что такое кулачки в двигателе

Кулачки и распределительные валы

Кулачки и распределительные валы
Кулачок представляет собой деталь такой формы, что при своем вращений он может входить в контакт с другой деталью, заставляя ее перемещаться каким-либо образом. В различных машинах используется множество кулачков различных типов.
Для привода клапанов в двигателе автомобиля используются кулачки довольно простого типа, который изображен на рис. 8.9.

Следящий элемент кулачка остается неподвижным при вращении кулачка до тех пор, пока он контактирует с окружностью основания кулачка, и начинает подниматься, когда вступает в контакт с открывающим профилем кулачка. На пике кулачка он поднимается до максимума, а затем начинает опускаться при достижении закрывающего профиля кулачка. Через некоторое время он опять будет находиться в контакте с окружностью основания у конца закрывающего профиля и снова вернется в первоначальное состояние.
В некоторых двигателях имеется довольно большой разброс зазоров при различных рабочих температурах, и для того, чтобы обеспечить нормальную работу даже в том случае, когда тепловые зазоры велики, профили соединяются с окружностью основания переходными участками, которые занимают сектора более чем по 30°. При проверке зазоров клапанов важно, чтобы следящий элемент располагался на окружности основания кулачка. Для того, чтобы проверить это, необходимо провернуть коленчатый вал двигателя в такое положение, когда тепловой зазор регулируемого клапана будет наибольшим, а затем повернут коленчатый вал к двигателя на один полный оборот. Следует отметить, что в многоцилиндровом двигателе поршни перемещаются вверх и вниз парами, так что когда одна пара перемещается, скажем, вверх в такте выпуска, другая будет перемещаться вниз в такте сжатия. Таким образом, чтобы установить клапан в требуемое при измерении зазора положение, проверните коленчатый вал двигателя до такого положения, чтобы соответствующие клапаны другой пары цилиндров были в положении максимального подъема.
Все кулачки газораспределительного механизма двигателя Г обычно располагаются на одном валу, называемом распределительным валом, хотя в некоторых случаях могут использоваться раздельные валы для впускных и выпускных клапанов. Распределительные валы изготавливаются из стали, путем ковки или литья, с последующей станочной обработкой. Кулачки кованых валов обычно закаляются путем цементирования, тогда как кулачки литых валов обычно закаляются путем охлаждения во время литья.
Распределительные валы опираются на соответствующие подшипники. Обычно это бывают подшипники скольжения, но в некоторых случаях используются шариковые или роликовые подшипники качения. В большинстве двигателей привод газораспределительных валов осуществляется с передней стороны двигателя и, чтобы обеспечить эту возможность, подшипники должны быть крупнее кулачков. Распределительный вал может располагаться так, как изображено на рис. 8.10, на котором показан один из способов крепления привода распределительного вала.

Источник

Как устроен газораспределительный механизм

Одной из важнейших систем автомобиля с двигателем внутреннего сгорания является газораспределительный механизм (сокр. ГРМ). Именно он отвечает за своевременный впрыск топлива и выпуск отработавших газов. Разумеется, автомобильные концерны не раз экспериментировали с данной системой и реализовывали различные схемы, однако общее число ее комплектующих оставалось примерно одинаковым. В данном материале Avto.pro разберется в принципе работы ГРМ, его устройстве и наиболее часто встречающихся неисправностях.

В тандеме с ГРМ работает пара валов: коленчатый и распределительный. Они должны двигаться синхронно, что гарантирует своевременное открытие и закрытие т.н. впускных и выпускных клапанов на некоторый промежуток времени. Нет смысла рассматривать работу механизма, не изучив рабочий цикл двигателя. Вот как это реализовано технически:

1. Посредством привода крутящий момент передается от коленчатого вала к распределительному;
2. Кулачок распределительного вала входит в контакт с толкателем и нажимает на него;
3. Одновременно с этим клапан начинает свое перемещение внутрь камеры сгорания, давая топливовоздушной смеси проникнуть внутрь или же выйти отработавшим газам;
4. Кулачок прекращает нажимать на толкатель и пружина возвращает клапан на место.

На протяжении одного рабочего цикла происходит попеременное открытие клапанов в каждом из цилиндров. Порядок открытия зависит от схемы работы и типа двигателя. К примеру, если реализована схема 1-3-4-2, то одновременно будут открыты впускные клапаны в первом цилиндре, а в четвертом только выпускные, тем временем как во втором и третьем клапаны продолжать перекрывать цилиндры.

Подробнее об устройстве механизма

Основные элементы ГРМ выполнены из закаленной стали или же чугуна. Выделяет лишь ремень привода, который ранее изготавливался из хлоропренового каучука, а сегодня из синтетического каучука или других смесей с синтетической основой. К элементам газораспределительного механизма относят:

— Распределительный вал;
— Привод;
— Штанги;
— Толкатели;
— Клапаны;
— Коромысла (рокеры);
— Опционально: гидрокомпенсаторы.

Ранее мы рассказали автолюбителям об особенностях распределительных валов в данном материале. Рекомендуем изучит его, если вы хотите лучше разобраться в тонкостях устройства двигателя внутреннего сгорания. Если вкратце, то именно вращение распределительного определяет моменты открытия и закрытия клапанов. Вал имеет опорные шейки и кулачки. Форма последних сильно влияет на работу ГРМ, а истирание кулачков может привести к нарушению работоспособности двигателя. На торце распредвала может увидеть звездочку для цепи привода или шкив, на который одевается приводной ремень. Сам вал надежно фиксируется на подшипниках и имеет дополнительный упорный фланец.

Вращение распределительному валу передает коленчатый вал через промежуточный элемент, называемый приводом. Он бывает шестеренчатым (не слишком распространен), ременным и цепным. Заметьте, что распредвал вращается с вдвое меньшей скоростью, чем коленвал. Это возможно благодаря геометрии звездочки или шкива (передаточное число удваивается). Привод ГРМ нуждается в регулярном обслуживании и замене цепи/ремня, который иногда относят к категории автомобильных расходников. Во внимании также нуждаются натяжные ролики/натяжители цепи («башмаки»). Данный привод может передавать момент водяной помпе, топливному насосу высокого давления.

Одними из важнейших элементов газораспределительного механизма принято считать клапаны. Они делятся на 2 типа: впускные, выпускные. Впускные клапаны отвечают за впуск топливовоздушной смеси, а выпускные, напротив, способствуют выпуску отработавших газов. Стандартный клапан состоит из стержня и головки с кромкой под 45° (способствует лучшему прилеганию). Выпускной клапан крупнее впускного, что обусловлено большим объемом выпускаемых газов. Отличается не только геометрия клапанов, но и материалы изготовления. Выпускные клапаны выполнены из жаропрочной стали, а впускные из обычной стали с хромистым покрытием.

Тандем толкатель-штанга-коромысло отвечает за передачу усилия от кулачков распредвала к клапанам. Сначала усилие передается стальному или чугунному толкателю. Он может относиться к одному из трех видов: грибовидному, роликовому или цилиндрическому. Толкатель совершает линейные движения внутри специального корпуса или по направляющим. Далее усилие передается штанге. Обычно это полый цилиндр из алюминия со стальным наконечником. Наконец, усилие от штанги передается коромыслу – рычагу с парой разных по длине плеч, который фиксируется на оси при помощи втулок.

Вариантов компоновки газораспределительного механизма и числа его комплектующих несколько. Концерн выбирает ту компоновку, которая лучше соответствует конструкции двигателя, а также возможным условиям эксплуатации. ГРМ классифицируют по 4 признакам. Среди них:

— Расположение распредвала. Выделяют ГРМ с верхним и нижним положением;
— Число распределительных валов. В случае двигателей SOHC вал один, а в DOHC их два;
— Число клапанов;
— Тип привода.

В современных реалиях большая часть моторов являются верхневальными, так что выделять отдельную категорию ГРМ с нижним расположением распредвала нет смысла – моделей транспорта с подобными агрегатами не очень много. Однако и они делятся на три вида, причем два из них уже вышли из употребления. Речь идет:

— Двигателе с нижним расположением клапанов в блоке цилиндров. Сегодня не выпускаются;
— Двигателе со впускными клапанами в ГБЦ и выпускными клапанами в БЦ (смешанные). Производились до 70-х годов прошлого века;
— Двигателе с клапанами в ГБЦ. Устанавливаются на некоторые грузовики и тяжелую технику.

При описании признаков ГРМ для классификации положение распредвалов и их число нередко считают единым признаком. Дело в том, что именно двигатели с верхним положением распредвала подразделяются на DOHC и SOHC – с одним или двумя распредвалами соответственно. В нынешних реалиях наиболее распространенной схемой построения силового агрегата является DOHC. Также существуют схемы со специфическим газораспределительным механизмом, не предусматривающим использованием пружин клапанов. Инженеры считают данную конструкцию весьма перспективной, хотя и не лишенной недостатков. Давайте разберемся.

Классические газораспределительные механизмы страдают от инерционности клапанов и склонности пружин к колебанию. Эта проблема проявляется тем сильнее, чем выше частота вращения распредвала. Клапаны могут не закрываться вовремя или закрываться, ударяясь о седло. В некоторых случая тарелка отскакивает от седла, что приводит к прорыванию топливовоздушной смеси и ее преждевременному возгоранию, перегреву клапанов или даже их прогоранию. В случае десмодромного ГРМ подобных проблем не наблюдается. Но есть другие недостатки:

— Детали конструкции сложны в изготовлении;
— Механизм довольно шумен;
— Обслуживание такого ГРМ требует больших временных и денежных затрат.

В прошлом именно с десмодродромного газораспределительного механизма начинал немецкий Daimler. Существенно доработать, повысить надежность и пустить в массовое производство данных механизм смог итальянский Ducati. Можно сказать, что десмодромный ГРМ является одной из визитных карточек концерна. Добавим, что итальянские инженеры представили миру множество интересных решений для авто- и мотопромышленности, однако практически все они нуждаются в доработке.

Дальнейшее распространение десмодромных механизмов находится под вопросом. Автоконцерны продолжают экспериментировать и нашли несколько вариантов решения проблемы «зависания» клапанов. Первый: применение сразу 2 или 3 пружин для предотвращения колебаний клапанов. Второй: использование легких сплавов для изготовления клапанов и пружин, благодаря которым резонансные колебания изделий не будут сильно влиять на работу двигателя. Третий: внедрение системы пневматического привода клапанов, как это уже сделано на некоторых спортивных автомобилях.

Неисправности газораспределительных механизмов

В предыдущем разделе мы уже затронули проблему «зависания» клапанов. Это классическая неисправность 99% автомобильных ГРМ. Механизм сложно назвать привередливым, однако он нуждается в периодическом обслуживании и замене отдельных комплектующих. К основным его неисправностям обычно относят:

— Нарушение тепловых зазоров. Наблюдается на всех двигателях, однако в случае агрегатов с гидрокомпенсаторами причина нарушение кроется именно в них;
— Снижение упругости пружин клапанов. Вызвано старением материалов;
— Износ шкива/звездочки привода. Вызвано старением материалов, ударными нагрузками;
— Износ или прогорание клапанов, направляющих втулок. Старение, нагрузки, использование некачественного топлива, масла, износ уплотнителей;
— Износ кулачков распредвала, подшипников. Старение, нагрузки, использование некачественного масла, засорение масляной системы.

Еще одним классическим признаком неисправности ГРМ является появление нагара на клапанах. Причин несколько: попадание смазочного материала на клапан (замените маслосъемные колпачки), использование низкокачественного топлива, проблемы в работе EGR (считайте коды ошибок и проверьте клапан). По ходу эксплуатации двигателя на клапанах рано или поздно появиться нагар, однако в случае исправной работы агрегата и смежных систем подобная неисправность не переходит в терминальную стадию. О наступлении последней свидетельствует:

— Появление хорошо ощутимых стуков при работе механизма;
— Нестабильность холостых оборотов;
— Повышение токсичности выхлопа и изменение его цвета;
— Существенная потеря мощности двигателя;
— Появление рывков при попытке быстро разогнаться;
— Выход из строя одного или нескольких цилиндров;
— Частые детонации топлива;
— Перегрев двигателя.

Диагностика газораспределительного механизма предусматривает следующее: оценка остаточного ресурса цепи/ремня привода; проверку общего состояния клапанов, их герметичности; проверку состояния пружин клапанов; проверку гидрокомпенсаторов (если они имеются); проверку состояние распределительного вала. Также грамотный специалист должен убедиться в исправности масляной системы, отсутствии загрязнений, примерно оценить ресурс масла и масляного фильтра. Некоторые элементы ГРМ, как-то гидрокомпенсаторы, являются условно ремонтопригодными. Однако клапаны, ремни, шкивы, подшипники валов и прочие детали необходимо менять в случае обнаружения сильного износа, наличия серьезных механических повреждений, выработки и т.д.

Поиск запчастей для ремонта

Подобрать комплектующие для ремонта газораспределительного несложно, если автолюбитель будет следовать простому алгоритму. Сразу отметим, что детали с разных механизмов в подавляющем большинстве случаев не являются взаимозаменяемыми, так что водителю важно узнать все об их применяемости, а уже потом совершать покупку. Искать клапаны, коромысла, валы и остальные детали можно по:

— Каталожным номерам;
— Параметрам автомобиля и двигателя (включая тип, модель).

Проще всего вести поиск по каталожному номеру, однако обычно автолюбитель не может его узнать без снятия детали, ведь обычно код выгравирован на ее поверхности. В некоторых случаях код даже не наносится на изделие. Настоящим спасением может стать поиск по техническим параметрам автомобиля. Советуем перейти в каталог Avto.pro, выбрать нужную марку и модель автомобиля, а затем приступить к поиску запчастей из нужной категории или попросту ввести название требующейся детали. В результаты поиска попадут не только оригинальные комплектующие, но и совместимые с указанным автомобилем аналоги. Если требуется замена ремня, то стоит обратить внимание на продукцию таких фирм:

Особенно внимательным стоит быть покупке неоригинальных клапанов. Важен не только материал их изготовления (не всегда указан в характеристиках), но и конструкция головки, угол седла, конструкция замка пружины, вес и качество полировки. В характеристиках обязательно должен быть указан зазор. Клапаны достойного качества предлагают такие фирмы:

Коромысла и толкатели достойного качества выпускаются вышеуказанными фирмами. Как показала практика, продукцию упаковщиков нижнего звена, как-то SWAG, брать не стоит. Ее качество крайне нестабильно и в одном случае покупатель получит хорошую запчасть, а вот в другом ситуация окажется обратной. Если вы находитесь в поиске новых гидрокомпенсаторов, то рекомендуем ознакомиться с данным материалом. Напоминаем, что работоспособность компенсаторов иногда удается восстановить.

ГРМ является одним из важнейших элементов автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. В случае его неисправности силовой агрегат перестанет работать в нормальном режиме, а езда не только менее комфортной, но и небезопасной. К счастью, основные элемента механизма имеют большой эксплуатационный ресурс, так что на протяжении всего периода пользования автомобилем водитель может столкнуться лишь с проблемой замены ремня/цепи и натяжителя. Чтобы избежать проблем с газораспределительным механизмов вам стоит использовать только качественное моторное масло, заправляться топливом с проверенной АЗС, а также вовремя менять расходники.

Источник

Кулачковый механизм: схема, применение, эксцентриситет

Кулачковый механизм служит для преобразования вращательного движения в линейное перемещение малой амплитуды. Вращающаяся его деталь — диск с выступом, закрепленный на ведущем валу, называется кулачок при вращении выступ толкает либо толкатель, если необходимо получить поступательное перемещение, либо коромысло, если требуется качательное движение. Такие механизмы широко применяются в двигателях внутреннего сгорания, измерительных приборах, швейных машинках, различных регуляторах и многих других устройствах.

Кулачковые механизмы

Устройства применяются при необходимости преобразования вращения ведущего вала в линейное перемещение небольшой амплитуды. Основные элементы механизма следующие:

Фасонный диск (он называется также кулачком) – это активный элемент кинематической пары. Исполнительным элементом служит толкатель. Иногда движение передается через качающиеся на параллельном валу коромысло.

Одним из основных параметров у механизмов с толкателем является эксцентриситет — ось толкателя смещается относительно оси кулачка.

Принцип работы кулачкового механизма прост:

при вращении кулачка в плоскости толкателя он поворачивается своим сечением с большим радиусом, оказывая давление на толкатель и вынуждая его к линейному движению. Это перемещение происходит до тех пор, пока не будет достигнута вершина кулачка. После его прохождения давление на шток начинает ослабевать вплоть до достижения минимального радиуса диска. Шток возвращается обратно под действием пружины. Цикл повторяется.

Особенностью кулачковой пары является ее необратимость. Кривошипный механизм может преобразовывать движение в обе стороны. Так, в бензиновом или дизельном двигателе во время рабочего хода продольный ход поршня преобразуется во вращение коленвала. Во время такта выпуска накопленная инерция вращения маховика вращает коленвал, и кривошипный механизм превращает его в обратный ход поршня, вытесняющего остатки продуктов сгорания рабочей смеси из цилиндра.

Кулачковая пара такой обратимости не имеет, поскольку отсутствует жесткая связь между элементами. Толкатель совершает обратное перемещение под действием возвратной пружины.

Самым широко распространенным примером кулачкового механизма служит распределительный механизм в двигателе внутреннего сгорания. Кулачки распредвала напрямую или через коромысла открывают в определенном порядке клапаны цилиндров. Закрываются они возвратными пружинами.

Чтобы спроектировать действующее устройство, необходимо провести ряд расчетов, для синтеза кулачкового механизма построить передаточную диаграмму.

Виды кулачковых пар

Разработано множество различных видов кулачковых механизмов. Они объединяются по разным признакам.

По основной функции:

По пространственной конфигурации:

По типу толкательного механизма различают:

По траектории его движения:

По траектории кулачка:

Кулачковый механизм с роликовым толкателем по признаку смещения осей подразделяется на:

Дистанцию такого разнесения называют дезаксиалом (e).

Кулачковые регулировочные механизмы часто строятся по дезаксиальной схеме.

Достоинства кулачковых механизмов

Основным преимуществом устройства считается его способность реализовать весьма сложные пространственные траектории движения толкателя. Кроме того, движение можно строго регулировать по временным фазам, зависящим от угла поворота ведущего вала. При этом конструкция его весьма проста в работе и обслуживании.

Такой функциональности весьма сложно, а в ряде случаев- просто невозможно достичь с применением других типов механических конструкций.

Еще одним важным преимуществом конструкции над, скажем, электронными системами управления с электрическим или гидравлическим приводом, является ее исключительная надежность. Это очень важно в тех конструкциях, где требуется достичь точного многократного повторения одних и тех же движений, таких, как двигатель или швейная машинка.

Недостатки кулачковых механизмов

Самым заметным минусом служит сложность и высокая себестоимость производства деталей механизма. Наиболее трудоемким является изготовление управляющего профиля. Технологический процесс начинается с отливки заготовки из высокопрочных стальных сплавов, обладающих особой устойчивостью к переменным механическим напряжениям, истиранию и перепадам температуры. Далее требуется провести высокоточную механическую обработку с последующей шлифовкой и полировкой поверхностей. Упрочнение рабочей поверхности достигается термообработкой и цементацией. Такие распредвалы или кулачки привода масляного насоса обходятся дорого, но зато смогут отработать сотни тысяч километров пробега.

Еще одним минусом считается небольшая нагрузка, которую может толкнуть толкатель. Это происходит из-за большого трения в сопряжении пары, кроме того, возникают значительные боковые нагрузки на шток. Этот недостаток ограничивает мощностные возможности исполнительного органа устройства.

Для борьбы с этим недостатком используют роликовый толкатель, размещенный на шариковом или игольчатом подшипнике. Для крупных двигателей с большим диаметром клапанов и мощными возвратными пружинам используют коромысленную схему. Разная длина плеч коромысла работают как рычажная система, трансформируя больший ход на одном плече в большее усилие на другом.

Основные параметры кулачкового механизма

Наиболее важными параметрами устройства, определяющими его рабочие качества, служат:

Кроме того, в расчете участвуют и такие характеристики, как:

Фазовые углы различаются на следующие:

Если сложить все фазовые углы, должна получиться полная окружность

Θ = Θу + Θв.в + Θс + Θн.в =2π.

Рабочий ход складывается из первых трех фаз:

Холостой ход образуется из фазы нижнего стояния:

Каждой фазе работы ставится в соответствие один из профильных углов Σ: Σу; Σв.в; Σс; Σн.в.

Обычно фазовый и профильный угол для каждого состояния не равны между собой

Расчет кинематики кулачкового устройства базируется на линейных и угловых размерах его компонентов. Соотношение между ними называют законом выходного звена кинематической схемы.

Его выражают как функцию от текущего угла поворота вала, он учитывает все свойства структуры системы и ее проектных характеристик:

S =f(Θ), где Θ – угол поворота ведущего вала.

Закон выходного звена можно получить двумя методами:

Расчетно-аналитический способ существенно более точен, но требует сложных расчетов. Его используют как основной при проектировании ответственных механизмов.

Графоаналитический способ вычисления закона проще в исполнении и значительно более нагляден. Его используют для простых устройств и как способ предварительной оценки пред проведением расчетно- аналитических вычислений.

С развитием средств вычислительной техники и программного обеспечения сложности расчетно- аналитического метода отошли в прошлое. Средства трехмерного параметрического моделирования и кинематической симуляции, предлагаемые всеми ведущими производителями программных продуктов семейства CAD- CAE, позволяют одновременно проводить графическое моделирование и аналитические расчеты, существенно облегчая работу конструктора.

Классический графоаналитический способ реализуется:

Чертеж его представляет собой упрощенную модель, содержащую лишь низшие пары. Их отличительное свойство заключается в том, что они обладают в фиксированных положениях ведущего звена теми же значениями координат, скорости и ускорения, как и у моделируемых ими компонентов высшей пары.

Во время построения упрощенной модели следует следить за тем, чтобы сохранялись законы движения ведущего и ведомого элементов кулачкового устройства, а также относительное положение их осей.

Пара высшего порядка моделируется связанной двойкой низших пар. Вследствие этого в схеме возникает фиктивное третье звено, а вместо схемы кулачковых механизмов подставляют эквивалентную схему рычажной системы.

Обычно функция движения выходного звена имеет вид второй производной расстояния по углу положения вала либо по времени. Тогда она имеет физический смысл ускорения, и для графического моделирования применяют способ построения кинематических диаграмм.

Назначение и область применения

Кулачковый механизм превращает вращение в линейное перемещение малой амплитуды. На практике это короткое линейное движение используется для выполнения следующих операций:

Эти операции находят применение в следующих устройствах и системах:

Кроме того, широчайшая область использования кулачковых пар лежит там, где требуется не погасить, а, наоборот, создать вибрацию. Они находят применение в вибромашинах, служащих для уплотнения грунта или бетонных полов в строительстве. Горная техника, используемая при добыче рудных материалов, также производит сортировку тонких фракций на вибростолах, приводимых в движение кулачковыми парами.

Еще одна важная сфера применения – точные измерительные приборы и средства механической и электромеханической автоматизации. Контактный манометр и многие другие прецизионные приборы широко используют кулачковые пары для передачи вращения стрелки на шток, замыкающий контактные группы.

Используются кулачковые устройства в малых и средних металлообрабатывающих станках для переключения передач, периодического перемещения рабочих органов.

В производственных технологических установках в химической, пищевой и фармацевтической промышленности устройства используются для дозированной подачи сыпучего сырья к месту дальнейшей переработки.

Несмотря на стремительное совершенствование электронных средств управления, старая проверенная кулачковая пара уверенно удерживает свои позиции там, где требуется многократно повторять однообразные движения с высокой точностью.

Источник