Клапанные пружины механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания
Клапанные пружины служат для плотной посадки клапанов в сёдла, а также для постоянного поддержания беззазорного контакта передаточных деталей: клапан-коромысло-штанга-толкатель-кулачок. В основном на впускные и выпускные клапаны устанавливаются одинаковые пружины.
Широкое распространение в современных автомобильных и тракторных двигателях получили цилиндрические витые клапанные пружины (с постоянным либо переменным шагом). Переменный шаг витков позволяет предотвратить вибрации клапана при высокой частоте вращения коленчатого вала. В данном случае конец пружины, имеющий меньший шаг, обращён вниз, то есть в сторону тарелки (головки) клапана.
Основная масса дизельных двигателей комплектуется сдвоенными цилиндрическими пружинами с постоянным шагом. Пара пружин позволяет снизить их длину, повысить надёжность работы двигателя (в случае поломки одной из пружин, клапан будет удерживать другая), улучшить резонансную характеристику клапанного механизма. Различное направление витков внутренней и наружной пружин выполняется с целью предотвращения попадания витков одной пружины (в случае её поломки) между витками другой. Пружины (5) и (6) [рис. 1] центрируются относительно клапана (1) за счёт установки специальной упорной шайбы (7) в головку цилиндров (9).
Рис. 1. Установка клапанных пружин.
4) – Тарелка клапана;
5) – Наружная пружина клапана;
6) – Внутренняя пружина клапана;
7) – Шайба пружин клапана;
8) – Направляющая втулка;
9) – Головка цилиндра.
В двигателях ЗМЗ-53, Д-144 и ЗИЛ-130 устанавливается по одной пружине на каждый клапан, а в двигателях СМД-60, А-41, КамАЗ, Д-240, ЯМЗ и А-01 – по две.
Клапанные пружины изготавливаются методом навивки из проволоки диаметром 3-8 мм (число рабочих витков 5-14). Материал клапанных пружин: кремнемарганцовистые, марганцовистые, хромованадиевые и прочие стали. По завершении навивки пружины подвергаются термообработке (закалка, отпуск) и механической обработке (наклёп).
Клапанные пружины обеспечивают плотное прилегание клапанов к седлам и своевременное закрытие их после завершения действия кулачков распределительного вала. Характеристика (жесткость) клапанных пружин подбирается из условий сохранения кинематической связи между деталями механизма газораспределения при работе двигателя на практически допустимом скоростном режиме.
В существующих конструкциях автомобильных клапанных механизмов наиболее широко применяются витые цилиндрические пружины с постоянным шагом навивки. Наружный диаметр пружин определяется условиями их размещения на двигателе, а высота—типом газораспределения. Пружины нижнеклапанных механизмов обычно имеют 8—10 витков, верхнеклапанных — соответственно 6—8 витков. Два крайних витка являются опорными. Их размещают вплотную к соседним виткам и прошлифовывают, создавая сплошную кольцевую поверхность, перпендикулярную к оси пружины (см. рис. 1, а). Один из этих витков опирается на тарелку 3 крепления и центрирования пружины, а второй — на блок 5 или на головку цилиндров 19 при верхних клапанах (см. рис. 1, б), причем в алюминиевых головках (блоках) под пружину ставится стальная шайба 15, предохраняющая их поверхности от разрушения.
Чтобы устранить возможность возникновения опасного для прочности пружины резонанса, на клапаны ставят по две пружины с навивкой витков в противоположные стороны или делают пружины с переменным шагом навивки. Обычно по две пружины применяют в верхнеклапанных механизмах (см. рис. 1, б). Наружная пружина 13 имеет при этом большее, чем внутренняя 14, сечение витка Установка двух пружин с разной навивкой на каждый клапан позволяет также несколько уменьшать общую высоту клапанного механизма, что очень важно для верхнеклапанных двигателей и увеличивает надежность их работы. Так, при поломке одной из пружин клапаны не проваливаются в цилиндр, а витки поломанной пружины не могут войти в витки сохранившейся пружины, вызвать ее поломку и тяжелую аварию двигателя.
Материалом для изготовления клапанных пружин служит 3—4 мм стальная проволока С65А, 65Г и др. Для предохранения от коррозии пружины лудят, оцинковывают или кадмируют.
Источник: Райков И.Я., Рытвинский Г.Н. Двигатели внутреннего сгорания, 1971 г.
Как устанавливают пружины клапанов с переменным шагом
Клапанные пружины механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания
Клапанные пружины служат для плотной посадки клапанов в сёдла, а также для постоянного поддержания беззазорного контакта передаточных деталей: клапан-коромысло-штанга-толкатель-кулачок. В основном на впускные и выпускные клапаны устанавливаются одинаковые пружины.
Широкое распространение в современных автомобильных и тракторных двигателях получили цилиндрические витые клапанные пружины (с постоянным либо переменным шагом). Переменный шаг витков позволяет предотвратить вибрации клапана при высокой частоте вращения коленчатого вала. В данном случае конец пружины, имеющий меньший шаг, обращён вниз, то есть в сторону тарелки (головки) клапана.
Основная масса дизельных двигателей комплектуется сдвоенными цилиндрическими пружинами с постоянным шагом. Пара пружин позволяет снизить их длину, повысить надёжность работы двигателя (в случае поломки одной из пружин, клапан будет удерживать другая), улучшить резонансную характеристику клапанного механизма. Различное направление витков внутренней и наружной пружин выполняется с целью предотвращения попадания витков одной пружины (в случае её поломки) между витками другой. Пружины (5) и (6) [рис. 1] центрируются относительно клапана (1) за счёт установки специальной упорной шайбы (7) в головку цилиндров (9).
Рис. 1. Установка клапанных пружин.
5) – Наружная пружина клапана;
6) – Внутренняя пружина клапана;
В двигателях ЗМЗ-53, Д-144 и ЗИЛ-130 устанавливается по одной пружине на каждый клапан, а в двигателях СМД-60, А-41, КамАЗ, Д-240, ЯМЗ и А-01 – по две.
Клапанные пружины изготавливаются методом навивки из проволоки диаметром 3-8 мм (число рабочих витков 5-14). Материал клапанных пружин: кремнемарганцовистые, марганцовистые, хромованадиевые и прочие стали. По завершении навивки пружины подвергаются термообработке (закалка, отпуск) и механической обработке (наклёп).
Как устанавливают пружины клапанов с переменным шагом
Добрый день!Понимаю этот вопрос обсуждался не раз но всё таки кто и как установил прогрессивную пружину с переменным шагом узкими витками вниз или вверх?
мое ИМХО. вверх в виду того что у меня «караван-сарай» т.е. ненагруженная авто — и на кочках работает нижняя менее упругая часть. при нагрузке «подключается» верхняя. покрайней мере так стоит уже больше года и все гуд. а ввиду того что вожу периодически с родника водичку в среднем от 150 литров и более, если со штатными пружинами я начинал чиркать по всему чего возможно на кочках(волнах) дороги просаживался. То сейчас явно после нагрузки хвататет жесткости чтобы не дать авто просесть так низко. А на не нагруженной авто осталась мякость подвески. для меня комфорт важен. Да и еще. у меня шумка сделана а это доп нагрузка ко всему. и положено много. гдето уже писал.
Согласен и с теми кто утверждает что ставить надо вниз. В моем понятии это хорошо для более лучшей отработки трассы колесами в особенности с газом (жуудкая табуретка — не мое). Но я что то последнее время перестал носиться, видать старею
Имеются пружины с переменным витком, но никак не можем понять какой стороной их ставить.. Частые витки должны быть снизу или сверху у стакана? Желательно обоснованный ответ, так как интересно самому)
Пружина с переменным шагом витка выгодно отличается от обычной пружины, которая нестабильно работает, быстро изнашивается и снижает комфорт.
Коэффициент жесткости пружины с переменным шагом увеличивается с увеличением нагрузки, что практически исключает работу амортизаторов в режиме «пробоя» и создает дополнительный комфорт, надежность, увеличивает срок службы амортизатора.
Пружины с переменным шагом витка гарантируют высокий комфорт при больших нагрузках на ось. Благодаря прогрессивной характеристике, эти пружины стабилизируют положение машины, улучшают управляемость и обеспечивают безопасность при максимальной загрузке автомобиля.
Пружина с переменным шагом витка выгодно отличается от обычной пружины, которая нестабильно работает, быстро изнашивается и снижает комфорт.
Коэффициент жесткости пружины с переменным шагом увеличивается с увеличением нагрузки, что практически исключает работу амортизаторов в режиме «пробоя» и создает дополнительный комфорт, надежность, увеличивает срок службы амортизатора.
Пружины с переменным шагом витка гарантируют высокий комфорт при больших нагрузках на ось. Благодаря прогрессивной характеристике, эти пружины стабилизируют положение машины, улучшают управляемость и обеспечивают безопасность при максимальной загрузке автомобиля.
Устанавливается частыми витками вниз.
3.2. Клапанный механизм
Клапанный механизм включает в себя следующие детали: клапаны, направляющие втулки, седла клапанов, возвратные пружины, опорные тарелки, сухари, механизм вращения клапана (двигатель ЗИЛ-508.10).
Клапаны предназначены для герметизации цилиндра при тактах сжатия и рабочего хода и соединения его с трубопроводами впускной или выпускной системы при тактах впуска или выпуска в процессе газообмена.
Условия работы клапанов:
Клапаны изготовляются из легированных сталей с высоким содержанием хрома и никеля.
Клапан состоит из головки (или тарелки) и стержня. Различают клапаны с плоской, выпуклой и тюльпанообразной головками. Головки обычно имеют небольшой (около 2 мм) цилиндрический поясок и уплотнительную фаску, снятую под углом 45 и 30° Уплотнительные фаски клапанов шлифуют и притирают к седлам, а стержни подвергают термообработке, шлифовке, полировке и покрывают хромом. Торцы стержней (3—5 мм) закаливают. На концах стержней имеются цилиндрические, конусные или фасонные проточки для крепления клапанных пружин.
Чтобы уменьшить напряженность выпускных клапанов, возникающую вследствие высоких температур, в ряде двигателей применяют натриевое охлаждение. С этой целью клапан выполняют полым с утолщенным стержнем и примерно на 2/3 полости заполняют металлическим натрием, температура плавления которого составляет около 97 К. В рабочем состоянии расплавленный натрий, перемещаясь внутри полости при возвратно-поступательном движении клапана, увеличивает интенсивность отвода теплоты от горячей головки к более холодному стержню и далее к направляющей втулке.
Направляющие втулки обеспечивают строго перпендикулярное относительно седла перемещение клапанов. Материалом для изготовления направляющих втулок служат в основном перлитный чугун и металлокерамика, представляющая собой смесь из порошков железа, меди и графита, которые подвергаются прессованию, спеканию в печи и пропитыванию маслом. От возможного просачивания в цилиндры масла, стекающего по стержням впускных клапанов, последние снабжаются самоподжимными манжетами.
Клапанные пружины обеспечивают плотное прилегание клапанов к седлам и своевременное их закрытие после завершения действия кулачков распределительного вала. Характеристику (жесткость) клапанных пружин подбирают из условий сохранения кинематической связи между деталями механизма газораспределения. Клапанные пружины изготовляются из стальной проволоки диаметром 4—6 мм, легированной марганцем и хромом.
Пружины нижнеклапанных механизмов обычно имеют 8—10 витков, верхнеклапанных механизмов — 6—8 витков. Два крайних витка являются опорными. Их размещают вплотную к соседним виткам и прошлифовывают, создавая сплошную кольцевую поверхность, перпендикулярную оси пружины. Нижним концом пружина опирается на головку блока цилиндров через специальную опорную тарелку, а верхним концом соединяется двумя сухарями с клапаном через верхнюю тарелку. Для этой цели сухари на внутренней поверхности имеют выступы, которые входят в проточку клапана, а гладкая наружная поверхность сухарей выполнена в виде усеченного конуса.
Два сухаря установленные на клапан, образуют опорную коническую поверхность, которая сопрягается с опорной поверхностью проточки в верхней тарелке, и это соединение удерживается в замкнутом состоянии за счет предварительного сжатия пружины. Чтобы устранить возможность возникновения опасного для прочности пружин резонанса, на клапаны ставят по две пружины с навивкой витков в противоположные стороны или делают пружины с переменным шагом навивки.
Седла клапанов. Наиболее важным сопряжением, определяющим долговечность механизма газораспределения, является сопряжение седло—клапан, так как оно подвержено ударным нагрузкам при посадке клапана и значительным термическим перегрузкам. Седло клапана, с которым соприкасается уплотнительная фаска клапана, обрабатывают инструментом с углами заточки 15, 45 и 75° таким образом, чтобы уплотнительный поясок седла имел угол 45° и ширину около 2 мм. По своим размерам поясок должен подходить ближе к меньшему основанию конусной фаски клапана. Фаска клапана имеет меньший угол и соприкасается с седлом только узким пояском у своего большого основания, что обеспечивает хорошее уплотнение клапанного отверстия. Вставные седла изготовляются в виде отдельных колец из специального чугуна, легированной стали или металлокерамики.
Механизм вращения клапана. Для поддержания в рабочем состоянии контактных поверхностей уплотнительных фасок выпускных клапанов иногда применяют специальные устройства, позволяющие принудительно поворачивать клапаны в процессе работы.
Механизм вращения клапана (двигатель ЗИЛ-508.10) (рис. 27) состоит из неподвижного корпуса, в наклонных канавках которого расположены пять шариков с возвратными пружинами, дисковой пружины и опорной шайбы с замочным кольцом. Механизм вращения клапана устанавливается в расточке, сделанной в головке блока цилиндров под опорной шайбой клапанной пружины. При закрытом клапане давление на дисковую пружину невелико, и она вогнута наружным краем вверх, а внутренним краем опирается в заплечик корпуса. Шарики отжаты пружинами в исходное положение. В момент открытия клапана усилие со стороны клапанной пружины возрастает, под действием чего дисковая пружина, выпрямляясь, передает усилие на шарики и вызывает их перемещение в углубление. Когда клапан закрывается, сила, действующая на дисковую пружину, уменьшается, и она, выгибаясь, освобождает шарики. Шарики под действием возвратных пружин перемещаются в исходное положение, что приводит к повороту клапана на некоторый угол (клапаны совершают 20—40 оборотов в минуту).
Рис. 27. Выпускной клапан двигателя автомобиля ЗИЛ-508.10 с механизмом вращения: а — выпускной клапан и механизм вращения; б, в, г — начальное, рабочее и конечное положения механизма вращения соответственно; 1 — выпускной клапан; 2 — корпус механизма вращения; 3 — шарик; 4 — опорная шайба; 5 — замковое кольцо; 6 — пружина клапана; 7 — тарелка пружины; 8 — сухарь; 9 — дисковая пружина; 10 — возвратная пружина; 11 — натриевый наполнитель; 12 — направляющая втулка; 13 — седло клапана; 14 — жаростойкая наплавка; 15 — заглушка; 16 — головка блока цилиндров
В некоторых двигателях применяют менее эффективное, но более простое устройство, основанное на использовании способа крепления клапанной пружины на стержне клапана. Крепление пружины на клапане состоит из опорной тарелки, втулки и двух сухарей. Контакт между опорной тарелкой и втулкой имеет место только на небольшой торцевой поверхности втулки, поэтому во время работы двигателя под действием вибрации узла клапан—пружина скручивание пружины при подъеме клапана обеспечивает его проворачивание.
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 зазор между торцом клапана и деталью привода, воздействующей на клапан (коромыслом или толкателем). В среднем тепловые зазоры в зависимости от типа двигателя составляют 0,15—0,30 мм для впускного клапана и 0,15—0,35 мм для выпускного.
Клапанная пружина предназначена для замыкания кинематической связи системы кулачок распределительного вала — клапан в процессе его перемещения, а также для удерживания клапана в закрытом положении при превышении силы давления в трубопроводе над силой давлением в цилиндре. Она работает в условиях резко меняющихся динамических нагрузок.
Материалом для изготовления пружин является пружинная сталь. Пружину подвергают закалке и среднему отпуску. Концевые витки пружин шлифуют для получения плоской кольцевой опорной поверхности. Для повышения усталостной прочности пружины обрабатывают стальной дробью, а для защиты от коррозии пружину оксидируют, оцинковывают или кадмируют.
Шаг витка цилиндрической пружины обычно делают постоянным по всей длине. Для уменьшения склонности к возникновению резонанса пружину делают с переменным шагом или конической.
Использование двух пружин в клапанном узле позволяет уменьшить габариты клапанного узла и повысить долговечность пружин. Для предотвращения попадания витков одной пружины между витками другой внутренняя и наружная пружины должны иметь противоположные направления или различные углы навивки.
Чтобы повысить долговечность опорной поверхности головки блока цилиндров, под пружину устанавливают стальную штампованную тарелку.
Направляющая втулка обеспечивает поступательное перемещение клапана и отвод теплоты от стержня клапана. Для фиксации в головке цилиндров втулки выполняют с выточкой под пружинное стопорное кольцо, с заплечиками или с наружным конусом. Втулку изготовляют из антифрикционных серых чугунов, бронзы, спекаемой хромистой или хромони-келевой керамики. Для повышения износостойкости и антифрикционных свойств керамические втулки, пористая структура которых позволяет хорошо удерживать смазку, сульфидируют и гра-фитизируют в масле.
Зазор между направляющей втулкой и стержнем клапана для впускных клапанов устанавливают меньше, чем для выпускных, из-за разной температуры нагрева.
Клапан с пружиной крепятся опорной тарелкой и двумя разрезными сухарями 2 с углом конуса 10. 15°.
В верхней части стержня клапана для установки сухарей делают специальные выточки: цилиндрическую с галтелями, с одним или двумя поясками или коническую.
Поворотный механизм клапана используется для увеличения долговечности и надежности работы фасок в сопряжении клапан-седло головка клапана. Конструктивно он может быть выполнен в виде обоймы, на которую опирается пружина, или дополнительной конической втулки. Обойма вращается за счет перекатывания шариков в наклонных углублениях из-за изменения сил, вызывающих перемещение клапана. Втулка нижним торпом опирается на днище тарелки по небольшой площади. В определенные моменты времени, когда суммарная сила, действующая вдоль оси клапана, невелика и сила трения в плоскости контакта мала, вибрация двигателя вызывает колебания втулки, отрывает ее от тарелки и поворачивает вместе с клапаном.
