KONSTRUKCJA ROZRZĄDU

Podczas pracy silnika poszczególne elementy rozrządu podlegają okresowo zmiennym obciążeniom mechanicznym. Na zawory i ich gniazda działają ponadto znaczne obciążenia cieplne.

Intensywne opływanie grzybków zaworów wylotowych decyduje o ich największym obciążeniu cieplnym. Ponadto utrzymują się w nich niekorzystne rozkłady temperatur - sięgających do 1000 K, a nawet wyższych w okresach chwilowego przegrzania silnika. Uchodzące z cylindrów gorące i aktywne chemicznie spaliny mogą powodować erozję i korozję zaworów i ich gniazd.

Wysokie obciążenia cieplne łącznie z dużymi obciążeniami mechanicznymi mogą powodować trwałe odkształcenia zaworów wylotowych, a nawet pęknięcia lub wykruszenia ich grzybków. Dlatego szczególnie ważne jest prawidłowe przyle­ganie w okresach zamknięcia zaworu wylotowego jego grzybka do gniazda, de­cydujące o intensywności przewodzenia nadmiaru ciepła, a więc i o roz­kładzie temperatur w grzybku. Jeżeli obciążenia cieplne grzybków zaworów wylotowych są bardzo duże, to stosuje się zawory o chłodzeniu wewnętrznym.

Zawory dolotowe podlegają znacznie mniejszym obciążeniom cieplnym niż zawory wylotowe i są dość intensywnie chłodzone świeżą mieszanką lub po­wietrzem w okresach napełnienia cylindrów. Na ogół w silnikach lotniczych temperatury grzybków zaworów dolotowych nie przewyższają 700÷750 K. Elementy napędu zaworów oraz inne części mechanizmu rozrządu podlegają w zasadzie tylko zmiennym obciążeniom mechanicznym, przeważnie o charak­terze udarowym.

Na rysunkach 1 oraz 2 przedstawiono konstrukcję rozrządu 7-cylindrowego silnika gniazdowego WN-3. Zawory rozrządu są otwierane przez krzywki tarcz rozrządu 3 za pośrednictwem popychaczy 5, drążków popychaczy 6 i dźwigni zaworów. Zamykanie zaworów wymuszają ich sprężyny 4 (patrz rys.2).

Tarcza krzywkowa, ułożyskowana ślizgowo na czopie wału korbowego, jest napędzana przez niego za pośrednictwem dwustopniowej przekładni zębatej 1 oraz 2 o centralnym kole pędnym, połączonym z wałem korbowym za pomocą wpustu. Zespół pośrednich kół przekładni 2 jest ułożyskowany ślizgowo na czopie osadzonym w kadłubie silnika.

Drążony czop kół pośrednich umożliwia dopływanie oleju smarującego łożyska i uzębienie kół przekładni. Tarcze krzywkowe rozrządu, wykonane ze stali chromowo-niklowej, są wtłoczone na piastę odkutą z duralu. Krzywki tarczy czołowej są wykorzystywane do sterowania zaworów dolotowych. Przełożenie napędu rozrządu wynosi 1:8

Tarcze rozrządu, każda o 4 krzywkach, są obracane współbieżnie z wałem korbowym. Popychacz (suwak) 5 jest tuleją ze stali chromowo-niklowej, mającą stopkę przystosowaną do ustawienia rolki współpracującej tocznie z bieżniami krzywek tarczy oraz wymienną końcówkę oporową — tzw. zderzak popychacza. Drążki popychaczy, wykonane z ciągnionych (bez szwu) rurek ze stali chromowo-manganowo-krzemowej, mają końcówki dostosowane do współpracy z popychaczami i dźwigniami zaworów 2. Osłony drążków popychaczy stanowiące odcinki rurek duralowych, są uszczelnione przy użyciu kształtek gumowych i ściągaczy.

Dźwignie zaworów dolotowych i wylotowych (rys.2) odkute ze stali chromo­wo-niklowej, są ułożyskowane tocznie w komorach rozrządowych głowicy cy­lindra. Wkręty w ramionach dźwigni od strony popychaczy umożliwiają regulowanie luzu zaworów. Rzeczywisty luz zaworu powinno się mierzyć między trzonem zaworu a rolką dźwigni 3, w okresie zamknięcia zaworu.

Zawory wylotowe oraz zawory dolotowe są wykonane z żaroodpornej stali chromowo-molibdenowej. Przylgnie uszczelniające grzybków zaworów są sfazowane pod kątem 45°. Średnica trzona zaworu wylotowego jest większa o 2,5 mm niż średnica trzona zaworu dolotowego, co zapewnia zwiększone pola przekrojów przewodzenia ciepła i ułatwia jego odbieranie od zaworu poprzez prowadnicę do głowicy cylindra. Powierzchnie czołowe grzybków oraz powierzchnie trzonów zaworów są hartowane powierzchniowo. Elemen­tami zamka zaworu są: podtoczenie jego trzona, wstawiane w nie dwa półstożki i obejmujący je talerzyk zestawu dwóch współosiowych sprężyn zaworu. Środkowanie obu sprężyn względem osi zaworu zapewniają ich talerzyki - górny i dolny.

Podobnie skonstruowane były mechanizm rozrządu silnika Lit-3 (AI-26W) śmigłowca SM-1, oraz mechanizmy rozrządu 9-cylindrowych silników AI-14R (190 kW) oraz ASz-62IR (740 kW).

Mechanizm rozrządu silnika gwiazdowego dużej mocy (ASz-82) przedstawiono na rysunku 3. Krzywki 4 dwuczłonowej tarczy rozrządu napędzają zawory za pośrednictwem popychaczy 8, drążków popychaczy 9 i dźwigni zaworów 10. Stalowa tarcza krzywkowa 4 jest osadzona na tarczy ze stopu lekkiego (w celu zmniejszenia masy), ułożyskowanej ślizgowo.

Tarcza rozrządu ma dwa zestawy krzywek, każdy po cztery krzywki. Przedni zestaw krzywek napędza zawory dolotowe wszystkich cylindrów pierwszej gwiazdy, a tylny zestaw krzywek - ich zawory wylotowe (patrz rys. 3). Powierzchnie robocze krzywek i rolek popychaczy są utwardzone przez cemen­towanie. Stalowa tarcza krzywkowa ma wewnętrzny wieniec zębaty, spełniający zadania napędzanego koła zębatego przekładni przekazującej napęd od wału korbowego z przełożeniem 1:8. Pośrednie koła zębate są ułożyskowane na nieruchomym wsporniku 5 przymocowanym do kadłuba silnika. Tarcza roz­rządowa jest obracana przeciwbieżnie z wałem korbowym. Prowadnice stalowych popychaczy drążonych są wykonane z brązu. Rolki po­pychaczy współpracują tocznie z bieżniami krzywek. Przekręcenie się popy­chaczy w prowadnicach uniemożliwiają wycięcia utrzymujące rolki w płaszczyź­nie obrotu tarczy rozrządu.

Popychacz ma gniazdo z oporową powierzchnią sferyczną, współpracującą z końcówką drążka popychacza 9. Umieszczona w popychaczu sprężyna o nie­wielkiej sztywności kompensuje luz zaworu i tym samym zmniejsza udarowe obciążenia mechanizmu rozrządu.

Drążki popychaczy, wykonane z rurek stalowych, mają wciśnięte końcówki przystosowane do współpracy z gniazdami popychaczy oraz z dźwigniami za­worów. Osłony rurkowe chronią drążki popychaczy przed zanieczyszczeniami i uszkodzeniami mechanicznymi.

Dwuramienne dźwignie zaworów 10 są ułożyskowane tocznie na czopach wspornikowych głowicy (przekrój A-A). Od strony zaworów dźwignie mają rolki współpracujące z talerzykami sprężyn zaworowych. Każda dźwignia zaworu ma wkręt 11 z gniazdem współpracującym z końcówką drążka popychacza. Wkręt ten, umożliwiający regulowanie luzu zaworowego, jest zaciskany śrubą ściągającą rozwidloną końcówkę ramienia dźwigni. Zależnie od wersji silnika stosowane były zespoły dwóch lub trzech sprężyn zaworowych, różniące się charakterystykami.

Jedną ze wspólnych cech przedstawionych mechanizmów rozrządu silników gwiazdowych jest stosowanie dźwigni za­worów. Rozwiązanie takie stosowane jest także w wielu silnikach rzędowych. Przekazywanie nacisku krzywki na zawór za pośrednictwem dźwigni eliminuje zginanie jego trzona.

Obecnie są produkowane głównie lotnicze silniki tłokowe małej i średniej mocy, z zasady chłodzone powietrzem. Typowym reprezentantem takich zespołów pędnych jest produkowany wg licencji silnik przeciwsobny PZL-Franklin, w wersjach o mocy od 45 do 190 kW. Mechanizm rozrządu tego silnika jest konwencjonalny - centralny wał rozrządu steruje zawory za pośrednictwem popychaczy, drążków popychaczy i dźwigni zaworów. Interesującym szczegó­łem konstrukcyjnym jest stosowanie lekkich i sztywnych sprężyn zaworów, wykonanych z drutu o przekroju prostokątnym.

Na rysunku przedstawiono mechanizm rozrządu silnika CONTINENTAL Tiara (USA), zaliczanego do tej samej klasy, do której należą 6-cylindrowe wersje silnika PZL-Franklin. Swoistością mechanizmu rozrządu silnika CONTINENTAL Tiara są wytłoczone ze stalowej blachy dźwignie

zaworów, nie mające konwencjonalnych łożysk. Kołyszące ruchy skrętne umożliwiają takim dźwigniom odpowiednio ukształtowane oporowe powierzchnie walcowe. Tego rodzaju dźwignie zaworów, stosowane również w mechanizmach rozrządu silników samochodowych, m.in. ze względu na lekkość i prostotę technologii produkcji.

Zastosowanie górnego wału rozrządu, którego krzywki współ­pracują bezpośrednio ze stopkami trzonów zaworów lub talerzykami ich sprężyn ogranicza wprawdzie do minimum liczbę elementów mechanizmu rozrządu, lecz stwarza istotne problemy konstrukcyjne i technologiczne. Górne wały rozrządu są najczęściej stosowane w silnikach dużej mocy, chłodzonych cieczą.

KONSTRUKCJA ELEMENTÓW ROZRZĄDU

Elementy rozrządu odznaczają się różnymi specyficznymi szczegółami kon­strukcji, wpływającymi na niezawodność eksploatacyjną i trwałość silników. Istotne znaczenie mają więc niektóre zasady projektowania elementów roz­rządu i obliczania ich wytrzymałości.

Tarcze krzywkowe i wały rozrządu są elementami konstrukcyjnie stosunkowo prostymi, stanowiącymi zespoły krzywek o zarysach ukształtowanych możliwie optymalnie z uwagi na wymaganą kinematykę zaworów. Szerokości krzywek rozrządu dobiera się tak, aby ich bieżnie nie podlegały naciskom większym niż dopuszczalne.

Od wału rozrządu wymaga się możliwie dużej sztywności i małej podatności na drgania skrętne. Sprężyste odkształcenia wału rozrządu, zwłaszcza skrętne, zmieniają bowiem istotnie kąty faz rozrządu silnika. Jeżeli sztywność wału rozrządu jest zbyt mała, niekiedy (np. w silnikach JUMO 213) na końcach wału osadza się koła zamachowe, które dzięki swej względ­nie dużej bezwładności skutecznie ograniczają jego drgania skrętne i am­plitudy kątów skręcenia.

Przykłady konstrukcji popychaczy i drążków popychaczy, stosowanych w me­chanizmach o dolnych wałach (tarczach) rozrządu pokazano na kolejnym rysunku. Popychacz współpracujący z krzywką ślizgowo lub tocznie jest przemieszczany posuwisto-zwrotnie w prowadnicy, a jego ruchy naśladuje skojarzona z nim przegubowo końcówka drążka popychacza. Połączenia przegubowe popychaczy mają przeloty umożliwiające przepływanie oleju tłoczonego do łożysk dźwigni zaworów.

Na ogół z bieżniami krzywek tarcz rozrządu współpracują rolki lub cylin­dryczne stopki spełniające zadania popychaczy. Decyduje o tym okoliczność, że w praktyce nie jest możliwe zadowalające ukształtowanie zarysu krzy­wek tarczy rozrządu współpracujących z płaskimi ślizgami zapewniającymi wymagane parametry sterowania zaworów rozrządu. Stanowi to zasadniczą różnicę w porównaniu z krzywką wału rozrządu, której zarys zadowalająco współpracujący z płaskim ślizgiem może być kształtowany z dużą swobodą, głównie dzięki małej średnicy koła podstawowego takiej krzywki.

Obciążenia udarowe elementów napędu zaworów wydatnie ogranicza się przez stosowanie popychaczy z urządzeniami kompensacyjnymi, mechanicz­nymi lub hydraulicznymi. Tego rodzaju popychacze samoczynnie eliminują całkowicie luzy zaworów, praktycznie bez powodowania jakichkolwiek nie­prawidłowości zamknięcia zaworów. Popychacz taki w okresach zamknięcia zaworu oddziałuje jako rozpieracz, który dzięki napięciu sprężyny lub napo­rowi oleju pod ciśnieniem utrzymuje niewielkie naciski między elementami napędu zaworu, zapobiegające powstawaniu jakichkolwiek luzów między nimi.

Popychacze i drążki popychaczy współpracują ślizgowo za pośrednictwem utwardzonych powierzchniowo przylgni ukształtowanych jako przestrzenne przeguby kulowe. Typowe drążki popychaczy są zaopatrzonymi w odpowiednie końcówki odcinkami rurek bez szwu, przeważnie ze stali stopowych.

Dźwignie zaworów, odkute lub rzadziej wytłoczone z blachy bądź niekie­dy odlane, na ogół mają ramiona o przekrojach dwuteowych lub innych, zapewniających możliwie dużą sztywność dźwigni w płaszczyznach ich obrotu. Wkręt do regulacji luzu zaworu jest przeważnie usytuowany w końcówce ramie­nia dźwigni współpracującego z drążkiem popychacza (typowe rozwiązanie w silnikach gwiazdowych) lub w ramieniu wymuszającym otwieranie zaworu, jeżeli nie napotyka to istotnych trudności konstrukcyjnych.

Różnice wykonania zaworów dolotowych i zaworów wylotowych wynikają głównie z ich odmiennych obciążeń cieplnych. Dla przykładu - na rysunku przedstawiono zawory rozrządu silnika ASz-82.

Zawór wylotowy, drążony odznacza się stosunkowo grubym trzonem oraz wypukłym czołem grzybka ułatwiającym uchodzenie spalin z cylindra. Wydrążony i trwale zaślepiony trzon zaworu wylotowego jest częścio­wo wypełniony substancją, która pośredniczy w odprowadzaniu nadmia­ru ciepła odbieranego w sąsiedztwie grzybka do prowadnicy zaworowej.

Jako substancje chłodzące zawory rozrządu stosuje się sód lub potas bądź ich związki — np. azotan sodu (NaNOa), azotan potasu (KNOg) itp. albo inne wypełniacze o malej gęstości i niskiej temperaturze topnienia, wysokiej tempe­raturze wrzenia i zadowalająco dużym współczynniku przewodzenia ciepła.

Wydrążenie trzona zaworu wylotowego jest najczęściej zaślepione korkiem i zgrzaną z trzonem zaworu nakładką ze stali narzędziowej lub stellitu, speł­niającą zadania jego stopki odpornej na zużycie.

Zawór dolotowy jest zwykle spęczonym jednostronnie odcinkiem pręta. Krzywizna tworzącej grzybka zaworu dolotowego jest na ogół zmniejszona do minimum - w celu ograniczenia oporów przepływu mieszanki lub powietrza podczas napełnienia cylindra.

Utrzymywaniu szczelności zaworu w okresach jego zamknięcia sprzyja fazo­wanie przylgni grzybków zaworów pod kątem o 0,5÷1° mniejszym niż przylgni gniazd zaworów. Taka nierównoległość współpracujących przylgni uszczel­niających zapewnia początkowo zwiększone naciski jednostkowe między nimi i ułatwia ich wzajemne dopasowywanie się podczas nagrzania silnika.

Szczególnie duże obciążenia cieplne lub niezbyt korzystne warunki chłodzenia stwarzają często konieczność zapewniania wymaganej trwałości zaworów rozrządu przez pokrywanie obrzeży ich grzybków i gniazd powłokami ze stopów o wybitnej odporności na przegrzanie oraz zużycie mechaniczne erozyjne i ko­rozyjne. Najczęściej stosuje się w tym celu pokrywanie obrzeży grzybków i gniazd zaworów stellitem (zawierającym 65% kobaltu, 27% chromu i 2% wolf­ramu) lub innym stopem o podobnej żaroodporności. Ochronne powłoki stellitu utrudniają wymianę ciepła i powinny być możliwie cienkie (o gru­bości w zakresie l÷2 mm).

Istotne znaczenie ma obróbka wykończająca zaworu rozrządu, a szczególnie jego trzona. Czołowa powierzchnia końcówki, tzw. stopka trzona zaworu, jest z zasady utwardzona powierzchniowo w celu zwiększenia jej odporności na zużycie powodowane współpracą, np. z dźwignią zaworu. Często stosuje się zawory o trzonach utwardzonych powierzchniowo, np. przez azotowanie lub chromowanie.

Przeważnie zadania zamka zaworu rozrządu spełnia talerzyk oporowy sprężyn zaworu, klinowany względem trzona zaworu przez dwa półpierścienie o stoż­kowych powierzchniach oporowych. Zakładanie lub wyjmo­wanie takich czy innego rodzaju elementów klinujących zamka zaworu jest możliwe tylko po spowodowaniu dużego napięcia sprężyn zaworu, znacznie większego niż ich napięcie wstępne (utrzymywane przez zamek zaworu). Zamek zaworu współpracującego bezpośrednio z krzywką rozrządu ma od­powiednie elementy stanowiące złącze gwintowe umożliwiające regulowanie luzu zaworu.

Stellity - są to stopy kobaltu (0÷10%), chromu (25÷33%) i wolframu (10÷25%), zawierające ponadto węgiel (2÷7%) oraz często żelazo (0÷10%) i molibden, charakteryzujące się dużą twardością (HRC≈62), nawet w temperaturach dochodzących do 900°C. Nie wymagają obróbki cieplej. Żądane kształty uzyskuje się przez odlewanie. Stosuje się je wówczas gdy wymagana jest duża odporność na ścieranie, zwłaszcza w wysokich temperaturach (gniazda i trzonki zaworów, dysze piaskarek, matryce itp.). Warstwę stellitu można napawać przy pomocy palnika. Kruchość stellitów wyklucza ich zastosowanie na narzędzia skrawające.

7

Rys. 3 Elementy mechanizmu rozrządu silnika Asz-82

1-koło pędne tarczy rozrządowej,

2- koło pośrednie,

3-podwójne koło zębate,

4-wieniec krzywkowy,

5-jarzmo kół pośrednich,

6-piasta ze stopu lekkiego,

7-panewka,

8-popychacz,

9-drążek popychacza,

10-dxźwignia zaworu,

11-wkręt regulacyjny

Rys.2 Rozrząd zaworowy silnika WN-3

1-zderzak drążka popychacza, 2-końcówka do regulacji luzu zaworu, 3-rolka dźwigni zaworu, 4-zespół sprężyn zaworu,

5-prowadnica zaworu, 6-zawór dolotowy, 7-gniazdo zaworu dolotowego.

Rys.1 Przekładnia napędu rozrządu silnika WN-3

1-pędne koło zębate, 2-zespół kół pośrednich, 3-tarcze rozrządowe z kołem zębatym, 4-prowadnice popychacza, 5-popychacz z rolką, 6-drążek popychacza, 7-osłona drążka

Szczegóły wykonania zaworów rozrządu silnika gwiazdowego ASz-82

1 — zawór wylotowy, 2 — zawór dolotowy, 3 — nakładka oporowa, 4 — wkręt zaślepiający, 5 - zamek dwupołówkowy,

6 - gniazdo sprężyn zaworowi 7 - trzon zaworu, 8 - warstwa stellitu

Typowe wykonania popychaczy i ich drążków

1 - popychacz współpracujący ślizgowo z krzywka (.2), 3— popychacz z wyrównywaczem luzu zaworu współpracujący tocznie z krzywką, 4 - rolka popychacz, 5 - końcówka drążka popychacza.

Elementy rozrządu 6-cylindrowego silnika przeciwsobnego CONTINENTAL Tiara

1 - głowica cylindra, 2 - drążki popychaczy, 3 - osłona drążka popychacza, 4 - dźwignie zaworów, 5 - śruby przegubów mocujących dźwignie, 6 - zawór

---