АвтоТехник, Автомобили, ремонт, устройство, размеры коленвалов и поршневых групп двигателей » Условия работы клапанов головки блока

Клапаны работают в условиях ударных нагрузок при высоких температурах. Ударные нагрузки возникают в момент открытия (сжатие) и закрытия (растяжение) и являются знакопеременными, т.е. опасными с точки зрения усталостной прочности. Температура тарелки выпускного клапана достигает 800-900°С, в то время как конца его стержня: 150-200°С. Для того, чтобы обеспечить работоспособность клапана в таких условиях, необходимо иметь определенную конструкцию деталей клапанного механизма и надлежащие материалы.
Наиболее распространённая конструкция расположения клапанов в головке это с алюминиевая головка вставные чугунные седла и направляющие втулки (как правило материал направляющей втулки у каждой модели двигателя свой, специально разработанный производителем данного двигателя, в это и является проблема при замене втулок, чтобы новые были соответствующего качества). Тарелка клапана опирается на седло, запрессованное в соответствующее гнездо головки, а стержень расположен в направляющей втулке , также запрессованной в отверстие головки. На конце стержня клапана имеется проточка для установки сухарей , фиксирующих тарелку и пружины . На втулку сверху одевается маслоотражательный колпачок , препятствующий попаданию масла через зазор между стержнем и втулкой в камеру сгорания или выпускной канал. При работе двигателя тарелка клапана нагревается от горячих газов. Выпускной клапан большую часть времени цикла на-ходится в потоке продуктов сгорания, в то время как впускной клапан периодически охлаждается холодным воздухом или топливо-воздушной смесью, и его температура существенно ниже (порядка 450-500°С). Большая часть тепла от нагретой тарелки сбрасывается в седло, а меньшая — распространяется выше по стержню и уходит через направляющую втулку. Для обеспечения работоспособности клапана его тарелка должна хорошо контактировать с седлом, причем по определенной площади( как правило толщина контакта должна быть в пределах1-2 мм.). Большинство неисправностей, связанных с клапанным механизмом, возникает из-за неплотной посадки клапана на седло вследствие износа седла, фаски и стержня клапана, направляющей втулки. Так, износ фасок клапана и седла приво¬дит к постепенному “утопанию” клапана в головке, уменьшению зазора в механизме привода, ухудшению контакта тарелки с седлом. Сильно нагретый клапан в процессе работы двигателя расширяется сильнее, чем головка блока. Если зазор в его приводе, например, в холодном состоянии будет недостаточным, то при работе горячий клапан “зависнет”, а это приведет к его перегреву и прогару. Неплотная посадка клапана возможна также вследствие износа стержня и направляющей втулки (обычно, в направлении, перпендикулярном оси распределительного вала, т.е. в направлении действия боковых нагрузок на клапан). В этом случае может происходить неравномерный износ седла, а клапан контактирует тогда с седлом только на небольших участках окружности тарелки. Негерметичность клапана приводит не только к ухудшению теплоотдачи в седло, но и дополнительному нагреву клапана за счет прохода горячих газов через просветы между седлом и клапаном. Тогда процесс разрушения клапана может происходить лавинообразно — чем больше образуется щель в седле, тем больше перегрев и быстрее разрушение тарелки. При сильном нагреве выпускного клапана возможен так же перегрев седла и ослабление его посадки в головке. В некоторых случаях это может привести к выпаданию седла и весьма серьезным разрушениям в двигателе. В процессе эксплуатации втулка и стержень клапана по длине также изнашиваются неравномерно — в нижней части вблизи канала обычно сильнее. Особенно это характерно для выпускных клапанов. Износ стержня выпускного клапана внизу нередко связан с высокой его температурой. Так, стержень, нагреваясь внизу, несколько расширяется (на 0,015 — 0,030 мм) и постепенно изнашивает втулку, которая приобретает коническую форму, близкую к форме нагретого стержня. Вследствие тяжелых условий работы для клапанов исполь¬зуют специальные жаропрочные материалы — стали и сплавы с большим содержанием хрома (10% и более), никеля, молибдена или вольфрама. Иногда для выпускных клапанов используют разнородные материалы, соединяемые диффузионной сваркой: для тарелки — жаропрочные сплавы, а для стержня -сталь. Стержни клапанов некоторых двигателей (MERCEDES-BENZ, BMW, VOLKSWAGEN, GM и др.) хромируются для повышения их износостойкости, особенно когда направляющая втулка выполнена из мягкого материала (бронза). Иногда фаска выпускных клапанов покрывается слоем твердого сплава — стеллита, а торец стального стержня закаливается токами высокой частоты (ТВЧ). Особенно высокие требования предъявляются к выпускным клапанам двигателей с наддувом и дизелей, где используются наиболее жаропрочные и износостойкие материалы. На некоторых двигателях (MERCEDES-BENZ) применяются полые выпускные клапаны, в которых во внутренней полости находится натрий . Такой охлаждаемый клапан позволяет значительно увеличить отвод тепла через стер¬жень во втулку. Натрий заполняет внутреннюю полость клапана частично и при возвратно-поступательном движении кла¬пана двигается вверх-вниз, играя роль жидкого теплоносителя. В результате поток тепла во втулку с 10-И 5% от общего количества тепла, проходящего через клапан, возрастает до 25-30%, а температура тарелки падает. Недостатками охлаждаемых клапанов является более толстый стержень, большая масса и высокая стоимость, поэтому они не получили широкого распространения. Общей тенденцией для двигателестроения является уменьшение диаметра стержня клапана. Если двигатели прошлых лет имели диаметр стержня обычно 8 — 9 мм (некоторые даже 10 — 11 мм), то сейчас с переходом на многоклапанные конструкции диаметр стержня уменьшился до 7 мм, а на некоторых двигателях до 6,0 мм и даже до 5,5 мм. Большинство клапанов автомобильных двигателей имеет фаску 44 — 45° шириной 1,5 — 2,5 мм, однако встречаются конструкции с фаской 30° (ALFA ROMEO). Профили седел выполняются ступенчатыми, т.е., помимо уплотнительной фаски, на седле создаются при-мыкающие фаски (поэтому при ремонте головки применяются шарошки трёх видов средняя для посадочной т.е. контактной поверхности а две другие для плавного перехода от поверхности камеры сгорания к тоннелю впускного или выпусного канала внутри головки блока). Подобная конфигурация седла уменьшает сопротивление потоку газов при течении через клапан. Уплотнительная фаска седла имеет обычно несколько меньшую ширину, чем фаска клапана. Седла запрессовываются в алюминиевую головку с натя¬гом 0,1 — 0,12 мм. Такой натяг необходим, чтобы исключить выпадение седла при нагреве, когда, например, головка из алюминиевого сплава расширяется больше, чем чугунное седло. С этой же целью на седлах нередко делают канавки ) или фаски с последующей завальцовкой материала головки на фаску. В чугунных головках натяг седла может быть уменьшен до 0,08-0,10 мм. Седла клапанов, особенно выпускных, работают в тяжелых условиях ударных нагрузок, высокой температуры и агрессивной среды (отработавшие газы). Поэтому требования к материалу здесь достаточно высоки. Обычно применяют высокопрочные и жаропрочные чугуны или, реже, легированные стали, однако в последние годы появились специальные спеченные порошковые материалы. На последних моделях дизелей применяются также седла из специальной бронзы, обеспечивающей улучшение отвода тепла от тарелок клапанов. Направляющая втулка клапана работает в паре со стержнем и должна обладать высокой износостойкостью в условиях повышенных температур и недостаточной смазки. Наиболее распространены втулки из чугуна, бронзы и спеченных материалов (металлокерамики). Выбор того или иного материала втулки всегда согласован с материалом стержня клапана для получения высокой долговечности деталей. В этой связи следует отметить, что произвольная замена материалов пары при ремонте может существенно сократить ресурс этих деталей. Недостаточная смазка пары “стержень — втулка” является следствием уплотнения стержня с помощью маслосъемного (маслоотражательного) колпачка. Поэтому различные уплотнения стержня не должны быть абсолютно герметичны, т.е. необхо-димо дозировать масло таким образом, чтобы небольшое его ко¬личество попадало во втулку. Иногда для удержания масла внутри втулки делают небольшие канавки (резьбу) с шагом 2 — 3 мм. Применяются различные варианты втулок клапанов. Натяг в отверстии головки для посадки втулок зависит от материалов, точнее, от их коэффициентов линейного расширения. Так, для бронзовых втулок в алюминиевых головках и для чугунных или стальных втулок в чугунных головках большого натяга не требуется — в среднем он составляет 0,04 — 0,05 мм. В то же время для стальных и чугунных втулок в алюминиевых головках натяг больше — до 0,06 — 0,08 мм. Плотная посадка втулки необходима не столько для предотвращения ее сме¬щения в отверстии, сколько для хорошего теплового контакта с головкой и обеспечения отвода тепла от стержня клапана (поэтому прои замене направляющих клапанов необходимо обязательно замерять толщину выпресованной втулки и толщину новой втулки и визуально при выпресовке определить плотность посадки выпресовываемой втулки, чтобы при замене не прослабить посадку вставляемой направляющей втулки клапана и предотвратить её шевеление в эксплуатации, что приведёт к износу отверстия в головке и дальнейшей необходимости или поимка ремонтных втулок, анне все производители двигателей их выпускают, илиизготовление х самостоятельно, что крайне трудно сделать, или менять головку блока целиком). Пружина клапана предназначена для возврата клапана на седло после его открытия, удержания клапана в закрытом положении и исключает разрыв кинематической связи между кулачком распределительного вала и клапаном. В большинстве конструкций пружина упирается в тарелку, которая фиксируется на конце стержня клапана двумя сухарями . Пружины клапанов должны обеспечивать отслеживание профиля кулачка элементами привода (рычаги, коромысла, толкатели) на максимальных частотах вращения. Поэтому чем больше масса клапана, тарелки и элементов его привода, тем жестче должна быть пружина. Нередко на одном клапане ставят две концентрических пружины, что улучшает компактность конструкции и увеличивает её надежность.

На современных двигателях для фиксирования тарелки пружины на стержне клапана используются сухари. Сухари встречаются, как правило, двух видов — с одним или тремя внутренними поясами . Сухари с одним поясом жестко фиксируют клапан с тарелкой, при этом между двумя сухарями остается зазор по окружности клапана. Сухари с тремя поясами обычно сходятся по окружности, при этом допускают достаточно свободное вращение клапана при частоте вращения 1500 — 2000 об.мин, в то время как в конструкции с сухарями, имеющими один пояс, поворот клапана возможен при частоте вращения более 3000 — 3500 об.мин.

Для уменьшения износа торца клапана нередко использует¬ся промежуточный толкатель в виде шайбы . Шайба имеет очень высокую твердость (HRC > 58), гораздо большую, чем можно достичь на торце клапана. Это предохраняет торец от износа при поперечном перемещении конца рычага или коромысла при работе клапана.

Related Post

Авто Мир. Land Rover выпустил спец. версии DefenderАвто Мир. Land Rover выпустил спец. версии Defender

 Компания Land Rover разработала особые модификации Defender 4×4 – Defender Fire и Defender Ice. Об этом говорится в сообщении автопроизводителя. Согласно пресс-релизу, серия Fire&Ice сочетает в себе классическую функциональность и

» NissanАвтомобильный блог: Автомобильный блог» NissanАвтомобильный блог: Автомобильный блог

Опубликовал admin Японский автогигант Nissan и его китайский партнер компания Dongfeng объявили о том, что уже в 2012 году начнут продавать на территории Китая серию бюджетных автомобилей новой марки Venucia.