КЛУБ "АВТОЛЮБИТЕЛЬРис. 1. Профиль кулачка: 1 — сектор отдыха; 2 — сектор ускорения; 3 — боковая поверхность; 4 — вершина; 5 — сектор максимального открытия клапана. Рис. 2. Рабочие такты (а) четырехтактного двигателя, соответствующий им график (б) углов поворота коленчатого вала и линии открытия выпускного (Л, Вып.) и впускного (Л. Вп.) клапанов; П — угол перекрытия фаз газораспределения; втипичная схема фаз газораспределения. Рис. 3. Схемы механизмов газораспределения: с нижним (а) и верхним (б) расположением распределительного вала; стрелками показаны пары трения, определяющие величину суммарного зазора в приводе.Работа исправного и хорошо отрегулированного двигателя похожа на музыку. В ней все подчинено строгой гармонии тактов, да и сам мотор чем-то напоминает слаженный оркестр. Среди сотен деталей, из которых устроены системы и механизмы современного четырехтактного мотора, есть деталиисполнители», но есть и «дирижеры». Одним из «дирижеров» является распределительный вал, управляющий самыми важными рабочими процессами — наполнением и очисткой цилиндров. О его устройстве и эксплуатации рассказывает инженер А. Д. СОКОЛОВ.0а)4 # *ШГ';. .3 Г.| 5%Секреты распределительногоис Л -вит6)0£•irSTS**к АВп—2V / I tl » l l «вала\ щ?ЩиКонечно, роль распределительного вала можно сравнить с ролью дирижера в оркестре. Но, пожалуй, точнее, с инженерной точки зрения, было бы назвать его программным механизмом поршневого двигателя внутреннего сгорания. Качество рабочих процессов в моторе обеспечивается строгой взаимосвязью его деталей, их размеров, последовательностью действия. Учитывается абсолютно все: и форма камеры сгорания, и диаметры клапанов, и длина впускного тракта, и момент воспламенения горючей смеси, словом, в двигателе нет ни одного параметра, не влияющего на соседа. Большую часть деталей однажды изготовляют на заводе по заданным конструктором чертежам, собирают в узлы и до самой разборки для ремонта они остаются недосягаемыми. И только распределительный вал среди всех механизмов требует регулярного внимания. Здесь снова приходит на ум сравнение двигателя с музыкальным механизмом. Вспомните популярные в прошлом часы, шкатулки, шарманки, которые наигрывали самые разные мелодии. Принцип конструирования их приводных валиков сродни тому, что используется при расчетах распределительных валов. Набор звучащих на разных нотах стальных пластин, которые в определенной последовательности цепляются выступамиштырями валика, — вот и вся премудрость. Изготовил, настроил, и механизм сто лет «поет» и бабушкам и внукам./ У ш 1/• 360°г540° I vlPa.'720°НМТУсловия работы распределительного вала несравнимо хуже. Он обязан выдерживать «мелодию» работы двигателя при самых разных оборотах коленчатого вала, при плюс 1000°С в цилиндрах и минус 50-С на улице, часами, а порой и сутками, непрерывно, почти без отдыха. При этом вал должен не только заставлять двигаться связанные с ним клапаны, но и беречь их от перегрузок. Важнейший элемент распределительного вала — кулачок. Кулачков столько, сколько клапанов в механизме газораспределения. Как правило, два на цилиндр. На специальных гоночных моторах бывает и четыре клапана, но это сложные уникальные конструкции. Число цилиндров у различных моторов, все знают, разное. От одного (у мотоцикла) до шестнадцати (у гоночного автомобиля). Все, что происходит в одном цилиндре, обеспечивается парой кулачков, управляющих впускным и выпускным клапанами. От положения на валу кулачковых пар зависит очередность работы отдельных цилиндров. Кроме того, конечно, учитываются их число и расположение (рядное, V-образное, оппозитное), и порядок работы каждого всегда строго увязан с точно определенным и равным для всех углом поворота коленчатого вала. Совершенно обязательно, чтобы рабочие процессы в каждом цилиндре были максимально приближены к единообразию. Но сначала о кулачке. Толстая, или широкая, часть его предназначена для отдыха, тонкая — самая нагруженная. У него важны абсолютно все участки поверхности, которые с соответствующими названиями показаны на рис. 1. Причем важность и тонкость расчета профиля каждой части кулачка10 подъем клапана от седла, подготавливая его к полному открытию. Здесь в дело включается сектор ускорения. От профиля этого участка кулачка зависит скорость подъема клапана и характер нарастания нагрузок на кулачок от клапанной пружины. Как-никак, а даже в свободном состоянии пружина прижимает клапан к седлу с усилием до 15 кг. При полном открытии клапана сопротивление пружины добавляет еще килограммов 30. А если учесть, что соотношение плечей рычагов в клапанном приводе не в пользу кулачка, то выяснится, что нагрузка на него возрастает еще ив максимальном значении может приблизиться к 50 кг. Распределяется же она всего лишь на тоненькой линии по всей ширине кулачка, площадь которой, как правило, не более 0,2 мм*. Конечно, все эти цифры приблизительны, но их значения близки к реальным для большинства легковых двигателей, и благодаря им можно посчитать удельные нагрузки на рабочую площадь поверхности кулачка. Грубый подсчет даст величину 200 кг/мм 2 , что, образно говоря, равно весу опрокинутой пирамиды из 35 «жигулей», опирающейся на площадь монетки достоинством в1 копейку. Выдержать такие громадные нагрузки могут только специальные стали или отбеленный чугун, из которых делаются распределительные валы современных моторов, да и то при условии упрочняющей термообработки их, хорошей смазки и точного соблюдения времени работы и отдыха кулачков, что определяется известными всем зазорами. От величины «зазоров в клапанах» зависит икак — с ударом или постепенно — начнет открываться клапан, и как — мягко или с отскоком — сядет он обратно в седло. Но об этом несколько позже. Возвращаясь к сектору ускорения кулачка, можно сказать еще, что в нем заложены мощностные характеристики двигателя. Он регулирует время открытия клапана, а оно в большей мере, чем открытое клапаном отверстие для газов, влияет на наполнение цилиндра. Как и сектор отдыха, сектор ускорения хочется сделать возможно большим. Вершина кулачка определяет время, когда клапан открыт полностью. Естественно желание продлить его, а для этого необходимо удлинить поверхность, иными словами, сделать вершину тупой, разумеется, при той же высоте, так как она определяет высоту подъема клапана. Из всего сказанного о профиле кулачка очевидно, что конструктор всегда сто• ит перед поиском компромисса, удовлетворяющего определенным режимам работы двигателя. Удлинили сектора отдыха и ускорения — уменьшилась длина вершины. В результате получим клапанный механизм, работающий в спокойном режиме, с большим ресурсом, но мощность двигателя будет невысокой. Сделали круче боковую поверхность и более тупую (длинную) вершину — механизм загрузился, время отдыха его уменьшилось, но зато выходная мощность мотора (производная от наполнения цилиндра) возросла. Создав необходимый профиль кулачка, конструктор выбирает оптимальные условия совместной работы клапанов — фаза наполнения следует сразу же за очисткой цилиндра, и важно не мешкать ни с тем, ни с другим. Времени для этого всегда меньше, чем хотелось бы. Представим себе один из наиболее употребляемых режимов работы двигателя — 2400 об/мин. Распределительный вал повернется в два раза меньше, и каждый из четырех впускных или выпускных клапанов на любом из наших индивидуальных автомобилей откроется за это время 1200 раз. 20 раз в секунду распределительный вал должен будет открыть выпускной клапан, закрыть его, открыть впускной клапан, закрыть его и дать клапанам немного отдохнуть перед следующим циклом. Дефицит времени и характер газодинамических процессов, происходящих в цилиндре, позволяют совместить начало впуска свежей рабочей смеси с концом выпуска отработавших газов. При этом они даже несколько перекрываются, что в характеристике двигателя называется углом перекрытия фаз газораспределения (рис. 2). Для каждого мотора угол перекрытия свой и зависит от многих параметров — от объема цилиндра, проходного сечения отверстий под клапанами, изменения скорости потока вылетающих из цилиндра газов и соответствующего изменения давления в нем и др. А поддерживается он в требуемых пределахпостоянно возрастают по мере роста максимального числа оборотов у двигателей. Приняв разделение профиля кулачка на секторы, нам легче будет представить себе их значение. Начнем с того момента, когда клапан закрыт и, прижавшись к седлу, остывает. Особенно важно это для выпускного клапана, омываемого только раскаленными газами. Кулачок в это время тоже свободен после трения о толкатель («волги», старые «москвичи»), коромысло («Москвич—412») или рычаг («жигули») привода клапана и повернут к нему сектором отдыха. Хотелось бы сделать этот период возможно более длительным. Но конструктивные особенности двигателей ограничивают его в пределах 140 — 160°. Поворачиваясь вместе с валом, кулачок должен выбрать тепловой зазор в работающей с ним паре трения и начать 2*все той же регулировкой «клапанных зазоров». От нее же зависят и условия, в которых приходится работать клапанам, находящимся в буквальном смысле в самом пекле. Зона отдыха на кулачке обеспечивает клапану на остывание минимум третью часть времени от одного оборота. Коечто перепадает ему от зон ускорения, там, где профиль кулачка начинает отходить от круга до величины суммарного зазора в приводе клапана. Все вместе может обеспечить клапану отдых около половины времени оборота вала. И чем выше частота вращения распределительного вала, тем существеннее для клапана эта разница между третью и половиной рабочего времени кулачка, которая отводится ему для отдыха. Отсюда уже начинается чистая практика, волнующие каждого автолюбителя вопросы правильной регулировки зазоров в клапанном механизме. Ошибок здесь может быть только две, а последствий гораздо больше. Зазор велик. Его мы определяем по характерному шуму под клапанной крышкой, напоминающему стрекотанье старой швейной машинки. Но шум лишь косвенный показатель того, что происходит в механизме привода клапанов. На самом деле разница между работой механизма с нормальными и увеличенными зазорами может быть сравнима с ездой по асфальтовому и булыжному шоссе со всеми вытекающими отсюда последствия_, ми. Мийуя участок плавного перехода сектора отдыха в сектор ускорения, кулачок с размаху бьет боковой поверхностью в привод; через который удар передается на' стержень клапана. Здесь энергия его распределяется вдоль стержня и на стенки направляющей втулки. Открыв ненадолго клапан, кулачок по той же сокращенной программе резко бросает клапан, и пружина с большим усилием сажает его в седло. Процесс этот повторяется снова и снова, производя микроразрушения в структуре поверхностных слоев работающих в паре деталей и, в конечном итоге, намного раньше положенного срока выводит их из строя. Надо отметить, что двигатель в целом не остался безучастным к этому. Упала его мощность, и для той же работы, которую он проделывал, чтобы катить машину со скоростью 60 км/ч, ему уже потребовалось несколько больше топлива. Разумеется, и эти прямые и будущие ремонтные расходы адресованы владельцу машины, Зазор мал. Это^значит, что кулачок, едва посадив, правда, мягко, клапан в седло, тут же, не дав отдохнуть и остыть, снова поднимает его. При очень малых зазорах удлинившийся от нагревания клапан может и вовсе зависнуть над седлом. В результате температура тарелки клапана поползет вверх, кромки ее начнут перегреваться и обгорать, компрессия в цилиндре упадет, а вместе с ней и мощность. Порой дело доходит до «стрельбы» в карбюратор или в глушитель. При этих признаках ремонта уже не избежать. Не остается без пагубных последствий и сам кулачок. Он больше времени трется о привод клапана, меньше смазывается и, в конечном итоге, изнашивается раньше времени, приводя в полную негодность весь распределительный вал. Надо отметить, что любое отклонение в величине зазоров влечет за собой изменение в углах перекрытия фаз газораспределения, что тоже всегда некстати. Случается, что после самой тщательной регулировки зазоров стуки от «распущенных» клапанов сохраняются. Причина — в неравномерных износах трущихся пар. Здесь могут быть и сколы, и неровные впадины на рычагах и кулачках. Чаще всего неудачи при регулировке встречаются у двигателей с нижним расположением распределительного вала и верхними клапанами («волги», «москвичи» среднего поколения, «запорожцы»), Большое количество пар трения в этих приводах (рис. 3, а) требует повышенного внимания и дополнительных забот при ремонте и уходе за мотором. У современных «москвичей» и «жигулей» (рис. 3,6) их всего три, и обслуживать их гораздо проще. Мы видели главный смысл статьи в том, чтобы показать условия, в которых действуют самые нагруженные части распределительного вала. Что касается конкретных работ по регулировке клапанов в механизмах разных моделей — это серьезная тема, заслуживающая отдельного разговора, к которому рассчитываем вернуться.11