Что такое распределительный вал?
Как работает распределительный вал?
Распределительный вал — одна из важнейших деталей двигателя внутреннего сгорания, поскольку он регулирует открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов. В этой статье объясняются функция, принцип работы, детали и применение распределительного вала.
Распределительный вал — это стержень с рядом выступающих кулачков, предназначенный для преобразования вращательного движения в линейное.
В случае двигателя распределительный вал — это деталь, которая регулирует открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов двигателя внутреннего сгорания. Распределительный вал имеет не один кулачок: у него много радиальных кулачков, которые перемещают впускной или выпускной клапан. Этот кулачок скользит по впускным и выпускным клапанам.
Кулачок преобразует вращательное движение распределительного вала в возвратно-поступательное движение толкателя, или следящего элемента. Этот вал обеспечивает всасывание и выброс топлива внутри двигателя.
Работа распределительного вала зависит от работы кулачка и работы клапана. Впускные и выпускные клапаны устанавливаются в головке блока, а кулачки устанавливаются над этими клапанами. Головка блока содержит отверстие, обеспечивающее всасывание или выпуск топлива и требующее возвратно-поступательного движения.
Проще говоря, кулачок — это элемент, который преобразует вращательное движение в линейное и наоборот. Кулачок распределительного вала обеспечивает смещение за счёт радиального вращения и следящего элемента, движущегося перпендикулярно оси вращения. Расположение распределительного вала зависит от конструкции двигателя.
Основная функция распределительного вала — открывать впускной и выпускной клапаны в нужный момент. Коленчатый вал приводит в движение этот вал, который связан с ним ремнём или зацепляющимися шестернями.
Движение распределительного вала медленнее, чем движение коленчатого вала: он совершает один оборот после двух оборотов коленчатого вала. В четырёхтактном двигателе распределительный вал работает следующим образом:
- Когда поршень движется от ВМТ к НМТ (вниз), он передаёт своё движение коленчатому валу.
- Шатун воспринимает движение поршня, преобразует его во вращательное движение и начинает вращаться.
- Коленчатый вал соединён с распределительным валом с помощью шестерни или ремня.
- Когда коленчатый вал передаёт своё вращательное движение распределительному валу, тот преобразует его в возвратно-поступательное движение, надавливает на впускной клапан и открывает его.
- Когда клапан открывается, топливо начинает поступать в камеру сгорания.
- После тактов впуска и сжатия сгоревшая смесь воздуха и топлива расширяется в камере, что заставляет поршень двигаться вниз.
- Во время движения поршня вниз коленчатый вал снова воспринимает движение и приводит в движение распределительный вал.
- Когда кулачок выпускного клапана воспринимает это движение, он надавливает на выпускной клапан и открывает его, что позволяет отработавшим газам выйти из камеры сгорания.
Цельноматериальный вал наиболее часто используется для изготовления распределительного вала, поскольку такие валы обеспечивают высокую жёсткость. Также применяют чугун, так как он обладает большей прочностью.
Распределительные валы, изготовленные методом отбеливания железа (в кокиле), обладают отличной износостойкостью, поскольку отбеливание упрочняет материал. В железо подмешивают различные материалы, чтобы получить характеристики, наиболее подходящие для каждого применения.
Некоторые отрасли также используют заготовки (биллеты), когда требуется небольшой объём производства и отличное качество. Но этот процесс требует больше времени и затрат, чем другие. Эти валы изготавливают механической обработкой, литьём или ковкой на фрезерных и токарных станках.
Распределительный вал имеет следующие основные компоненты:
- Толкатель (следящий элемент кулачка)
- Кулачок
- Коренная шейка
- Кулачки (профили)
- Концы вала
- Подшипник скольжения
1. Толкатель (следящий элемент кулачка)
Это особый тип игольчатого или роликового подшипника, который следует за профилем кулачка. Его также называют следящим роликом. Существуют различные конфигурации толкателя кулачка, но важнейшая характеристика — это крепление толкателя к детали, с которой он взаимодействует. Вилочный толкатель имеет отверстие в центре, а стержневой толкатель использует шпильку.
Без этой детали кулачок почти бесполезен, поскольку кулачок опирается на толкатель, чтобы преобразовать вращательное движение в возвратно-поступательное. Толкатели снабжены подшипниками, которые позволяют им преобразовывать вращательное движение в возвратно-поступательное.
Подшипники толкателя также имеют разную конструкцию, но обычно изготавливаются с очень толстым наружным кольцом. Такая конструкция толстого наружного кольца позволяет толкателю воспринимать высокие радиальные нагрузки, в то время как мягкие сердечники выдерживают большие нагрузки без риска повредить компонент.
Толкатель кулачка требует шариков или иголок и специальных материалов, таких как хром или нержавеющая сталь, в зависимости от требований применения.
2. Кулачок
Кулачок — это устройство, которое передаёт требуемое движение толкателю посредством прямого контакта. Основная цель этой детали распределительного вала — преобразовывать вращательное движение коленчатого вала в линейное движение.
Он имеет некруглую форму с одним кулачком. Толкатель воспринимает движение от кулачка по мере его вращения. Распределительный вал каждого двигателя имеет не один кулачок.
Кулачок устанавливается над клапанами. Он отвечает за регулировку открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов.
Синхронизация кулачка очень важна для характеристик двигателя внутреннего сгорания. Вращение кулачка открывает впускной и выпускной клапаны цилиндра. Надлежащая синхронизация необходима для гарантии того, что топливо впрыскивается и выбрасывается в нужный момент.
3. Коренная шейка
Основное назначение коренной шейки — поддерживать положение распределительного вала, когда он вращается внутри двигателя.
4. Кулачки (профили)
Кулачки распределительного вала вращаются в соответствии с движением поршня. Скорость этого компонента изменяется в зависимости от скорости двигателя. Основное назначение кулачков — открывать и закрывать впускные и выпускные клапаны.
5. Концы вала
Передний конец распределительного вала предназначен для связи ремня с коленчатым валом. Задний конец использует специальную шестерню для вращения распределителя зажигания двигателя. Синхронизация зажигания такая же, как и у остальных компонентов двигателя.
6. Подшипник скольжения
Подшипник скольжения устанавливается в главном отверстии двигателя. Он предотвращает повреждение блок цилиндров распределительным валом при отказе двигателя. Подшипники скольжения помогают поддерживать безупречное вращение распределительного вала.
Распределительный вал имеет следующие основные типы:
- По типу используемых распределительным валом толкателей
- По форме ведомого элемента распределительного вала
По типу используемых распределительным валом толкателей
1) Кулачок с плоским толкателем
Кулачок с плоским толкателем на самом деле не плоский: у этих кулачков на рабочей поверхности имеется небольшой выступ. Он устанавливается там, где толкатель и кулачок движются относительно друг друга, и толкатель вращается по кулачку. Профили этого кулачка изготавливают с небольшим конусом.
Толкатель должен вращаться по кулачку, чтобы избежать ненужного и вредного износа. По сравнению с роликовыми толкателями плоский толкатель имеет небольшой вес и меньшую массу. Легко заключить, что плоский толкатель находится в центре кулачка. Эти кулачки дешевле роликовых, поэтому они более привлекательны.
2) Кулачки с роликовым толкателем
Скруглённый наконечник роликового кулачка позволяет ролику удерживать клапан открытым в течение длительных периодов при большом подъёме, что влияет на требования к топливовоздушной смеси. Форма кулачка также позволяет клапану открываться быстрее.
Главное преимущество этих распределительных валов в том, что они снижают внутреннее трение, позволяют использовать более агрессивный профиль кулачка и способствуют высоким скоростям. Они обладают очень высокой долговечностью; иными словами, практически неограниченным сроком службы.
Роликовые кулачки можно использовать повторно снова и снова. Они снижают трение и повышают мощность. Также они продлевают срок службы за счёт снижения износа.
По форме ведомого элемента распределительного вала
1) Цилиндрический кулачок
Этот тип кулачка имеет цилиндрическую форму. Он также известен как барабанный кулачок. На поверхности цилиндрического кулачка имеется паз, по которому перемещается толкатель.
У этого распределительного вала ось кулачка параллельна направлению движения толкателя.
2) Радиальный кулачок
Радиальный кулачок также называют тарельчатым или дисковым. Он называется радиальным, потому что его ось перпендикулярна направлению движения толкателя.
Этот тип кулачка имеет пластину неправильного контура. Эта пластина служит для преобразования движения кулачка в движение толкателя или ведомого элемента.
3) Сопряжённый кулачок
Он имеет 2 ролика. Толкатель или ведомый элемент этого распределительного вала связан с этими роликами. Ролики стремятся ограничивать движения друг друга, чтобы устранить шум и обеспечить бесшумную работу.
Эти кулачки используются в применениях, требующих бесшумной работы распределительного вала.
4) Глобоидный кулачок
Этот кулачок имеет конструкцию, очень похожую на цилиндрический кулачок. Главное отличие в том, что цилиндрический кулачок заменён вогнутым или выпуклым профилем.
5) Сферический кулачок
Сферический кулачок имеет паз в своём изогнутом и сферическом по форме корпусе. Толкатель перемещается вдоль паза. Движение толкателя перпендикулярно оси вращения сферического кулачка.
6) Поступательный кулачок
Этот кулачок содержит пластину с пазовым контуром. Толкатели качаются вдоль поверхности паза кулачка.
7) Кулачок в форме сердца
Он называется кулачком в форме сердца, поскольку имеет форму асимметричного сердца. Толкатель перемещается по краю кулачка с плавным и непрерывным движением. Этот тип кулачка обычно используется для равномерной намотки кабеля на катушку соленоида.
8) Клиновидный кулачок
Конец этого кулачка имеет заострённую форму и широкое основание. Ведомый элемент совершает скользящее движение относительно кулачка.
9) Спиральный кулачок
Это полукруглый полуспиральный контур с пазом на поверхности. Толкатель этого кулачка движется перпендикулярно линейному движению ведомого элемента распределительного вала.
Существует множество причин отказа распределительного вала. Наиболее распространённые причины его отказа указаны ниже:
- Из-за неправильного давления клапанной пружины.
- Из-за износа кулачков.
- Недостаточная приработка (обкатка).
- Из-за повреждения кулачка.
- Из-за чрезмерного осевого зазора распределительного вала.
- Использование нового масляного фильтра вместе с кулачком.
- Из-за механического вмешательства, такого как трение сальника, перекрытие витков пружины, контакт клапана с поршнем, пазы коромысел и трение винтов.
- Использование некачественного материала для распределительного вала.
Распределительный вал получает приводную мощность от коленчатого вала. Коленчатый вал передаёт свою мощность распределительному валу различными способами и приводит его в движение. Приводной механизм распределительного вала указан ниже:
- Цепной привод
- Шестерёнчатый привод
- Ремённый привод
1) Цепной приводной механизм
В этом механизме для передачи мощности от коленчатого вала к распределительному валу используется цепная звёздочка.
Если расстояние между коленчатым и распределительным валами велико, используется цепной приводной механизм.
В этом механизме распределительный и коленчатый валы вращаются в одном направлении. Используется натяжитель цепи, чтобы предотвратить провисание цепной системы, поскольку провисшая цепь не может передать достаточно мощности от коленчатого вала к распределительному валу.
2) Шестерёнчатый приводной механизм
Шестерёнчатый приводной механизм используется, когда требуется минимальное расстояние между коленчатым и распределительным валами. В этом механизме система шестерён передаёт мощность от коленчатого вала к кулачку.
В случае шестерёнчатого механизма ведущая шестерня коленчатого вала входит в зацепление с ведомыми шестернями распределительного вала (как показано на следующей схеме). При вращении коленчатый вал передаёт мощность распределительному валу через ведущую шестерню. При вращении ведущей шестерни она приводит во вращение ведомые шестерни, которые открывают и закрывают впускные и выпускные клапаны двигателя.
3) Ремённый приводной механизм
Ремённый приводной механизм использует зубчатый ремень для передачи движения от коленчатого вала к распределительному валу. Он очень распространён в современных двигателях. Ремень снижает рабочий шум и требует небольшого обслуживания.
Ремень следует периодически заменять в соответствии со спецификациями производителя. Если он порвётся, это может вызвать серьёзные повреждения клапанов и поршней двигателя.
Это зависит от материала, смазки и условий эксплуатации. При правильном обслуживании отбеленные литые или из легированной стали распределительные валы обычно служат более 150 000–200 000 км. Недостаток масла — основная причина преждевременного износа.
Потеря мощности, металлические стуки в головке блока, повышенный расход топлива, чрезмерные выбросы и пропуски зажигания. При диагностике появляются коды ошибок, связанные с синхронизацией клапанов.
Если кулачки имеют сильный износ или точечную коррозию, ремонт не рекомендуется; следует заменить вал новым. В некоторых случаях его можно шлифануть, но это снижает его долговечность.
Отбелённый литой вал обладает хорошей износостойкостью для стандартных применений. Вал из легированной стали имеет более высокую механическую прочность, что идеально подходит для высокопроизводительных двигателей и больших нагрузок.