Распредвал в устройстве двигателя внутреннего сгорания¶

Распредвал (распределительный вал) — элемент механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания, вал с кулачками, обеспечивающий своевременное открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов. Распредвал преобразует вращательное движение вала в возвратно-поступательное движение клапанов, задавая фазы газораспределения — моменты и продолжительность открытия клапанов относительно положения поршня. Изготавливается из высокопрочной стали или чугуна, работает в масляной ванне головки блока цилиндров.

¶Устройство и принцип работы

Распредвал представляет собой стержень цилиндрической формы с набором кулачков овального (эксцентрического) профиля. Каждый кулачок соответствует одному клапану. По мере вращения вала выступ кулачка нажимает на толкатель (гидрокомпенсатор, кулачок прямого действия на рычаг или коромысло), который передаёт усилие на клапан, открывая его. Возврат клапана в закрытое положение обеспечивают клапанные пружины.

Основные элементы распредвала:

• Шейки — цилиндрические опорные части, размещённые в постелях головки блока цилиндров и вращающиеся в подшипниках скольжения.
• Кулачки — выступы с профилем, определяющим высоту подъёма клапана и продолжительность его открытия.
• Приводная шестерня — зубчатое колесо на торце вала, через которое осуществляется связь с коленчатым валом.

Профиль кулачка состоит из основной окружности, подъёмной части, рабочего (верхнего) квадранта, спускной части и газораспределительной фазы. От формы профиля зависят динамика открытия клапана, скорость нарастания усилия и инерционные нагрузки.

¶Привод распредвала

Распредвал приводится во вращение от коленчатого вала. В четырёхтактном двигателе коленчатый вал совершает два оборота на один цикл, поэтому распредвал вращается вдвое медленнее — соотношение передаточного числа 2:1. Реализуется это с помощью зубчатой передачи (шестерни), цепи ГРМ или зубчатого ремня ГРМ.

• Шестерёнчатый привод — применяется преимущественно в дизельных и старых бензиновых двигателях; отличается высокой долговечностью, но создаёт шум.
• Цепной привод — цепь ГРМ работает в масляной ванне, ресурс выше, чем у ремня, однако конструкция тяжелее и сложнее.
• Ременной привод — зубчатый ремень бесшумен и не требует смазки, но подлежит регулярной замене; при обрыве ремня возможен контакт клапанов с поршнем (в двигателях с небольшим клапанным зазором).

¶Типы распредвалов по конструкции двигателя

В зависимости от компоновки газораспределительного механизма применяются различные схемы:

Схема DOHC позволяет разместить клапаны под оптимальным углом, улучшить наполнение цилиндров и реализовать более высокие обороты. Именно она преобладает в современных бензиновых двигателях.

¶Фазы газораспределения

Распредвал задаёт фазы газораспределения — угловые параметры работы клапанов:

• Момент открытия и закрытия клапанов относительно положения поршня в верхней и нижней мёртвых точках.
• Угол опережения открытия впускного клапана — клапан открывается до прихода поршня в ВМТ, что улучшает наполнение цилиндра.
• Угол запаздывания закрытия впускного клапана — закрытие происходит после НМТ, используя инерцию потока.
• Угол опережения открытия выпускного клапана — открывается до НМТ для более полного удаления отработавших газов.
• Перекрытие клапанов — период, когда впускной и выпускной клапаны открыты одновременно.

Стандартные фазы фиксированы профилем кулачков. Для расширения диапазона эффективной работы двигателя применяют системы изменения фаз газораспределения (VVT), изменяющие угловое положение распредвала относительно приводного вала посредством гидравлических фазорегуляторов.

¶Материалы и ресурс

Распредвалы изготавливают из легированных сталей с цементацией или азотированием рабочих поверхностей, реже — из высокопрочного чугуна с отбелом. Твёрдость рабочих поверхностей кулачков доводят до 50–60 HRC. Ресурс распредвала при нормальной работе системы смазки обычно составляет 200–300 тысяч километров и более.

Основные причины износа: недостаток масла, применение масла с неподходящими присадками, дефекты гидрокомпенсаторов, чрезмерное усилие пружин клапанов при форсировке.

¶Неисправности

Типичные признаки неисправности распредвала: стук на холодном или горячем двигателе, неустойчивая работа, повышенный расход топлива, падение мощности, чёрный или сизый выхлоп. К дефектам относятся износ опорных шейок, выработка и задир кулачков, повреждение приводной шестерни, деформация вала при перегреве.

Диагностика включает визуальный осмотр, замер диаметров шейок микрометром, проверку биения индикатором, оценку состояния постелей. При незначительной выработке шейки могут быть отшлифованы под ремонтный размер с заменой подшипников.

¶Применение

Распредвалы применяются во всех четырёхтактных двигателях внутреннего сгорания — автомобильных, тракторных, судовых, авиационных, стационарных. В России производством распредвалов для автомобильной промышленности занимаются предприятия в Тольятти, Ярославле, Владимире и других промышленных центрах; значительная часть запасных частей импортируется.

Источники:

• Кислинский А. Н. «Конструкция автомобильных двигателей»
• Воскресенский С. М. «Конструкция и расчёт автомобильных двигателей»
• Ханьев С. Н. «Устройство автомобильных двигателей»
• Руководства по эксплуатации двигателей ВАЗ, ГАЗ, КАМАЗ