Оценка работоспособности газового стыка

Герметичность газового стыка в основном зависит от действующих в нем сил:

Р_ш – силы предварительной затяжки шпилек или болтов;

Р_г – газовых сил;

Р_т – термических сил, возникающих при нагреве из-за разницы коэффициентов линейного расширения стягиваемых деталей: блока цилиндров или цилиндра, уплотняющей прокладки, головки и шпильки или болта.

Газовая сила Р_г сжимает головку, прокладку, цилиндр или блок цилиндров и растягивает шпильку дополнительно к силе Р_ш, возникшей при сборке газового стыка от затяжки шпилек (болтов). При нагреве шпильки усилие затяжки стыка ослабевает, а при нагреве головки, блока цилиндров (цилиндра) и прокладки увеличивается (рис. 14.4).

Максимальная сила давления газов берется из теплового расчета. Усилие, растягивающее шпильку, равно

, (14.1)

где i – число шпилек, приходящихся на один цилиндр; – диаметр поршня; Р_зат – усилие затяжки шпилек (болтов) при сборке; ; Dl – вытяжка шпильки.

Максимальная сила, сжимающая головку, равна

. (14.2)

Минимальная сила, сжимающая прокладку и блок цилиндров, равна , а максимальная .

В соответствии с законом Гука, каждая из сил вызывает в стягиваемых деталях упругие деформации:

в шпильке

, (14.3)

где – упругая деформация шпильки; – модуль упругости шпильки; – минимальная площадь сечения шпильки; – деформируемая длина шпильки; – сила, растягивающая шпильку.

Аналогично: деформация головки равна

, (14.4)

деформация прокладки равна

, (14.5)

деформация блока цилиндров

. (14.6)

Тогда взаимодействие деформаций всех деталей газового стыка можно записать , где – упругая деформация растяжения одной шпильки; и – упругие деформации головки и блока цилиндров соответственно; – упругие деформации прокладки.

При нагреве деталей газового стыка возникают тепловые деформации:

– тепловая деформация шпильки;

– тепловая деформация головки;

– тепловая деформация прокладки;

– тепловая деформация блока цилиндров.

Примечание. Знак у Dt берется +при нагреве и – при охлаждении.

Условие совместности деформаций газового стыка при нагреве принимает вид

,

Пусть . (14.8)

Тогда .

Из (14.3) , разделив на , получим

. (14.9)

Порядок расчета:

1. Определяют напряжения в резьбовой части шпильки по ее минимальному диаметру для максимального нагружения шпильки по параметрам цикла.

2. Увеличивают диаметр шпильки, умножая на коэффициент концентрации напряжений , который для шпилек из легированных сталей равен 4…5,5.

3. Дополнительно увеличивают диаметр на коэффициент запаса =1,3…2, но при этом обеспечивают вытяжку шпильки (ее относитель-ную деформацию) c.

(до 0,15) для коротких (жестких) шпилек, последние, как правило, используются для деталей из алюминиевого сплава. Dl – фактическое упругое удлинение шпильки после затяжки гаек. Dl должно превышать в 2…2,5 раза , не вызывая остаточных деформаций во всех деталях газового стыка.

Возникающие дефекты разгерметизации стыка связаны с неправильной затяжкой шпилек из-за трения в резьбе и по торцу гайки. Поэтому необходимо контролировать удлинение шпильки после затяжки по ее торцу.

Важно, чтобы упругая деформация шпильки или болта была больше деформаций сжатия всего набора газового стыка при охлаждении деталей и не вызывала пластических деформаций при нагреве.

Лекция 15. Механизм газораспределения (МГР)

Механизм газораспределения современного двигателя не только обеспечивает поступление необходимой массы свежего воздуха в цилиндры, но и участвует в оптимизации наполнения воздухом на нескольких режимах или во всем рабочем диапазоне частот вращения. Эти функции МГР приобретает с помощью устройства управления фазами газораспределения и регулирования высотой подъема клапанов.

Механизм газораспределения состоит из клапанов, пружин клапанов с опорными тарелками и сухариками, рычагов или коромыслов, кулачковых или распределительных валиков, цепных или зубчатых приводов вращения кулачковых валиков, а также механизмов управления фазами газораспределения и высотой подъема клапанов.

Конструкции современных МГР различаются:

1. Количеством клапанов на один цилиндр.

2. Системой размещения клапанов в головке цилиндра.

3. Способом привода клапанов.

4. Количеством и расположением распределительных валов.

5. Конструкцией привода распределительных валов.

6. Способом и конструкцией устройств изменения фаз газораспределения и подъема клапанов.

При выборе размещения клапанов учитывают:

1. Исключение зон головки цилиндров, где контрастные температуры.

2. Упрощение технологии изготовления головки цилиндров за счет объединения каналов одноименного газоснабжения.

Наиболее применяемые 2-, 3-, 4-, 5- клапанные механизмы представлены на рис. 15.1, где показано их расположение в головке цилиндра.

Рассмотрим привод клапанов. Основное требование к конструкции – минимальная масса движущихся частей при максимальной жесткости. Верхние распределительные валы: один (рис. 15.2) или два (рис. 15.3) размещаются на головке блока цилиндров.

Привод клапанов при расположении клапанов в один ряд выполняется или через коромысло 1 (рис. 15,2, а) или непосредственно от кулачка через стакан 2. При двух или трех клапанах, расположенных в двух рядах: при одном распределительном вале (рис. 15.2 в, г) – через коромысла, а при двух распределительных валах (рис. 15.3) либо от кулачков, через направляющие стаканы (б), либо с помощью рычагов (а), при пяти – от кулачков (г). На рис. 15.4 приведен привод с нижним или средним расположением распределительного вала. Он содержит коромысло 1, штангу 2, толкатель 3 и кулачок.

Такая конструкция имеет большую массу при малой жесткости, поэтому применяется ограниченно и при частотах вращения менее 4000 мин^-1. При этом нижний распределительный вал размещается либо в картере, либо в развале блока цилиндров V-образного двигателя. Нижний распределительный вал приводится во вращение косозубыми шестернями или цепной передачей.

В случае использования в МГР специальных систем управления применяют индивидуальный привод.

Клапаны (рис. 15.6) изготавливают из сталей 38ХС, 40ХН, 40Х9С2, 40ХН2МА.

Средняя температура впускных клапанов 300…400 °С, а вы-пускных в ДсИЗ дости-гает 800…850 °С (в дизелях 500...600 °С). Поэтому выпускные клапаны изготавливают из жаропрочных сплавов 30Х13Н7С2, 45Х14Н14В2М, 45Х22Н4М3 и др. Для повышения долговечности и износостойкости на рабочую поверхность головки клапана и торец стержня наносят стеллит или В3К, Х20Н80 (нихром). Для снижения стоимости клапана из жаростойкого сплава выполняют только головку, а стержень из стали 40ХН с последующей сваркой встык. В зависимости от формы головки бывают плоские (рис. 15.6 а, г), выпуклые (рис. 15.6, б) и тюльпанообразные (рис. 15.6, в). Плоские наиболее просты в изготовлении, поэтому чаще применяются.

Выпуклая головка характерна для выпускных клапанов, т.к. улучшается обтекание при выхлопе, но повышается масса и тепловосприимчивость.

С вогнутой, или тюльпанообразной формой, головки применяются на впускных клапанах для снижения гидравлических потерь при впуске заряда. Масса клапана снижается, но увеличиваются трудоемкость изготовления и теплонапряженность. Переход от стержня к головке выполняется большим радиусом для снижения гидравлических потерь и повышения жесткости головки. Угол фаски a_ф для выпускных клапанов 45°, а для выпускных – 30 и 45°. 30° обеспечивают большую площадь проходного сечения, но при этом увеличивается уровень гидравлических потерь и термическая напряженность кромки тарелки клапана. У клапана угол фаски a_ф выполняется на 0,5...1° меньше угла фаски седла, это гарантирует быструю приработку клапана к седлу и прилегание по наружной кромке фаски. Диаметр стержня d зависит от теплоотвода головки. Поэтому стержень выпускного клапана имеет больший диаметр. На конце в верхней части стержня имеется выточка под сухарики для фиксации тарелки пружин клапана. Обычно высота ее равна диаметру стержня клапана. Для улучшения теплоотвода клапан делают пустотелым и на 50...60 % заполняют солями натрия, температура плавления которых 97 °С.

Конструктивные размеры клапанного механизма определяются как часть d_r – диаметра горловины впуска (рис. 15.7).

1. Для впускного клапана

d_В ≈ d_r; d_Н =(1,12...1,16)d_r; d=(0,16...0,25)d_r.

2. Для выпускного клапана

d_В=(0,76...0,9)d_r; d_Н=(0,79...0,92)d_r; l=(2,5…3,5)d_r; a=(0,08…0,12)d_r; b = (0,05…0,12)d_r; r_C = (0,25…0,35)d_r. – для плоских и выпуклых головок. r_C = 0,54 d_r – для тюльпанообразных головок.

Седла клапанов (см. рис. 15.7) изготавливаются из жаростойкой стали или из легированного чугуна, толщина d_С=(0,08...0,15)d_r, а высота (0,18...0,25)d_r. Седла запрессовываются с небольшим натягом (0,0015...0,0035)(d_r + 2d_С), либо зачеканкой (рис. 15.7 б, г), либо с помощью канавок на наружной боковой поверхности (рис. 15.7 в, д), либо развальцовкой верхней части седла. Конус под клапан делается от 25 до 45°. Для облегчения приработки к фаске клапана фаска в кольце выполняется с тремя углами 15, 45 и 75°. Направляющая втулка изготавливается из чугуна или алюминиевой бронзы (см. рис. 15.6). Толщина втулки 2,5...4 мм, а длина (1,75...2,5) d_r. Обычно направляющие втулки изготавливаются из хромистой или хромоникелевой керамики, с последующим сульфидированием и графитизацией путем «проваривания» в масле, содержащем раствор голоидного графита. Пористая структура втулок позволяет удерживать смазку. Наружная поверхность может иметь заплечики или выточку под пружинное стопорное кольцо 1 (см. рис. 15.6, а). Величина зазора между втулкой и стержнем D=(0,004...0,01)d для впускных клапанов и D=(0,006...0,012)d – для выпускных.

При сборке клапан вставляется в направляющую втулку и прижимается к седлу пружиной или набором пружин через тарелку и сухарики, входящие в выточку стержня клапана. Обычно выточка цилиндрическая с галтелями (см. рис. 15.6, а), применяются и более сложные выточки с одним или двумя поясами. Сухарики прижимаются к выточке стержня клапана коническими поверхностями 10...15° тарелки. Высота сухариков примерно равна d диаметру стержня (рис. 16.1).

Для увеличения долговечности и надежности работы фасок седла и клапана головка клапана должна проворачиваться, изменяя свое положение относительно седла. Это предусмотрено в конструкции, где введена дополнительная коническая втулка 4, зажимающая сухарики. Она при вибрациях может свободно поворачиваться.