Тепловой зазор
Тепловой зазор. В процессе работы двигателя клапаны и детали привода клапана нагреваются, длина их увеличивается. В результате между седлом и головкой клапана при тактах сжатия и расширения может образовываться зазор, что ведет к обгоранию фасок клапана и седла, их эрозионному изнашиванию и в конечном итоге к ухудшению герметичности цилиндра, а следовательно, и резкому снижению технико-экономических показателей двигателя.
Для предотвращения этих явлений кинематическую цепь привода клапана при его закрытом состоянии размыкают, т. е- устанавливают зазоры — между торцом клапана и деталью привода, воздействующей на клапан (коромыслом или толкателем). В среднем тепловые зазоры регулируют в зависимости от типа двигателя и составляют 0,15—0,30 мм для впускного клапана и 0,15—0,35 мм для выпускного.
Главное меню
- Главная страница
- Строение автомобиля
- Устройство современного двигателя
- КШМ двигателя
- ГРМ двигателя
- Система охлаждения
- Система смазки
- Система питания
- Система зажигания
- Система пуска
- Электронная система управления двигателем
- Классификация двигателей
Auto construction
- Vehicle construction
- Engine construction
- Car rewiew and news
Регулировка клапанов: что это, зачем нужно, и что будет, если ее не делать
Если вы становились свидетелем сцены, когда опытный автомобилист деловито открывал капот машины (вашей или своей), некоторое время вслушивался в звук работающего мотора, а потом многозначительно произносил фразу «клапаны надо отрегулировать», но при этом для вас его слова были не понятнее звука двигателя, который он слушал, то сегодня мы попробуем этот пробел восполнить. Что такое регулировка клапанов, зачем она нужна, когда ее нужно делать, и что будет, если ее не делать совсем? И почему на многих машинах регулировка клапанов вообще не нужна? Давайте разберемся.
Что такое регулировка клапанов?
Р абота обычного поршневого двигателя предполагает подачу в цилиндры топливовоздушной смеси и отвод из них отработавших газов. Обе функции выполняют клапаны – соответственно, впускные и выпускные, попеременно открываясь в нужное время для наполнения и опорожнения цилиндра. Управляет их работой распределительный вал, имеющий специальные кулачки, которые воздействуют на верхнюю часть клапана, открывая его в цилиндр. Конструкций приводного механизма существует несколько – распредвал может воздействовать на клапаны почти непосредственно, надавливая кулачком на толкатели, или, к примеру, через специальные коромысла, толкая один их конец, в то время как другой давит на клапан. Но в любом из случаев в конструкции есть интересующая нас особенность: тепловой зазор между кулачком распредвала и деталью клапанного механизма, которая открывает клапан. Ведь рабочая температура деталей двигателя, особенно клапанного механизма и собственно клапанов, очень высока, а при нагревании металл имеет свойство расширяться, что приводит, в частности, к удлинению клапана. Именно для компенсации этого расширения нужен тепловой зазор, а регулировка этого зазора и называется «регулировкой клапанов»
Да, с логической точки зрения формулировка «регулировка клапанов» не совсем верна. Клапан при нормальных условиях, когда на него не давит кулачок распредвала, закрыт: тарелка клапана плотно прижата пружиной к седлу в головке блока цилиндров, а должная герметичность обеспечивается фасками на обоих элементах. Соответственно, никакая регулировка клапану здесь не требуется – а вот тепловой зазор должен быть правильным. То есть, более корректно говорить не «регулировка клапанов», а «регулировка теплового зазора привода клапанов».
Зачем нужна регулировка клапанов?
Если представить себе комбинацию «клапан – толкатель – распредвал» без теплового зазора – то есть, плотно прилегающими друг к другу при неработающем двигателе, то несложно понять, что при выходе на рабочую температуру на удлинившийся клапан, «вытягиваемый пружиной из цилиндра» в сторону распредвала, из-за температурного расширения начнет постоянно давить этот самый распредвал, приводя к небольшому сжатию пружины и неплотному закрытию клапана. То есть, при достижении рабочей температуры клапан фактически перестанет полноценно выполнять одну из своих функций: плотно закрываться для герметизации камеры сгорания и ее изоляции от впускного или выпускного тракта.
Второй вариант – увеличение теплового зазора: например, из-за износа поверхностей кулачков распредвала и элементов привода клапанов. В этом случае даже после достижения двигателем рабочей температуры между распредвалом и клапанным механизмом будет оставаться зазор, а касаться они будут ударно и только в момент воздействия кулачка. Это уже пагубно влияет на ресурс клапанного механизма, но есть и другие последствия: клапан будет открываться чуть позже и не полностью – а значит, ухудшится наполняемость цилиндра топливовоздушной смесью.
Что будет, если не регулировать клапаны?
Если не регулировать клапаны своевременно, это приведет к изменению теплового зазора. При этом и увеличение, и уменьшение теплового зазора, как мы уже поняли, негативно влияет на ресурс и работу двигателя. Уменьшение зазора означает неполное закрытие клапанов, которое приводит к ряду последствий. Негерметичность камеры сгорания из-за приоткрытого клапана приводит к падению компрессии и прорыву раскаленных газов во впускной или выпускной тракт (в зависимости от того, впускной или выпускной клапан приоткрыт).
Кроме того, стоит отметить значительно увеличивающуюся тепловую нагрузку на клапаны. Ведь плотный контакт закрытого клапана с седлом – это одно из важных условий его охлаждения, а если клапан неплотно прилегает к седлу, охлаждение ощутимо ухудшается. Особенно это касается выпускных клапанов: впускные дополнительно охлаждаются поступающей в цилиндры топливовоздушной смесью, а вот выпускные обеспечивают выход отработавших газов крайне высокой температуры, и для них охлаждение в зоне контакта с седлом имеет критическую важность. В крайнем случае плохое охлаждение клапана из-за малого теплового зазора может привести к его перегреву и разрушению – так называемому прогару. Кроме того, прорыв горящей топливовоздушной смеси в выпускной тракт повышает нагрузку на катализатор (а при его разрушении абразивная пыль может повредить и цилиндры).
Последствия увеличения теплового зазора несколько иные. Как было сказано выше, оно приводит к ударному воздействию распредвала на клапанный механизм, что негативно сказывается на его ресурсе, а также к несвоевременному и неполному открытию клапана. Ухудшение наполнения цилиндра топливовоздушной смесью при этом означает нарушение фаз газораспределения и снижение отдачи мотора: то есть, он будет хуже тянуть.
Как узнать, каким должен быть тепловой зазор?
В целом величина теплового зазора, разумеется, очень невелика, это десятые доли миллиметра – примерно 0,1-0,4 мм. При этом ее обычно определяют с помощью набора щупов с шагом в 0,05 мм и менее – то есть, соблюдается точность до сотых. Стоит отметить, что тепловой зазор для впускных и выпускных клапанов различается: как мы уже знаем, выпускные клапаны нагреваются сильнее – а следовательно, сильнее увеличиваются в размерах и требуют большего теплового зазора.
На практике знать конкретные значения теплового зазора нужно только для регулировки – то есть, если вы не занимаетесь ей самостоятельно, эти цифры вам не слишком пригодятся.
Как узнать, когда регулировать клапаны
Периодичность регулировки клапанов, если она предусмотрена конструкцией мотора, указывается в руководстве по эксплуатации автомобиля. В целом эта процедура выполняется не так часто – обычно это каждые 50-80 тысяч километров. Однако и более частая проверка не повредит – особенно если машина оснащена газобаллонным оборудованием, так как газовое топливо повышает тепловую нагрузку на мотор.
Ну а если автомобиль приобретен не новым, и его пробег уже немаленький, то регулировка теплового зазора точно не будет лишней – нужно лишь выяснить, предусмотрена ли она конструкцией.
Как регулировать клапаны?
Существует несколько конструктивных вариантов регулировки теплового зазора. К примеру, один из вариантов – это подбор шайб нужной толщины, которые вставляются между толкателем клапана и кулачком распредвала. Для регулировки зазора он сначала замеряется с имеющейся шайбой, а потом шайба при необходимости заменяется на другую, большей или меньшей толщины. Альтернативный вариант при схожей конструкции – подборка не регулировочных шайб нужной толщины, а самих толкателей с необходимыми параметрами.
Такой метод регулировки мы наглядно показывали в отдельном материале на примере Renault Logan.
Почему на некоторых моторах клапаны регулировать не нужно?
Неоднократное уточнение о том, что регулировка клапанов должна быть предусмотрена конструкцией мотора, весьма важно: ведь многие двигатели этой процедуры не требуют. Зависит это от того, оснащен ли мотор гидрокомпенсаторами: это устройства, предназначенные для автоматической регулировки теплового зазора. Они работают за счет масла, поступающего в них из двигателя (поэтому, собственно, и называются « гидро компенсаторами») и полностью исключают необходимость периодической ручной регулировки клапанов. Сами они, конечно же, тоже не вечны – о необходимости их проверки и замены говорит все тот же цокающий стук, не исчезающий вскоре после запуска, а порой даже после прогрева двигателя. Однако главное, что нужно знать в контексте этого материала – это то, что моторам, оснащенным гидрокомпенсаторами, регулировка клапанов не нужна.
Тепловой зазор подшипника – что это и зачем нужен
Тепловой зазор подшипника представляет собой расстояние между обоймами и телами качения — шариками или роликами, благодаря которому обеспечивается свободное перемещение колец относительно друг друга в двух направлениях — радиальном и осевом. Зазор, его еще называют люфтом, позволяет компенсировать расширение изделия под воздействием высоких температур в процессе эксплуатации, тем самым предотвращает заклинивание детали и ее преждевременный выход из строя.
Виды тепловых зазоров подшипника
Бывает двух видов:
- Радиальный – это величина смещения колец в радиальном направлении по отношению друг к другу без приложения дополнительных усилий.
- Осевой – величина сдвига наружного кольца по отношению к внутреннему в осевом направлении без приложения усилий.
Зачем нужен тепловой зазор
Он позволяет предотвратить защемление тел качения, а также колец при эксплуатации. Также он предотвращает смещение узла относительно других элементов конструкции и компенсирует уменьшение расстояния между наружным и внутренним кольцами в результате сильного нагрева узла, при посадке с натягом или сжатии.
Зазор – важный элемент, который существенно влияет на длительную работу узла. В радиально-упорных моделях рассматривают осевые зазоры, а в радиальных нерегулируемых деталях – только радиальные. Выбор подшипника осуществляется исходя из рабочих условий, что позволяет снизить вибрацию и уменьшить шум детали в процессе эксплуатации и обеспечить равномерное распределение действующих сил между телами качения.
Группы тепловых зазоров
Выделяют три группы:
Узел с уменьшенным зазором – используют в случаях, когда необходимо повысить жесткость как в осевом, так и радиальном направлении. Обычно их применяют в скоростных конструкциях или в работе с сильным нагревом наружного кольца.
Деталь с нормальным зазором задействуют на незначительных оборотах, при этом внешнее кольцо устанавливают в корпус с люфтом, а внутренне крепят с натягом на вал. Температура внутреннего кольца превышает на 5-10C внешнее.
Подшипник с увеличенным тепловым зазором подходит для работы в условиях, где на внутреннее кольцо действуют высокие температуры или есть перекос. Так как детали зачастую работают с высокими нагрузками, то обоймы устанавливают с повышенным затягом.
Радиальный вид люфта разделяют на три вида:
- Начальный – это зазор в детали перед его установкой.
- Посадочный – расстояние в изделии, полученное после его установки. В этом случае внутренний диаметр внешней обоймы уменьшается, а внешний диаметр внутренней обоймы увеличивается.
- Рабочий – образуется в процессе эксплуатации при установившейся температуре в узле. Если посадочное расстояние появляется в результате монтажа с натягом, то рабочий зазор уменьшается или увеличивается из-за температурных перепадов или под воздействием нагрузки.
Детали с увеличенным радиальным зазором обычно применяют в опорах, где кольца из-за сильных воздействий устанавливают на вал или корпус со значительным натягом, а также в опорах с сильными колебаниями температур.
Чем меньше расстояние, тем лучше точность вращения детали и больше долговечность. Стоит отметить, что подшипники без люфта не производятся, потому что при тугой посадке вследствие нагрева узел может заклинить, что приведет к поломке подшипника и простою всего оборудования.
Большую часть стандартных моделей производят по нормальной группе, это позволяет обеспечить эффективную работу детали для множества посадок и температур.
Регулировка в радиально-упорных моделях
Для эффективной работы элементов надо, чтобы вращение колец осуществлялось свободно и легко. В таком случае необходимо создать расстояние, которое обеспечит свободное вращение подшипника без заклинивания роликов и шариков.
В радиально-упорных деталях радиальные и осевые зазоры взаимосвязаны, то есть при изменении одного меняется и другой. В данной модели подшипника люфт регулируют путем изменения толщины набора прокладок, выполненных из металла. Набор бывает разной толщины – 0,1/0,2/0,4/0,8мм.
Как измерить начальное расстояние
Измерить начальное расстояние можно с помощью специального инструмента – набора щупов, которые предназначены для точного замера внутреннего зазора изделия. Комплект состоит из нескольких пластин разной толщины. Измерение происходит методом подбора пластины необходимой толщины.
Также измерить расстояние можно путем смещения одного кольца детали в его крайнее положение под воздействием определенной нагрузки.
Для каждой группы радиальных подшипников существуют свои радиальные зазоры. Каждая из групп имеет свою максимальную и минимальную величину люфта, который обозначается номером.
Устройство автомобилей
Детали механизма газораспределения образуют сопрягаемую цепочку, которая начинается распределительным валом и заканчивается клапанами, открывающими и закрывающими вход в цилиндр и выход из него в строго отведенные моменты рабочих циклов двигателя.
Казалось бы, между всеми деталями привода ГРМ и клапанной группы не должно быть никаких зазоров – только в этом случае малейшее усилие со стороны кулачка распредвала найдет отклик в движении клапана и даст начало потоку свежего заряда или отработавшей смеси раскаленных газов. И это утверждение абсолютно верно.Но почему же тогда в лексиконе заядлых автомехаников популярны выражения – «отрегулировать клапана», «регулировка зазора в клапанах» и подобные? Ведь в соответствии с приведенными выше рассуждениями никаких зазоров там быть не должно, иначе невозможно составить строгое расписание работы клапанов.
Тем не менее – зазор в клапанной группе – необходимый элемент, обеспечивающий правильную работу газораспределительного механизма и двигателя в целом.
И вот почему.После прогрева двигателя все его детали в той или иной степени подвержены тепловому расширению, которое зависит от степени нагрева, размеров деталей и коэффициента температурного расширения материала, из которого эти детали изготовлены. Металлы, применяемые при изготовлении большинства деталей двигателя, при нагреве расширяются достаточно сильно, т. е. имеют высокий температурный коэффициент линейной деформации.
Если к отмеченному выше вспомнить, что многие из этих деталей во время работы испытывают мощные тепловые нагрузки, то можно понять, что выдержать строгие интервалы и зазоры (точнее – их отсутствие) между сопрягаемыми поверхностями взаимодействующих деталей в условиях переменных температур не представляется возможным.Теперь рассмотрим внимательнее цепочку деталей газораспределительного механизма.
Все сопрягаемые детали ГРМ образуют жесткую связь, при которой изменение линейных размеров каждого звена влечет изменение относительного положения сопрягаемых деталей. Исключение составляет только сопряжение заключительной пары деталей — «клапан-седло», прижимаемых друг к другу пружиной клапана, и при линейном расширении каждого «члена взаимодействия» относительное перемещение доступно лишь клапану. Седло является неподвижной деталью ГРМ, «намертво» закрепленной в головке блока цилиндров, поэтому температурные деформации деталей влияют только на положение клапана, перемещая его относительно седла.
Логичным будет вывод, что при нагреве (или охлаждении) всех деталей механизма газораспределения тепловые деформации отдельных его элементов складываются и, воздействуя на стержень клапана, преодолевая силу упругости пружины, приподнимают головку клапана над седлом, открывая отверстие для потока газов.
Цилиндр теряет требуемую герметичность.
А это уже катастрофа с точки зрения показателей мощности и КПД двигателя, его динамичности, равномерности и бесшумности работы, а также других качественных и количественных показателей. В общих словах – двигатель теряет очень многое из того, чего мог бы достичь при нормальных условиях работы.Рассмотренный сценарий возможен в том случае, если между деталями, образующими цепочку механизма ГРМ, нет никаких зазоров и промежутков. Очевидно, что для нормального функционирования системы подачи и отвода газов такой зазор должен быть предусмотрен заранее, когда двигатель и его детали холодные. Тогда при нагреве детали механизма газораспределения расширятся, выберут предустановленный зазор, и будут работать в жесткой связке.
Величину этого зазора подсчитать несложно, если знать линейные размеры каждой детали механизма газораспределения, величину коэффициента теплового расширения для материалов, из которых эти детали изготовлены, и рабочую температуру каждой детали ГРМ. Ведь большую часть времени детали двигателя работают при установившейся температуре, поддерживаемой естественным теплообменом, системами охлаждения и смазки. При этом детали клапанной группы (особенно, седла и клапаны) нагреваются сильнее, а удаленные от цилиндра детали – меньше.
Учитывая эти факторы, можно определить требуемую величину суммарного зазора между всеми деталями, образующими цепочку механизма газораспределения, когда они имеют температуру окружающей среды (т. е. при холодном двигателе). Этот зазор называют тепловым зазором, а выражение «отрегулировать клапана» означает отрегулировать величину зазора между сопрягаемыми деталями холодного механизма газораспределения на холодном двигателе.
Технологически, конструктивно и практически зазор удобнее всего регулировать между торцом стержня клапана, который нагревается быстрее и сильнее других подвижных деталей ГРМ, и деталью, воздействующей на стержень клапана для его перемещения.
В механизмах с нижним расположением распределительного вала тепловые зазоры регулируются при помощи щупа требуемой толщины, устанавливаемого между носком коромысла и стержнем клапана (рис. 1).
В механизмах с верхним расположением распредвала зазор устанавливают между тыльной стороной кулачка распределительного вала и рабочей поверхностью рычага (см. рис. 2, б, в, г) или между кулачком и клапаном (см. рис. 2, а).
Величина тепловых зазоров составляет 0,08…0,45 мм и нормируется для каждого двигателя заводом-изготовителем.
Очевидно, что зазор впускного клапана для данного двигателя должен быть меньше зазора выпускного клапана, поскольку последний нагревается значительно сильнее.Тепловые зазоры в механизме газораспределения необходимо строго соблюдать и периодически контролировать в процессе эксплуатации двигателя. Увеличенный зазор приводит к повышенному шуму и наличию ударных нагрузок между деталями (стук клапанов), а слишком малый – к неплотному прилеганию клапана к седлу, прогоранию фасок, потерям мощности, «выстрелам» в глушитель или впускной канал (карбюратор и воздушный фильтр). В любом случае двигатель начинает работать с перебоями и долговечность его деталей резко снижается.
Следует отметить, что некоторые динамические перегрузки ударного характера, которые присутствуют в двигателе при его запуске и разогреве до рабочих температур являются меньшим из обозначенных зол, вызываемых предустановленным тепловым зазором.
Неужели невозможно избавиться от этой неприятной обязанности – систематически проверять и регулировать тепловой зазор в ГРМ, чтобы обеспечить нормальную и надежную работу двигателя?
Оказывается, возможно.
Многие современные автомобильные двигатели оснащены усовершенствованной системой слежения и реагирования на тепловое расширение деталей ГРМ – гидравлическими толкателями или, как их еще называют – гидрокомпенсаторами, позволяющими поддерживать нормальные (без зазоров) сопряжения деталей механизма газораспределения при любой температуре двигателя.
Об этом — на следующей старнице.