Чем отличается коленвал от распредвала?

Привод ГРМ шестерней от коленчатого вала двигателя.

На сегодняшний день этот тип ГРМ практически не применяется в массовом производстве. Однако на дорогах все еще можно встретить достаточно много автомобилей, в основном старых, использующих его. Уход от такого типа привода был связан с изменением конструкции самого двигателя, его эволюцией, в связи с чем этот механизм перестали применять в серийном производстве.

Устройства ГРМ различаются не только по типам привода, но и по разновидностям самой его конструкции. Самое большое распространение получили два типа газораспределительных механизмов — это SOHC

иDOHC .

Система SOHC имеет конструктивные особенности по сравнению с DOHC. К таковым у системы SOHC относится наличие всего одного распределительного вала, что дает как преимущества, так и недостатки. К положительным сторонам данной системы относится более тихая работа двигателя, что положительно сказывается на комфорте, а также, в силу простой конструкции, делает привод данной системы более ремонтопригодным и повышает надежность всего узла.

Недостаток данного типа привода относится к двигателям, оснащенным четырьмя клапанами на один цилиндр, и заключается в высокой нагрузке, которой подвергается распределительный вал , что может привести к негативным последствиям: дорогостоящая деталь выходит из строя в силу своей хрупкости.

Тип механизма ГРМ DOHC в своей конструкции применяет два распределительных вала, что дает такие преимущества, как меньший расход топлива, увеличенная мощность по сравнению с конкурентной системой. Однако и данный тип не лишен недостатков. К таковым относится меньшая ремонтопригодность и более высокая стоимость в результате усложнения конструкции, однако на фоне положительных черт данные минусы нивелируются.

Источник

Цепной привод

Цепь ГРМ отличает более высокая надежность по сравнению с ременным и приводом через шестерню от коленчатого вала. Превосходство в надежности достигается за счет использования натяжителя, действующего с большим усилием по сравнению с ремнем. Обслуживание цепного привода производится достаточно редко, что положительным образом сказывается на стоимости владения автомобилем. Цепной привод обладает большим ресурсом надежности в сравнении с ременным.

К явным отрицательным сторонам данного типа привода ГРМ относится его шумная работа, в связи с этим мировые производители постепенно отказываются от производства автомобилей с данным типом привода ГРМ, несмотря на все его неоспоримые достоинства.

OHC и DOHC — что это значит

Распределительный вал Volkswagen Beetle: Кулачок (слева) передает движение через длинный плунжер на коромысло клапана

В современных двигателях используются только верхние распределительные валы (OHC = верхний распределительный вал). Часто в современных моторах установлено два распредвала. Один служит для впускных клапанов, второй отвечает за выпускные клапана (DOHC = двойной верхний распределительный вал).

В старых моторах двигатели были сконструированы, как правило, с одним распредвалом. Также в них клапаны в головке блока управлялись плунжерами. Эта конструкция моторов приводит к большому механическому трению, что делает силовые агрегаты этого типа менее эффективными и менее мощными.

Ниже в графической анимации вы можете увидеть, как два распредвала работают в современном четырехцилиндровом двигателе (принцип DOHC).

Принцип работы

Работу газораспределительного механизма сложно рассматривать отдельно, в отрыве от рабочего цикла двигателя. Ведь его основная задача – это вовремя открыть и закрыть клапана на определенный промежуток времени. Соответственно на такте впуска открываются впускные, а на такте выпуска – выпускные. То есть фактически механизм должен реализовывать рассчитанные фазы газораспределения.

Технически это происходит следующим образом:

1. Коленчатый вал передает крутящий момент посредством привода на распределительный.
2. Кулачок на распределительном валу нажимает на толкатель или коромысло.
3. Клапан перемещается внутрь камеры сгорания, открывая доступ свежему заряду или отработавшим газам.
4. После того как кулачок проходит активную фазу воздействия, клапан возвращается на место под действием пружины.

Стоит также отметить, что за полный рабочий цикл распредвал совершает 2 оборота, попеременно открывая клапана в каждом цилиндре, в зависимости от порядка их работы. То есть, например, при схеме работы 1-3-4-2 в один и тот же момент времени в первом цилиндре будут открыты впускные клапаны, а в четвертом выпускные. Во втором и третьем клапаны будут закрыты.

Газораспределительный механизм имеет 2 свойственные неполадки — неплотное примыкание клапанов к гнездам и невозможность полностью открыть клапаны.

Неплотное примыкание клапанов к гнездам обнаруживается по таким показателям: хлопки, возникающие иногда во впускной либо выпускной трубе, уменьшение мощности мотора. Факторами неплотного закрытия клапанов могут быть:

• возникновение нагара на поверхности клапанов и гнезд;
• формирование раковин на рабочих фасках и искривление головки клапана;
• неисправность пружин клапанов.

Неполное открытие клапанов сопровождается стуком в троящем моторе и уменьшением его мощности. Данная поломка возникает в следствии значительного промежутка меж стержнем клапана и носком коромысла. К характерным поломкам для ГРМ нужно причислить кроме того изнашивание шестерен распредвала, толкателей, направляющих клапана, смещение распредвала и изнашивание втулок и осей коромысел.

Практика демонстрирует, что на газораспределительный механизм приходится примерно четвертая часть всех отказов мотора, а уже на предотвращение этих отказов и восстановление ГРМ уходит 50% трудоёмкости обслуживания и ремонтных работ. Для диагностирования поломок применяют следующие параметры:

1. определяют фазы газораспределительного механизма автомобиля;
2. измеряют тепловой зазор между клапаном и коромыслом;
3. измеряют промежуток между клапаном и седлом.

Измерение фаз газораспределения

Подобное диагностирование ГРМ двигателя выполняется на заглушенном моторе с помощью особого набора устройств, среди которых имеются указатель, моментоскоп, малка-угломер и прочие дополнительные приборы. Для того, чтобы фиксировать период раскрытия впускного клапана на 1-ом цилиндре, необходимо покачивать вокруг своей оси коромысло, а далее направить коленвал мотора до момента появления зазора меж клапаном и коромыслом. Малка-угломер для замера разыскиваемого зазора ставится прямо на шкив коленвала.

Измерение теплового промежутка между клапаном и коромыслом

Тепловой зазор измеряют при помощи набора щупов либо иного особого устройства. Это набор из металлических пластинок длиной в 100мм, толщина которых обязана быть не больше 0,5мм. Коленвал мотора поворачивают вплоть до верхней предельной точки, в период такта сжатия подобранного для контроля цилиндра. Непосредственно благодаря щупам разной толщины, поочередно вставляемым в сформировавшееся отверстие, и измеряется зазор.

Устройство газораспределительного механизма

В современных моторах газораспределительный механизм располагается в головке блока цилиндров двигателя. В его состав входят следующие основные элементы:

1. Распределительный вал. Это сложная по конструкции деталь, которая изготавливается из прочной стали или чугуна с высокой точностью обработки. В зависимости от конструкции ГРМ распредвал может устанавливаться в головке блока цилиндров или в картере двигателя (такая компоновка сейчас не применяется). Это основная деталь, которая отвечает за последовательное открытие и закрытие клапанов. Распределительный вал

На валу имеются опорные шейки и кулачки, которые и толкают стержень клапана или коромысло. Форма кулачка имеет строго определенную геометрию, поскольку от этого зависит длительность и степень открытия клапана. Также кулачки выполнены разнонаправленными, чтобы обеспечивать попеременную работу цилиндров.

• Привод. Крутящий момент от коленчатого вала передается через привод на распределительный вал. Привод бывает разным в зависимости от конструктивного решения. Шестерня коленвала в два раза меньше шестерни распредвала. Таким образом, коленчатый вал вращается в два раза быстрее. В зависимости от типа привода в его состав входят: цепь или ремень;
• шестерни валов;
• натяжитель (натяжной ролик);
• успокоитель и башмак.

Впускные и выпускные клапаны. Они расположены в головке блока цилиндров и представляют собой стержни с плоской головкой на одном конце, которая называется тарелкой. Впускные и выпускные клапаны отличаются по конструкции. Впускной изготавливается цельной деталью. Также он имеет больший диаметр тарелки для обеспечения лучшего наполнения цилиндра свежим зарядом. Выпускной часто изготавливают из жаропрочной стали и с полым стержнем для лучшего охлаждения, так как в работе он подвергается более высоким температурам. Внутри полости находится натриевый наполнитель, который легко плавится и отводит часть тепла от тарелки к стержню. Впускные и выпускные клапаны с пружинами На тарелках клапанов сделаны специальные фаски, которые обеспечивают более плотное прилегание к отверстиям в головке блока цилиндров. Это место называется седлом. Кроме самих клапанов, в механизме предусмотрены дополнительные элементы, обеспечивающие его правильную работу:
Направляющая втулка. Устанавливается в корпус ГБЦ и обеспечивает точное движение клапана.
Сухари. С их помощью пружина крепится на стержне клапана.

Толкатели. Через толкатели передается усилие от кулачка распредвала на стержень. Изготавливаются из высокопрочной стали. Они бывают разных видов (механические (стаканы), роликовые, гидрокомпенсаторы). Тепловой зазор между механическими толкателями и кулачками распредвала регулируется вручную. Гидрокомпенсаторы или гидротолкатели автоматически поддерживают нужный тепловой зазор и не требуют регулировки.

Коромысло или рычаги. Простое коромысло представляет собой двуплечный рычаг, который совершает качательные движения. В различной компоновке коромысла могут работать по-разному. Коромысло

Системы изменения фаз газораспределения. Данные системы устанавливаются не на все двигатели. Более подробно про устройство и принцип работы CVVT можно прочитать в отдельной статье на нашем сайте.

Устройство газораспределительного механизма

В современных моторах газораспределительный механизм располагается в головке блока цилиндров двигателя. В его состав входят следующие основные элементы:

1. Распределительный вал. Это сложная по конструкции деталь, которая изготавливается из прочной стали или чугуна с высокой точностью обработки. В зависимости от конструкции ГРМ распредвал может устанавливаться в головке блока цилиндров или в картере двигателя (такая компоновка сейчас не применяется). Это основная деталь, которая отвечает за последовательное открытие и закрытие клапанов.

   Распределительный вал На валу имеются опорные шейки и кулачки, которые и толкают стержень клапана или коромысло. Форма кулачка имеет строго определенную геометрию, поскольку от этого зависит длительность и степень открытия клапана. Также кулачки выполнены разнонаправленными, чтобы обеспечивать попеременную работу цилиндров.

2. Привод. Крутящий момент от коленчатого вала передается через привод на распределительный вал. Привод бывает разным в зависимости от конструктивного решения. Шестерня коленвала в два раза меньше шестерни распредвала. Таким образом, коленчатый вал вращается в два раза быстрее. В зависимости от типа привода в его состав входят:
   • цепь или ремень;
3. шестерни валов;
4. натяжитель (натяжной ролик);
5. успокоитель и башмак.
6. Впускные и выпускные клапаны. Они расположены в головке блока цилиндров и представляют собой стержни с плоской головкой на одном конце, которая называется тарелкой. Впускные и выпускные клапаны отличаются по конструкции. Впускной изготавливается цельной деталью. Также он имеет больший диаметр тарелки для обеспечения лучшего наполнения цилиндра свежим зарядом. Выпускной часто изготавливают из жаропрочной стали и с полым стержнем для лучшего охлаждения, так как в работе он подвергается более высоким температурам. Внутри полости находится натриевый наполнитель, который легко плавится и отводит часть тепла от тарелки к стержню.

   Впускные и выпускные клапаны с пружинами На тарелках клапанов сделаны специальные фаски, которые обеспечивают более плотное прилегание к отверстиям в головке блока цилиндров. Это место называется седлом. Кроме самих клапанов, в механизме предусмотрены дополнительные элементы, обеспечивающие его правильную работу:

   Пружины. Возвращают клапаны в исходное положение после нажатия.

7. Направляющая втулка. Устанавливается в корпус ГБЦ и обеспечивает точное движение клапана.
8. Сухари. С их помощью пружина крепится на стержне клапана.
9. Толкатели. Через толкатели передается усилие от кулачка распредвала на стержень. Изготавливаются из высокопрочной стали. Они бывают разных видов (механические (стаканы), роликовые, гидрокомпенсаторы). Тепловой зазор между механическими толкателями и кулачками распредвала регулируется вручную. Гидрокомпенсаторы или гидротолкатели автоматически поддерживают нужный тепловой зазор и не требуют регулировки.
10. Коромысло или рычаги. Простое коромысло представляет собой двуплечный рычаг, который совершает качательные движения. В различной компоновке коромысла могут работать по-разному.

    Коромысло

11. Системы изменения фаз газораспределения. Данные системы устанавливаются не на все двигатели. Более подробно про устройство и принцип работы CVVT можно прочитать в отдельной статье на нашем сайте.

Назначение и характеристика

Газораспределительным называется механизм, осуществляющий открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов двигателя.

Рисунок 1 – Типы газораспределительных механизмов, классифицированных по различным признакам

При верхнем расположении распределительный вал устанавливается в головке цилиндров, где размещены клапаны. Открытие и закрытие клапанов производится непосредственно от распределительного вала через толкатели или рычаги привода клапанов. Привод распределительного вала осуществляется от коленчатого вала с помощью роликовой цепи или зубчатого ремня.

Верхнее расположение распределительного вала упрощает конструкцию двигателя, уменьшает массу и инерционные силы возвратно-поступательно движущихся деталей механизма и обеспечивает высокую надежность и бесшумность его работы про большой частоте вращения коленчатого вала двигателя.

Цепной и ременный приводы распределительного вала также обеспечивают бесшумную работу газораспределительного механизма.

При нижнем расположении распределительный вал устанавливается в блоке цилиндров рядом с коленчатым валом. Открытие и закрытие клапанов производится от распределительного вала через толкатели штанги и коромысла. Привод распределительного вала осуществляется с помощью шестерен от коленчатого вала. При нижнем расположении распределительного вала усложняется конструкция газораспределительного механизма и двигателя. При этом возрастают инерционные силы возвратно-поступательно движущихся деталей газораспределительного механизма. Число распределительных валов в газораспределительном механизме и число клапанов на один цилиндр зависят от типа двигателя. Так, при большем числе впускных и выпускных клапанов обеспечивается лучшие наполнение цилиндров горючей смесью и их очистка от отработавших газов. В результате двигатель может развивать большие мощность и крутящий момент. При нечетном числе клапанов на цилиндр число впускных клапанов на один клапан больше, чем выпускных.

Описание работы ГРМ

Работу газораспределительного механизма сложно рассматривать отдельно от рабочего цикла двигателя. Его основная задача — вовремя открывать и закрывать клапаны на определенный промежуток времени. Следовательно, на такте впуска — открываются впускные, а на такте выпуска — выпускные. То есть фактически механизм должен реализовывать рассчитанные фазы газораспределения.

Технически это происходит следующим образом:

1. Коленчатый вал передает крутящий момент через привод на распределительный вал.
2. Кулачок распределительного вала давит на толкатель или коромысло.
3. Клапан перемещается внутрь камеры сгорания, открывая доступ свежему заряду или выхлопному газу.
4. После того, как кулачок прошел активную фазу воздействия, клапан возвращается на место под действием пружины.

Также следует отметить, что за полный рабочий цикл распредвал делает 2 оборота, поочередно открывая клапаны на каждом цилиндре в зависимости от порядка их работы. То есть, например, при схеме работы 1-3-4-2 одновременно будут открываться впускные клапаны на первом цилиндре и выпускные клапаны на четвертом. Во втором и третьем клапаны будут закрыты.

О конструктивном исполнении распредвала

Устройство и чертеж ГРМ, в том числе и распределительного вала, приведены ниже.

Конструктивно распределительный вал может располагаться либо в блоке цилиндров, либо в головке блока силового агрегата. В зависимости от его месторасположения меняется и привод, благодаря которому передается усилие от кулачков на клапан. Привод распределительного вала связан с коленвалом. Привод может быть выполнен как с помощью цепной передачи (см. чертеж выше), так и с помощью гибкой ременной. Кроме того, могут быть иные способы передачи управляющего усилия к клапанам, но это уже определяет чертеж и документация мотора.

Статья в тему: Как проверить работоспособность катушки зажигания (бобины)

Какой лучше использовать привод распределительного вала, определяет устройство двигателя. В тех случаях, когда распределительный вал располагается в блоке цилиндров, (так называемое нижнее расположение), то может быть даже задействован шестеренчатый привод. Последний, правда, в последнее время не применяется из-за своей громоздкости и повышенного шума при работе. Что цепной, что ременный привод отличаются достаточной надежностью, но у каждого из них есть свои особенности эксплуатации, которые надо учитывать при обслуживании двигателя.

Его устройство может предусматривать, что распределительный вал в моторе может быть не один. Как правило, в современных многоклапанных двигателях его располагают по возможности ближе к клапанам для уменьшения на нем нагрузки. Конструкция и чертеж, например, V-образного двигателя, предусматривает как минимум два вала, тогда как в обычном рядном, как правило, один распределительный вал. Хотя для многоклапанных двигателей определяющим будет их назначение – может быть отдельно выпускной и впускной распределительные валы, т.е. они управляют работой выпускных или впускных клапанов.

Типы размещения распредвала в двигателе

В конструкции двигателя может присутствовать один, два или четыре распредвала, в зависимости от компоновки цилиндров и количества клапанов.

При линейном расположении и 2-3 клапанами на цилиндр устанавливается один распредвал, управляющий и впуском, и выпуском (система SOHC).

При 4 клапанах на цилиндр ставится 1 или 2 распредвала (система DOHC – отдельные валы на впуск и выпуск).

Для V-образных или оппозитных двигателей распредвал устанавливается на каждый из блоков цилиндров отдельно (один общий на ряд или по два на ряд), либо один общий распредвал на все цилиндры (ставится по центру, в развале двигателя). Конструкторы предпочитают разделять впускные и выпускные валы, чтобы уменьшить нагрузку на них и сложность конструкции.

Как правило, впускной и выпускной распредвал почти не отличаются: одинаковая длина и диаметр вала, одинаковая высота и профиль кулачков. Разница может заключаться в конструкции крайних опорных шеек и приводных шкивов.

На один из распредвалов устанавливается датчик положения, для которого выделяется отдельное посадочное место.

Расположение распредвала относительно клапанов может различаться в разных конструкциях двигателей. В старых или маломощных моторах вал устанавливают сбоку от клапанов, соединяя их с кулачками через рокеры (Т-образные коромысла) и штанги. Такая система называется боковым или нижним расположением распредвала «Cam-in-Block». Их преимущество в более простой системе смазки (зачастую распредвал устанавливается прямо в картере), а недостаток – в сложной доступности для замены.

Моторы более поздних конструкций делались в распредвалами непосредственно над клапанами, что облегчает обслуживание и ремонт. Такое расположение, когда кулачки вала давят непосредственно на толкатели, называют верхним или «Cam-in-Head». Смазывать верхний распредвал несколько сложней: система подачи масла должна работать бесперебойно, в том числе это касается масляных каналов и отверстий в самом распредвале.

Что такое распредвал?

Этот вал нужен для того, чтобы в определенный момент клапана открывали, после чего в цилиндр поступала рабочая смесь, выходили выхлопные газы. Это делается благодаря эксцентрикам, которые имеются на валу. Он жестко связан с коленчатым валом, поэтому, например, впускной клапан открывается только перед началом такта впуска, когда цилиндр находится в нижней мертвой точке.

Распределительный вал может находиться в головке блока, такие двигатели называются верхенвальные, неважно, сколько валов здесь установлено. Так же он может быть в блоке цилиндров, как упоминалось выше

Это называется нижневальный двигатель. В таком случае привод на клапан передается через штанги, которые проходят через весь двигатель в головку блока. Основным минусом такого механизма является медлительность и большая инерционность. Нижневальные двигатели довольно тяжело крутятся, у них высокий расход масла, в отличие от верхневальных, где практически нет недостатков.

Функции и устройство

В работающем двигателе с высокой частотой открываются и закрываются клапана (впускные, выпускные), обеспечивая газораспределение. За этим «следит» распределительный вал – металлическое устройство сложной формы, четко подгоняемое под определенную модель двигателя. Навскидку, от распредвала зависит следующее: мощность и динамика двигателя, его КПД.

На заводах распредвал или вытачивается из цельнометаллического цилиндра, или на ось цилиндра устанавливаются кулачки (касается распределительных валов по системе AVS). Изготавливается конструкция или из чугуна, или многослойной стали. На определенных этапах изготовления материал насыщают азотом, обрабатывают промышленным лазером, шлифуют.

Несмотря на внушительный вид и кажущуюся сложность, механизм работы распределительного вала предельно прост. На валу имеются специальные кулачки, открывающие клапаны через толкатели или напрямую. Так называемые опорные шейки, фиксируемые в подшипниках скольжения, обеспечивают вращение вала почти без нагрева за счет сил трения. Когда вал начинает вращаться, кулачки открывают клапана двигателя, которые при дальнейшем вращении вала закрываются пружинами. Обычно на один клапан приходится один кулачок.

Наверняка автолюбители сталкивались с аббревиатурами SOHC и DOHC. Первая относится к двигателям с одним распредвалом, тем временем как вторая – к двигателям с двумя. SOHC признаны устаревшими, однако такие моторы устанавливаются в легковых бюджетных автомобилях и сейчас. Второй же тип является доработанным вариантом первого (распредвалов, как и указано, два), в котором имеются толкатели.

Мощность двигателя напрямую зависит от качества топливной смеси, условий сгорания и подачи самой смеси. Если в случае с подачей все понятно, то о первых двух вещах стоит поразмыслить. Представьте: если мы доработаем кулачки так, что они будут высоко подниматься и открывать клапаны на продолжительный период, внутрь камеры может попасть больше воздуха; если воздуха становится много, можно подать и больше топлива, которое в обычных условиях бы не сгорело в обедненной кислородом среде. Так же рассуждают инженеры, создающие спортивные двигатели. Однако, подобное решение абсолютно не подойдет для городской среды: мы получаем огромную мощность, но потребляем больше топлива, что особенно критично при чередовании стартов и торможений, как это бывает в городской «тянучке».

Отметим, что количество распределительных валов никак не связано с количеством клапанов. Конечно, большое количество клапанов гарантирует высокую скорость наполнения камеры сгорания и дальнейшее ее опорожнение. Однако автопроизводители ставят столько распредвалов, сколько, по их расчетам, хватит для обеспечения не только высокой мощности, но и высокой надежности системы и минимализации нагрузок на детали.

Заметьте: когда распредвал совершает один оборотов, коленвал успевает совершить два, а вот отдельно взятый клапан откроется только один раз. Правильную работу двух валов, т.е распределительного, коленчатого, гарантирует ремень ГРМ и специальные шестерни.