку от цилиндров, тарелками вверх. Привод непосредственно от расположенного под ними распредвала.
Плюсы схемы — малая шумность, простота изготовления. Минусы — из-за сложного пути бензовоздушной смеси значительно ухудшается наполнение цилиндров, как следствие — достигается ощутимо меньшая мощность по сравнению с остальными конфигурациями. Кроме того, долгий путь выхлопных газов может способствовать перегреву двигателей, работающих в тяжёлых условиях.
Вплоть до 1950-х годов, благодаря своей простоте и дешевизне двигатели с таким ГРМ были наиболее распространены на легковых (кроме спортивных) и грузовых автомобилях. В 1950-х годах стали массово внедрять верхнеклапанные двигатели, лишённые присущих нижнеклапанной схеме недостатков. На грузовых автомобилях эта схема использовалась намного дольше, например, грузовик ГАЗ-52 выпускался до 1990-х годов. Двигатель получался громоздким, дорогим, поэтому схема не получила особого распространения.
Со смешанным расположением клапанов
У такого двигателя обычно впускные клапана находятся в головке блока, как у верхнеклапанного мотора, и приводятся в действие при помощи штанг-толкателей, а выпускные — в блоке, как у нижнеклапанного двигателя. Распредвал был один и был расположен в блоке, как у обычного нижнеклапанного мотора.
Эта схема обладает тем преимуществом, что её мощность ощутимо выше, чем у «чистого» нижнеклапанного. Как правило, такие двигатели переделывались из нижнеклапанных.
У этих двигателей клапана расположены в головке цилиндров, а распредвал — в блоке. Привод клапанов — штангами-толкателями через коромысла.
Плюс такой схемы — относительно простая конструкция. Минус — очень большая инерционность механизма газораспределения, что сильно ограничивает максимальные обороты коленчатого вала двигателя и, следовательно, мощность. Кроме того, такая схема в большинстве случаев не даёт использовать больше двух клапанов на цилиндр, усложняет проектирование впускных и выпускных окоон в головке цилиндров с высокоэффективной конфигурацией. Двигатели этой схемы как правило низкооборотные, относительно тихоходные, но с гибкой моментной характеристикой. Если не используются гидравлические толкатели, такой двигатель будет одним из наиболее шумных по сравнению с остальными схемами.
В СССР первым массовым верхнеклапанным мотором стал двигатель «Волги» ГАЗ-21. Из отечественных, такой механизм газораспределения имели такие автомобили, как «Волга» (все карбюраторные модели), «Москвич» всех моделей от —407 до —408 включительно, все грузовики с двигателями конфигурации V8.
б) Двигатели с распредвалом в головке цилиндров
Двигатель с одним распределительным валом и клапанами в головке
В зависимости от конкретной конфигурации привода клапанов, выделяют двигатели с:
· Приводом клапанов коромыслами (Москвич-412, старые модели BMW, Honda) — клапана расположены по бокам от распредвала (обычно, V-образно), приводятся в движение насаженными на общую ось коромыслами, которые кулачки вала толкают с одного конца, а другой приводит в движение стержни клапанов;
· Приводом клапанов рычагами (ВАЗ-2101, −06, …) — распредвал над расположенными в ряд клапанами, приводит их посредством рычагов, опирающихся на шаровую опору, толкая их кулачками примерно посередине; минус — повышенная шумность, высокие нагрузки в месте контакта кулачков вала и рычагов, сложная регулировка клапанного зазора.
· Приводом клапанов толкателями (ВАЗ-2108, многие высокооборотные двигатели) — очень простой механизм с минимальной инерцией деталей, в котором распредвал расположен прямо над клапанами, расположенными тарелками вниз, и приводит их в движение через цилиндрические толкатели; минус — меньшая эластичность характеристики двигателя, сложная регулировка клапанного зазора.
Двигатель с двумя распредвалами в головке цилиндров
При этом существуют две серьёзно различающиеся разновидности этого механизма, отличающиеся количеством клапанов.
С двумя клапанами на цилиндр
В головке цилиндров расположены два распредвала, один из которых приводит впускные клапана, второй — выпускные. Эта схема применялась в 1960-х — 1970-х годах на высокопотенциальных двигателях таких автомобилей, как Fiat 125, Jaguar, Alfa-Romeo, а так же опытном двигателе гоночных автомобилей Москвич-412Р, Москвич-Г4. В настоящее время не применяется.
Схема позволяет значительно увеличить количество оборотов коленчатого вала без вредных последствий для ГРМ за счёт уменьшения его инерции, следовательно, увеличить мощность, снимаемую с двигателя. Например, мощность спортивной модификации двигателя Москвича-412 развивала более 100 л.с.
С четырьмя клапанами на цилиндр
Два распредвала, каждый из которых приводит свой ряд клапанов, в котором есть и впускные, и выпускные. Привод клапанов, как правило, толкателями. Схема даёт большое преимущество по мощностной отдаче. Применяется на большей части современных автомобилях.
в) По количеству клапанов: одноклапанные, двухклапанные, трехклапанные, четырехклапанные, пятиклапанные.
Рис. 1.
г) По типу привода: шестеренчатый от коленчатого вала, ременный, цепной.
д) По типу расположения распределительного вала.
Рис. 2. Газораспределительные механизмы: а — с нижним расположением распредвала; б и в — с верхним расположением распредвала; 1 — кулачок; 2 — толкатель; 3 — штанга; 4 — коромысло; 5 — одноплечий рычаг.
При нижнем расположении распредвала усилие, необходимое для открытия клапанов, передаётся к ним от кулачков через толкатели, штанги и коромысла.
В ГРМ с верхним расположением распределительного вала привод клапанов осуществляется кулачком либо непосредственно через толкатели, либо через рычаги или коромысла.
3) Фазы газораспределения
Фазами газораспределения называется продолжительность открытия клапанов по углу поворота коленчатого вала.
Рис. 3. Круговая диаграмма фаз газораспределения 4-тактного двигателя
ϑвп = ϑовк + 180̊ + ϑзвк
ϑвып = ϑовк +180̊ + ϑзвк
4) Состав ГРМ
ГРМ состоит из следующих основных элементов (рис. 8): распределительного вала, толкателей, штанг, одно- или двуплечих рычагов (коромысел), клапанов и их пружин.
Рис. 4. Газораспределительный механизм: 1 — кулачок; 2 — толкатель; 3 — штанга; 4 — коромысло.
Распределительный вал — основная деталь газораспределительного механизма (ГРМ), служащего для синхронизации впуска/выпуска и тактов работы двигателя.
В современных автомобильных двигателях, как правило, расположен в верхней части головки блока цилиндров и соединён со шкивом или зубчатой звёздочкой коленвала ремнём или цепью ГРМ соответственно и вращается с вдвое меньшей частотой, чем последний (на 4-тактных двигателях). Составной частью распредвала являются его кулачки, количество которых соответствует количеству впускных и выпускных клапанов двигателя. Таким образом, каждому клапану соответствует индивидуальный кулачок, который и открывает клапан, набегая на рычаг толкателя клапана. Когда кулачок «сбегает» с рычага, клапан закрывается под действием мощной возвратной пружины.
Двигатели с рядной конфигурацией цилиндров и одной парой клапанов на цилиндр имеют один распределительный вал, а V-образные и оппозитные — два, по одному на каждый полублок (в каждой головке блока). Двигатели, имеющие 3 клапана на цилиндр (чаще всего два впускных и один выпускной) обычно имеют один распредвал на головку блока, а имеющие 4 клапана на цилиндр (два впускных и 2 выпускных) имеют 2 распредвала в каждой головке блока.
Современные двигатели часто имеют системы регулировки фаз газораспределения, то есть механизмы, которые позволяют проворачивать распредвал относительно приводной звездочки, тем самым изменяя момент открытия и закрытия (фазу) клапанов, что позволяет более эффективно наполнять рабочей смесью цилиндры на разных оборотах.
Рис. 5. Распределительный вал и крышки подшипников распределительного вала.
1 - распределительный вал; 2 – сальник; 3 - крышка подшипников распределительного вала; 4 – эксцентрик привода топливного насоса; 5 – кулачки; 6 – опорные шейки.
Кулачковый механизм — механизм, имеющий подвижное звено, совершающее вращательное движение — кулак (кулачок), с поверхностью переменной кривизны, взаимодействующей с другим подвижным звеном — толкателем, если подвижное звено совершает прямолинейное движение или коромысло, если подвижное звено совершает качание. Кулак, совершающий прямолинейное движение называется копиром.
Кулачковые механизмы подразделяют на 4 группы:
1. по типу толкателя
1. с плоским толкателем
2. с роликовым