LABOLATORIUM Z BADANIA POJAZDÓW
SAMOCHODOWYCH
TEMAT:
BADANIE ZUśYCIA WAŁKA ROZRZĄDU
SILNIKA
WYKONAŁ:
XXXXXXXXXXXXX
GDAŃSK 2003
Wał rozrządu steruje otwieraniem i zamykaniem zaworów za pomocą krzywek.
Kształt krzywek oraz ich wzajemne kątowe ustawienie są dokładnie określone.
Wał rozrządu przenosi często napęd na inne mechanizmy tj. pompę oleju,
paliwa, rozdzielacz zapłonu, a w silnikach z zapłonem samoczynnym również
pompę wtryskową.
2. Rodzaje rozrządu .
W budowie silników spalinowych zastosowanie znalazły trzy rodzaje rozrządu:
tłokowy, suwakowy i zaworowy. Zaworowy dzielimy dolno- i górnozaworowy
Przeprowadzić można dalszy podział ze względu na napęd wału rozrządu tj.
przez przekładnie zębatą, wałek królewski, przekładnię łańcuchową, przekładnię
pasową z paskiem zębatym. Ostatnio przeprowadzane są testy nad silnikami, w
których sterowanie zaworami przeprowadzone jest na drodze elektrycznej
wspomagane hydrauliką (ciśnieniem oleju).
2.1 Rozrząd dolnozaworowy
Pierwsze czterosuwowe silniki ZI miały zawory umieszczone (tak jak ma to
miejsce dzisiaj)w głowicy, ponieważ takie rozwiązanie wydawało się wręcz
oczywiste. Jednak prace badawcze podejmowane dla ustalenia przyczyn
spalania stukowego wykazały, że prawdopodobieństwa jego wystąpienia wiąże
się nie tyko ze stopniem sprężania, lecz także z kształtem komory spalania i rozmieszczeniem w niej silnie rozgrzewającej się elementów tj. świece
zapłonowe i zawory wydechowe. Stwierdzono też, że dopuszczalny stopień
sprężania jest tym wyższy im lepiej chłodzona jest sprężona mieszanka.
Doprowadziło to do skonstruowania w 1912 roku komory spalania,
zwanej od nazwiska wynalazcy komorą Ricarda. Rozrząd realizowany był przez
zawory umieszczone w bloku cylindrowym, tuż obok cylindra i bezpośrednio
pod asymetrycznie usytuowaną czaszą komory spalania.
RYS NR 3.2000.27
Zalety tego typu rozrządu to:
- mniejsza wysokość silnika
- prosta konstrukcja (brak dźwigienek)
- większa niezawodność
- cichobieżność
Do wad należy:
- rozprężenie komory spalania ( stopień spalania około 5,5-6)
- duże opory przepływu ładunku i spalin
- skomplikowany układ kolektorów
- utrudniony dostęp do regulacji luzów zaworowych
W latach międzywojennych rozwiązanie to stało się dominującym w seryjnie
produkowanych silnikach samochodowych i motocyklowych. Obecnie silniki
dolnozaworowe stosowane są jedynie w małych kosiarkach ogrodniczych
piłach łańcuchowych i innego rodzaju narzędziach z napędem spalinowym.
2.2 Rozrząd bezzaworowy
Silnik skonstruowany przez Charlesa Knighta miał zamiast zaworów dwa
suwaki w kształcie koncentrycznych rur, szczelnie dopasowanych do siebie
nawzajem. Z wewnętrzną gładzią wewnętrznej rury współpracował tłok,
natomiast gładź zewnętrzna rury zewnętrznej przylegała do gładzi
cylindrowej.
Suwaki
poruszały
się
ruchem
posuwisto-zwrotnym,
wymuszanym przez mimośrody wału rozrządu, i odsłaniały przy tym bądź
przysłaniały okna wylotowe i wydechowe, usytuowane w ściankach cylindra
w pobliżu głowicy.
Okna rozrządowe mogły mieć przekroje znaczne większe niż gniazda
zaworowe, których średnice ograniczane są rozmiarami komory spalania.
Pozwalało to na bardzo szybką wymianę gazów i uzyskiwanie rekordowych
w tamtych czasach prędkości obrotowych. Brak typowych dla rozrządu
zaworowego części współpracujących udarowo zmniejszał bardzo wyraźnie
hałaśliwość pracy silnika.
Przyczyną zaniechania tej konstrukcji były kłopoty materiałowo-techniczne,
związane z koniecznością zachowania szczelności pasowania tłoka, suwaków
i cylindra w całym zakresie temperatur pracy silnika. Nie można było przy
tym stosować pasowań zbyt ciasnych, ponieważ przy ówczesnej jakości
olejów silnikowych groziło to zatarciem się współpracujących gładzi. Koszt
produkcji i napraw był też znacznie wyższy niż w przypadku silników
konwencjonalnych.
RYS. NR 3.2000.27
Rozrząd górnozaworowy polega na otwieraniu zaworów bądź to przez
system dźwigienek i popychaczy uruchamianych krzywkami na wale
rozrządu umieszczonym w bloku silnika z zazębionym z przełożeniem 1:2 z
wałem korbowym, bądź bezpośrednio przez wał rozrządu umieszczony w
głowicy i napędzany od wału korbowego zębatą przekładnią pasową lub
łańcuchową
W coraz częściej dziś stosowanej konstrukcjach o zwiększonej liczbie
zaworów obsługujących jeden cylinder stosuje się układ dwóch wałów
rozrządu umieszczonych w głowicy. Krzywki jednego otwierają zawory
wlotowe, drugiego –wydechowe.
Rozwiązanie, w którym czas otwarcia zaworu uzależniony jest od stałego
geometrycznego kształtu krzywki, nie pozawala na precyzyjną zmienną
regulację procesów spalania. Dlatego pojawiają się obecnie rozmaite
eksperymentalne, realizujące samoczynną zmianę czasu otwarcia zaworów
dla różnych zakresów pracy silnika przez:
- układy mechaniczne o zmiennej geometrii krzywych
- elektromagnetyczne otwieranie zaworów pod wpływem impulsów
sterujących z odpowiednio zaprogramowanego mikroprocesora.
RYS NR 7/8,1999. 19.22
2.3 Usytuowanie w silniku wału rozrządu i zaworów.
Nowoczesne silniki są z reguły górno zaworowe (z wiszącymi zaworami). Silnik
górnozaworowy, w którym wał rozrządu umieszczony w kadłubie silnika, a
zawory uruchamiane przez popychacze, drążki popychaczy i dźwigienki
zaworowe nazywamy silnikami ohv (over head valves w dosłownym
tłumaczeniu zawory nad głową).
Silniki, w którym wał rozrządu jest umieszczony pod skrzynią korbową, ale
mimo to zawory są uruchamiane popychaczami i krótkimi drążkami, nazywa się
silnikami hc (high camshaft – wysoki wał rozrządu).
Silniki z wałami rozrządu umieszczonymi nad lub między zaworami określa się
jako ohc (over head camshaft - wał rozrządu nad głową).
Silniki, w których są dwa wały rozrządu umieszczonymi w głowicy nazywamy
dohc (duo over head camshaft – dwa wały rozrządu nad głową).
Silniki, w których stojące zawory usytuowane z boku obok cylindrów nazywa
się je silnikami sv (side valves – boczne zawory).
Silniki górno – dolnozaworowe są to silniki, w których kanały ssące i zawory wlotowe są umieszczone w głowicy, a stojące zawory wydechowe z boku, obok
cylindrów. Było to rozwiązani dość popularne w latach 20 i 30 jako próba
łączenia konstrukcji górno – i dolnozaworowych. Potem raczej nie spotykane.
4. Wał rozrządu
Obecnie wały rozrządu wykonuje się przeważnie ze staliwa, czyli metodą
odlewania, a rzadziej ze stali w formie odkuwek matrycowych. Części narażone
na zużycie cierne, a więc czopy łożyskowe i krzywki, poddaje się utwardzającej
obróbce cieplno – chemicznej, a następnie szlifowaniu i polerowaniu.
Dolny wałek rozrządu łożyskowany jest ślizgowo w nie dzielonych panewkach
pokrytych stopem łożyskowym. Średnica panewek jest na tle wielka by podczas
montażu i demontażu wału krzywki mogły przechodzić przez otwory łożysk.
Dla ułatwienia prac montażowych stosuje się ponadto zasadę wykonywania
panewek o coraz mniejszych (im dalej od koła przekładniowego wału rozrządu)
średnicach wewnętrznych. Dzięki temu wał daje się wyjmować tylko w jedną
stronę jego uszczelnienie pierścieniem Simmera jest konieczne tylko przy kole
przekładniowym, a przeciwległe skrajne łożysko ślizgowe osadzane jest
zazwyczaj w otworze nie przelotowym lub zaślepianym od zewnątrz trwale
uszczelnianą pokrywą.
Wałek rozrządu osadzany jest również w głowicy. Wówczas napęd
przekazywany jest bezpośrednio lub poprzez dźwigienki na zawory.
Łożyskowany jest w dzielonych łożyskach ślizgowych, które znacznie
upraszczają konstrukcję i montaż wału. Do wad należy: brak przełożenia
pomiędzy skokiem zaworu a wzniosem krzywki a także bardzo duże siły boczne
działające na zawór które wymagają solidnego prowadzenia zaworu.
Krzywki
wałów
rozrządu
mają
w
poprzecznym
przekroju
kształt
krzywoliniowy. Zależnie od typu układu zaworowego stosuje się jeden z dwóch
podstawowych rodzajów przekroju krzywek.
Pierwszy nazywany jest harmonicznym. Jego obwód składa się z odcinków
okręgów, przez co stosowany jest w silnikach, w których krzywki współpracują
z płaskimi lub kulistymi denkami popychaczy, nadając im ruch prostoliniowy
posuwisto - zwrotny.
Drugi rodzaj przekroju krzywki ma obwód złożony z dwóch odcinków okręgów
o różnych średnicach i dwóch odcinkach prostych stycznych do obydwóch
wspomnianych okręgów, a stosowany jest do współpracy z wypukłymi
końcówkami dźwigienek zaworowych.
Zawory napędzane krzywkami harmonicznymi otwierają cię łagodnie. Drugi
rodzaj przekroju powoduje szybkie otwarcie o charakterze skokowym.
5. Przyczyny i skutki zużycia wałka rozrządu
Zużycie eksploatacyjne powstaje na skutek normalnej pracy silnika. Polega na
wycieraniu się współpracujących elementów par kinematycznych.
Do czynników decydujących o wielkości zużycia zaliczamy:
- rodzaj materiału wałka i panewek
- jakość powierzchni współpracujących elementów
- rodzaj obróbki cieplej czopa wału
- „szybkobieżność” silnika
- dobór pasowań par kinematycznych
- dobór oleju
- sposób eksploatacji
Zużycie awaryjne spowodowane jest:
- wadą materiałowo – wykonawczą wałka rozrządu lub panewek
- wadą montażowo – naprawczą
- odkształcenie lub pęknięcie wałka rozrządu
- niedostateczne smarowanie
Skutkiem zużycia wałka rozrządu i panewek są stuki spowodowane
nadmiernymi luzami oraz spadek mocy wynikający z niepełnego napełnienia
cylindra świeżym ładunkiem lub też nieopróżnienie cylindra ze spalin. Może
również dojść do sytuacji w której silnik w ogóle nie będzie pracował.
6. Przebieg laboratorium i wnioski
Pomiarom został poddany wałek rozrządu z silnika czterocylindrowego z
zapłonem iskrowym samochodu Polski Fiat 125p.
Do pomiarów używaliśmy następujących przyrządów pomiarowych:
- stanowisko kłowe do zamocowania wałka rozrządu
- mikrometr o zakresie pomiarowym od 25 do 50 mm
- czujnik zegarowy o zakresie pomiarowym do 10 mm
(średnicówki nie stosowaliśmy ponieważ nie dokonywaliśmy pomiaru średnic
panewek z powodu ich braku)
nazwa przyrządu
mikrometr
czujnik zegarowy
działka elementarna
0,01[mm]
0,01[mm]
zakres pomiaru
50 do 75[mm]
10[mm]
zakres podziałki
25[mm]
1[mm]
dokładność
kl. 1
kl. 1
W pierwszej kolejności sprawdzaliśmy powierzchnię czopów i krzywek oraz jakość koła zębatego ze szczególnym naciskiem na obecność rys, zatarć,
pęknięć, wykruszeń. W wyniku obserwacji stwierdziliśmy lekkie rysy bez
śladów zatarć, zęby koła zębatego nie były zużyte ani nadłamane. Krzywki
miały ślady długotrwałej eksploatacji, były bardzo zużyte co wykazały
późniejsze pomiary.
Następnie zamocowaliśmy wał w kłach. Oparliśmy końcówkę czujnika
zegarowego o środkowy czop wału i obracając wał ręką obserwowaliśmy
wychylenie czujnika. Wartość bicia nie przekraczała 0,01 mm co jest wielkością
mieszczącą się w granicy tolerancji.
Po czym, sprawdzaliśmy wysokość krzywek poprzez kolejne opieranie
końcówki czujnika na każdej krzywce, pokręcając wałem do maksymalnego
wzniosu i odczytywaliśmy wskazania czujnika. Nie biorąc pod uwagę wartości
bicia osiowego (jest zbyt małe), wartość zużycia krzywek wahała się od 0,6 do
0,4 mm. Należy wspomnieć, że w przypadku gdy wartość zużycia przekroczy
0,1mm wał należy wymienić lub poddać regeneracji poprzez napawanie i
przeszlifowanie na szlifierko-kopiarce.
Ostatnim etapem w pomiarze wału rozrządu jest zmierzenie wartości średnic
czopów./////////////////
7. Wyniki pomiarów (wartości w mm)
Prawidłowe wymiary czopów wałka rozrządu:
Nr
I
II
III
Wymiar
35,975
47,650
46,253
czopu
36,000
47,675
46,278
średnica
Nr. Stan ogólny
Panewka
czop
Luz
x-x
y-y
x-x
y-y
łożyska
I
dobry
35,95
35,95
II
dobry
47,63
47,74
III
dobry
46,23
46,22
Wznios krzywek
Prawidłowy wznios krzywek wynosi 6,35 mm
wznios krzywek
Nr.
Stan ogólny
zaworu ssącego
zaworu wydech.
I
zużyte
5,85
5,88
II
zużyte
5,95
5,87
III
zużyte
5,90
5,89
IV
zużyte
5,87
5,74
Bicie środkowego czopa wałka rozrządu: 0,01[mm]
Nie ustaliliśmy wartości luzu poosiowego wałka rozrządu ponieważ w bloku
silnika nie było panewek a w szczególności pierwszej licząc od koła zębatego,
która ustala wał poosiowo.
8. Wnioski
Celem ćwiczenia było zapoznanie studenta z metodami pomiaru, rodzajem
zużycia i budową wałka rozrządu.