Как увеличить прочность клапанов (5 видео)

Анализ отказов, выявленных при приработке двигателей на испытательных станциях, показывает, что более половины их приходится на детали системы газораспределения. Удельный вес отказов системы газораспределения изменяется во времени, но все же остается значительным, колеблясь в пределах 5,8…7,8% от числа отремонтированных, например, двигателей ГАЗ .

С целью определения причин, вызывающих отказы системы газораспределения, и разработки мероприятий по их предупреждению был произведен микрометраж распредвалов, толкателей, клапанов, клапанных пружин и блоков цилиндров по поверхностям, сопрягаемым с указанными деталями, что позволило установить соответствие отремонтированных изделий требованиям технических условий, выявить причины появления дефектов, разработать мероприятия, повышающие качество ремонта.

Износы деталей газораспределения. Детали системы газораспределения обладают высоким ресурсом и сроком службы двигателей внутреннего сгорания. Однако техническое состояние их оказывает существенное влияние не только на экономические, но и на мощностные показатели работы двигателей.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Износы деталей газораспределения приводят к изменению фаз газораспределения. По данным ЦНИИМЭСХ , сдвиг фаз газораспределения на 7% снижает мощность двигателя на 7,46%, а максимальный крутящий момент— на 12,2%. Большое влияние на изменение фаз газораспределения оказывает износ распределительных шестерен, вызывающий сдвиг фаз в сторону запаздывания. Максимальный износ зубьев шестерен двигателей СМД -14 составляет 0,9 мм, минимальный — 0,9 мм. Суммарный износ зубьев опорной шейки распредвала и подшипников приводит к сдвигу фаз газораспределения на 5…7° по углу поворота коленчатого вала.

Велики износы шестерен распределения у автомобильных двигателей. Для снижения шумности работы зубчатой передачи шестерню распредвала изготавливают из пластических масс (текстолита и др.), имеющих более низкую износостойкость. Обследование шестерен распредвала и коленвала двигателей, поступающих в ремонт, показывает, что боковой зазор у них превышает допустимые нормы.

Распределительные валы. В процессе работы двигателя износу подвергаются кулачки и опорные шейки распредвалов. Износ кулачков приводит к худшему наполнению цилиндров и очистке цилиндров от продуктов сгорания, к нарушению фаз газораспределения, что вызывает снижение мощности и увеличенный расход топлива. Износ опорных шеек является одной из причин падения давления в системе смазки. Износ вершины кулачка распредвала двигателя СМД -7 на величину 1,6 мм снижает мощность двигателя на 5…6%.

Распределительные валы изготавливают из стали 40, 45, 40Х и других и подвергают упрочнению закалкой ТВЧ . Для некоторых двигателей распределительные валы изготавливают из чугуна.

Наибольшему износу подвергаются распредвалы быстроходных двигателей. Вершина кулачка при скольжении по тарелке толкателя работает в весьма тяжелых условиях. Под действием силы сжатия клапанной пружины в месте контакта кулачка с тарелкой толкателя возникают высокие удельные давления, разрывающие масляную пленку и приводящие сопряжение к работе в условиях сухого трения. Износ материала кулачка искажает его профиль: уменьшается высота и время подъема клапана, т. е. уменьшается «время-сечение» открытия клапана.

Клапанные пружины в процессе работы двигателя теряют упругость, укорачиваются в свободном состоянии и не выдерживают рабочих нагрузок. Есть случаи поломок клапанных пружин. Вследствие падения жесткости клапанные пружины во время впуска не удерживают в закрытом положении выпускные клапаны, последние под действием разряжения в цилиндре произвольно открываются. Это ухудшает наполнение цилиндров и, как следствие этого, падение мощности, увеличение расхода топлива. Снижение жесткости клапанных пружин на 25% повышает удельный расход топлива дизельных двигателей на 19% и приводит к потери мощности на 17,8%.

Толкатели автотракторных двигателей являются наиболее ответственными и сложными деталями системы газораспределения. Технические условия устанавливают жесткие требования на их изготовление и ремонт. Толкатели изготавливаются из стали 35 с твердостью HRC a 35…50, тарелки толкателя покрываются легированным чугуном твердостью не менее HRC3 45. Стержень толкателя должен обрабатываться до номинального или одного из ремонтных размеров.

Видео:Как быстро проверить какие клапана нужно притирать.Скачать

Тарелка толкателя должна иметь сферу радиуса 750 мм, биение сферы — не более 0,01 мм на радиус 15 мм, шероховатость поверхности стержня толкателя должна соответствовать Ra 0,63…0,32, а тарелки — Ra 0,16…0,08.

Согласно ТУ на ремонт толкатели должны подбираться по направляющим в блоке цилиндров таким образом, чтобы под действием массы в слегка смазанном отверстии толкатель.медленно опускался, зазор в сопряжении должен быть в пределах 0,006…0,036 мм. Оптимальная величина исходного зазора равна 0,012. Установлено, что при зазорах менее 0,012 мм появляются задиры стержней толкателей, при увеличении исходного зазора между стержнем и направляющим отверстием возникает перекос стержня и торможение вращения, усиливается неравномерность износа кулачков распредвала и толкателей по стержню и тарелки.

Нами установлено, что причинами непроворачивания (невращения вокруг оси) последних в направляющих отверстиях блока могут быть его перекос, задир стержня и сопрягаемой поверхности блока. Для предотвращения задиров необходимо в обязательном порядке подбирать толкатели по направляющим отверстиям, предварительно смазав их маслом. Перекос толкателей является одной из причин и такого дефекта газораспределения, как невозможность отрегулировать тепловые клапанные зазоры. Этот дефект заключается в том, что зазор между торцом клапана и регулировочным болтом толкателя имеет разную величину в зависимости от положения толкателя. Были обнаружены двигатели, у которых клапанный ..зазор при вращении толкателя изменялся от 0 до 0,25 мм.

Читайте также: Замена ремня грм ваз 21099 инжектор 8 клапанов

При выявлении причин невозможности регулировки клапанных зазоров было установлено, что одной из них может быть несоосность резьбового отверстия под регулировочный болт со стержнем толкателя. Повышенная несоосность присуща толкателям, подвергавшимся восстановлению по стержню. Для восстановления изношенных стержней толкателей в настоящее время на ремонтных заводах широко применяют хромирование и желез-нение и в меньших масштабах — вибродуговую наплавку пружинной проволокой II класса. После восстановления изделий в гальванических ваннах их шлифуют на бесцен-тровошлифовальных станках, а после наплавки вибрирующим электродом перед шлифованием протачивают на специальном токарном станке.

Недостатком указанных способов восстановления является нарушение соосности резьбового отверстия под регулировочный болт, что является следствием неравномерного износа стержня, неравномерного по толщине отложения гальванопокрытий, грубой геометрии восстановленной поверхности, отсутствия неизношенной установочной базы для механической обработки. Наибольшая несоосность наблюдалась у толкателей, восстановленных вибродуговой наплавкой; наименьшая — у толкателей, покрытых хромом.

Внедрение обработки толкателей на круглошлифо-вальных станках (вместо бесцентровошлифовальных) с установкой по заранее подготовленной базе обеспечило необходимую точность: В этом случае базой служила фаска на тарелке, снимаемая перед железнением.

Из рассмотренных выше способов восстановления толкателей наиболее целесообразным является хромирование. При этом сопротивление изнашиванию хромированных стержней выше стандартных в 2,5 раза.

Применение железнения целесообразно при наращивании покрытий толщиной более 0,3 мм.

Практика показывает, что 85 % толкателей требуют, согласно техническим условиям, шлифования сферы тарелки. Однако из-за отсутствия специального оборудования механическая обработка сферы тарелки толкателя представляет определенную трудность. В связи с этим целесообразно для шлифования тарелки использовать круглошлифовальные станки.

Толкатель — деталь, требующая бережного отношения при хранении и транспортировке. Поэтому следует оберегать его от забоин и повреждений, ни в коем случае нельзя складировать «навалом».

Клапаны. Впускные и выпускные клапаны изготавливают из сталей соответственно 4Х9С2 и 40Х и термически обрабатывают на твердость 30…40 и 30…37 HRC a. Стержни этих деталей по длине до 3…5 мм должны иметь твердость HRC3 45. К точности изготовления и ремонта клапанов предъявляются высокие требования: биение фаски должно быть не более 0,03 мм (при большем биении затрудняется притирка клапанов по гнездам); конус, эллипс, огранка стержней не должны превышать 0,01 мм; неперпендикулярность торца клапанов стержню допускается не более 0,03 мм.

Основными дефектами клапанов, поступающих в ремонт, являются износ фаски, изгиб стержня, износ торца и стержня.

Видео:способ закалки любой марки сталиСкачать

Технические условия на ремонт не допускают сборки двигателей с клапанами, имеющими износ по стержню. При наличии такого износа детали должны перешлифовываться под один из ремонтных размеров.

Вышедшие из ремонтных размеров клапаны восстанавливают хромированием или железнением. Применение последнего для восстановления стержней клапанов позволяет ввести увеличенный ремонтный размер стержня. Это целесообразно для использования изношенных направляющих втулок клапанов путем их развертывания.

Для обеспечения нормальной работы сопряжения клапан — направляющая клапана необходимо обеспечить исходные зазоры: в пределах 0,050…0,097 мм для впускных и 0,080…0,124 мм для выпускных клапанов.

По техническим условиям все клапаны при ремонте двигателей должны подвергаться шлифованию по фаске на станках модели СШК -3. Однако, как показывает опыт работы, последние не обеспечивают выполнения технических требований и малопроизводительны. Для этих целей на заводах используют круглошлифовальные станки разных моделей, оснащая их специальными приспособлениями.

Контроль фаски клапанов после шлифования производят на специальном приспособлении. Направляющие втулки клапанов изготовляют из серого чугуна с твердостью 269…307 НВ (2690…3070 МПа).

Износостойкость сопряжения клапан — направляющая втулки зависит от нескольких факторов: материала, вида покрытия втулки и клапана, исходных зазоров и шероховатости поверхностей.

В целях повышения износостойкости сопряжения целесообразно применение металлокерамических втулок, которые вследствие пористости лучше смазываются маслом, а по коэффициенту трения и износостойкости они превосходят втулки из чугуна. Для повышения износостойкости втулок целесообразно также применять суль-фидирование, а стержней клапанов — хромирование.

Сопротивление изнашиванию сопряжения тарелка клапана — гнездо клапана ограничено их малой твердостью. Исследования показали, что повышение твердости фаски клапанов и клапанных гнезд закалкой с нагрева ТВЧ способствует увеличению износостойкости. При этом износ фасок клапанов (HRC3 48…52) и их гнезд из чугуна СЧ 21 (HRC3 45…48) уменьшается в 1,6… 1,8 раза.

Тюнинг ГБЦ часть 2

Для начала расскажу в чем преимущество ГБЦ (головки блока цилиндров) с 4 клапанами на 1 цилиндр в сравнении с 2 клапанами. Расположение двух впускных и двух выпускных клапанов в камере сгорания позволяет увеличить площадь клапана (клапанов), но вопреки тому, что многие считают, это не реальная причина в превосходстве. Для примера, давайте сравним 1.7 литра Lotus/Ford Twin Cam раллийный двигатель (2 распредвала, 4 цилиндра, 8 клапанов). Впускной клапан имеет размер 43 мм (площадь -14.45 см2)

Читайте также: 11189 двигатель зазоры клапанов

Видео:Парадокс сужающейся трубыСкачать

И знаменитый двигатель, разработанный гоночным инженером Кейтом Даквортом (один из основателей компании Cosworth, название Cosworth родилось из объединения фамилий (COStin and duckWORTH). Cosworth являлся подразделением Ford Motor Company, но на данный момент приобретён Джеральдом Форсайтом и Кевином Колховеном).

Раллийный двигатель Cosworth BDA 1.7 литра (2 распредвала, 4 цилиндра, 16 клапанов) Размер впускных клапанов 31 мм, площадь клапанов на впуске составляет 15 см2 – что является очень близко к площади впускного клапана мотора Lotus/Ford Twin Cam (14.5 см2).

Оба двигателя были разработаны для гонок и выдавали максимальную мощность на 8000 оборотах; 190 сил Cosworth и 170 сил Lotus/Ford . В ралли автомобили с двигателем Cosworth были всегда намного быстрее (на любом покрытии) из-за того, что этот мотор имел на 1000 оборотов более широкий диапазон мощности и значительно лучше не только на верхах, но и на низких оборотах. А причина в том, что имея практически идентичную площадь клапанов двигатель Cosworth имеет на 44% больше клапанную щель при любом подъеме клапанов. По этой причине моторы с 4 клапанами на цилиндр используют распредвалы с менее широкой полной фазой (duratoin), а это в свою очередь улучшает средний диапазон без ущерба для максимальной мощности.

Чтобы это лучше понять почему на 44% больше, предлагаю рассмотреть иллюстрацию которая использовалась в посте о распредвалах (Распредвал часть 2)

В первой части мы остановились на геометрии седла клапана.

Геометрия седла клапана

Основной закон – седло впускного клапана, это номер 1, от чего зависит эффективность ГБЦ пока клапан не будет иметь подъем 0.18 (18%) от его диаметра, а на стороне выпуска еще больше, до 0.35 от диаметра выпускного клапана.

Однофасочное седло с углом 45* градусов имеет эффективность 56% при подъеме клапана 6.35 мм. Если выполнить правильную трех-фасочную, четырех или даже пяти-фасочную геометрию седла то эффективность реально повысить до 84% (средние значения от 76% до 84%). Стандарт трех-фасочная геометрия (наиболее популярная) 45* — запорная фаска, 30* — верхняя, соединяет основную фаску с днищем камеры сгорания. Нижняя фаска имеет угол 60* соединят 45* с горлом канала.

На этой схеме указаны размеры, как для впускного, так и выпускного каналов хорошо работающие и дающие великолепный результат. Также указаны оптимальные размеры клапанов (впуск и выпуск). Как вы заметили, на выпуске, запорная фаска седла шире, это необходимо чтобы обеспечить хороший теплоотвод от тарелки клапана. Выпускной клапан при этом имеет более узкую 45* фаску, что необходимо для борьбы с образованием нагара. Переход от запорной фаски седла к каналу осуществляется широкой 60- градусной нижней фаской, многие специалисты используют дополнительно для 4-х – 5-ти фасочной геометрии седла канала еще фаски с углом 75* (80 градусов) которые более плавно соединяют запорную фаску с каналом.

Видео:Украинские солдаты проверили на прочность российский шлем #shortsСкачать

Очень большой положительный эффект на продувку дает дополнительная 30* фаска на клапанах

Очень важно не только угол (об это ниже) но позиция, расположение клапана в седле и ширина запорной фаски

Для впуска многие специалисты любят совмещать седло, как можно выше (в направлении камеры сгорания) с клапаном. На выпуске такое расположение неприемлемо, это сильно ухудшит надежность и может привести к прогару клапана – по центру то что надо.

Ширина запорной фаски, на впускном канале оптимальным является 1.0 мм – 1.55 мм. Более узкая фаска, в основном улучшает продувку канала, но при этом ухудшает прочность, надежность. Выпускные каналы работают при экстремально высоких температурах, поэтому им необходима более широкая запорная фаска, для того чтобы увеличить пятно контакта и лучше отводить тепло через седло канала (оптимальные размеры указаны на схеме).

Для примера привожу результаты которые были получены на сток 1.6 литра двигателе с размером впускного клапана 35.5 мм при проведении выше указанных процедур

Результат – плюс 14 CFM, это даст прибавку в мощности более 10 сил.

Альтернативные углы геометрии седла канала

45* градусов запорная фаска седла впускного клапана наиболее используемая, но часто используют и другие углы. Для примера, если у вас задушен мотор, вам надо больше воздуха (flow) не важно, что результат даст только пиковую мощность на 9000 оборотах – используется угол 50-55*, такой угол дает наилучшую продувку при высоком подъеме клапана т.к. позволяет сделать более плавное соединение с максимально возможно увеличенным горлом канала. Такие углы применяют инженеры при постройки гоночным моторов 358- ci V8 для NASCAR.

Читайте также: Клапан vcv land rover discovery 3

Видео:как подточить клапан без съема гбцСкачать

Плюсы – максимальные показатели продувки при высоко поднятом клапане, минусы – пиковая мощность и самое главное, чем больше угол (больше 45*) запорной фаски, тем меньше прочность, намного хуже надежность. Для турбо моторов такой вариант ПРОСТО НЕ ПРИЕМЛЕМ из-за высоких температур. Если Вы строите мотор рассчитанный на высокие обороты, то лучшие результаты (из-за реверса потока воздуха) дает верхняя (top cut) фаска не 30*, а 38* градусов

Если ваш мотор очень голодный до воздуха или вы желаете существенно улучшить характеристики ГБЦ не на высоких оборотах, то есть хороший вариант – использовать 30⁰ запорную фаску на седле впускного клапана. Предлагаю этот вариант рассмотреть более подробно

Как видно из рисунка, при одинаковом подъеме, клапанная щель при использовании запорной фаски с углом 30* больше, а значит и количество воздуха будет поступать больше (а это то, что надо для повышения момента). Такое улучшение на впуске мы имеем в плоть до подъема клапана 7.5 мм, максимальная прибавка составляет более 20% при подъеме клапана 1.25-2.5 мм. Такая геометрия дает эффект, при малых подъемах клапана, более большого канала (и конечно и размера клапана) но только при этом низы и середина не ухудшается, а только улучшается.

Это похожий эффект, как при использовании распредвала с большим подъемом, как вы помните я описывал, что сам по себе подъем кулачка не увеличивает максимальное значения проходящего потока воздуха при подъеме выше 0.25 от диаметра клапана, но сильно увеличивает наполнение при малом подъеме. Происходит это за счет увеличения скорость подъема клапана и не более.

Встречается много серийных машин с такой геометрией седла клапана, да, наверное, все дизельные двигателя работают на такой геометрии, но встречаются и бензиновые моторы. На первый взгляд это все кажется просто, но на самом деле есть и сложности (решаемые).

С одной стороны, чем меньше угол, тем лучше клин, который улучшает герметичность пары седло-клапан, но при этом, чем более плоское седло, тем больше проявляется тенденция, что клапан на высоких оборотах начнет отпружинивать при закрытии. Однозначно, чем более плоский угол запорной фаски седла канала, тем лучше продувка, наполнение (flow) при небольших подъемах клапана, но без серьезного изучения этого вопроса ситуация может только ухудшится при использовании распредвалов с подъемом кулачка выше 12 мм. Если ваша цель высокие обороты (8000+++) и распредвал с высоким подъемом кулачка 12.5++мм – 50*-55* градусов угол запорной фаски решит проблему отпружинивания клапана и как следствие больше мощность.

На данной картинке указано схематично, как сделать седло впускного канала с углом 30*

Такая геометрия седла впускного клапана дает потрясающие результаты на продувочном стенде, но скорее всего возникнут проблемы с герметичностью (клапан-седло) на оборотах намного выше 5000. Особенно это проявляется на высоко форсированных моторах, которые испытывают проблему с высокой температурой клапана при максимальных нагрузках и как следствие деформация (изгиб клапана при закрытии в следствии его расширения). По этой причине такую геометрию не рекомендуется использовать на выпускном седле клапана.

Есть несколько вариантов решения этой проблемы (ВЫСОКАЯ температура клапана, расширение –деформация). Один из вариантов нанести на лицевой стороне тарелки впускного клапана канавку. Вот вариант как это сделать

Видео:Как проверить клапан на прочность самый простой способ.Скачать

Так же не будет лишним использовать клапанные пружины на 10% жестче, чем необходимо для седла с углом 45*. При использовании такого метода David Vizarrd’s – известный американский спец в области постройки гоночных моторов (кстати, он проводит очень полезные семинары, как готовить ГБЦ) делал великолепные гоночные моторы.

Другой вариант – использование специального термо покрытия на клапана, которое снижает температуру последнего (значительно)

Вообще, проблема с клапанами при высокой температуре частое явление даже на сток моторах, особенно турбо версии. При их тюнинге, часто этот вопрос остается забытым, а это не только деформация и как следствие плохая герметичность, пропуски зажигания, детонация, такое часто встречается к примеру на европейских моторах VAG 2.0 turbo TSI – накачав мотор супер прошивками от Брендовых тюнерских фирм, но при этом не позаботившись об охлаждении воздуха, мотора и т.д. как решение пытаются эту проблему решить заменой клапанных пружин на более жесткие. Ну да ладно, это у же не по теме