LABOLATORIUM Z BADANIA POJAZDÓW SAMOCHODOWYCH TEMAT: BADANIE ZUśYCIA WAŁKA ROZRZĄDU SILNIKA WYKONAŁ: XXXXXXXXXXXXX GDAŃSK 2003
1.Wstęp: 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 równieŝ pompę wtryskową. 2. Rodzaje rozrządu. W budowie silników spalinowych zastosowanie znalazły trzy rodzaje rozrządu: tłokowy, suwakowy i zaworowy. Zaworowy dzielimy dolno- i górnozaworowy Przeprowadzić moŝna 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, poniewaŝ takie rozwiązanie wydawało się wręcz oczywiste. Jednak prace badawcze podejmowane dla ustalenia przyczyn spalania stukowego wykazały, Ŝe prawdopodobieństwa jego wystąpienia wiąŝe się nie tyko ze stopniem spręŝania, lecz takŝe z kształtem komory spalania i rozmieszczeniem w niej silnie rozgrzewającej się elementów tj. świece zapłonowe i zawory wydechowe. Stwierdzono teŝ, Ŝe dopuszczalny stopień spręŝania jest tym wyŝszy im lepiej chłodzona jest spręŝona 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, tuŝ 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 - cichobieŝność Do wad naleŝy: - rozpręŝenie komory spalania ( stopień spalania około 5,5-6) - duŝe 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 pobliŝu głowicy. Okna rozrządowe mogły mieć przekroje znaczne większe niŝ 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 moŝna było przy tym stosować pasowań zbyt ciasnych, poniewaŝ przy ówczesnej jakości olejów silnikowych groziło to zatarciem się współpracujących gładzi. Koszt produkcji i napraw był teŝ znacznie wyŝszy niŝ w przypadku silników konwencjonalnych. RYS. NR 3.2000.27
2.3 Rozrząd górnozaworowy 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 przełoŝeniem 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 uzaleŝniony 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 róŝnych 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, drąŝki 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 drąŝkami, 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 przewaŝnie ze staliwa, czyli metodą odlewania, a rzadziej ze stali w formie odkuwek matrycowych. Części naraŝone na zuŝycie cierne, a więc czopy łoŝyskowe i krzywki, poddaje się utwardzającej obróbce cieplno chemicznej, a następnie szlifowaniu i polerowaniu. Dolny wałek rozrządu łoŝyskowany jest ślizgowo w nie dzielonych panewkach pokrytych stopem łoŝyskowym. Średnica panewek jest na tle wielka by podczas montaŝu i demontaŝu wału krzywki mogły przechodzić przez otwory łoŝysk. Dla ułatwienia prac montaŝowych 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 łoŝysko ślizgowe osadzane jest zazwyczaj w otworze nie przelotowym lub zaślepianym od zewnątrz trwale uszczelnianą pokrywą. Wałek rozrządu osadzany jest równieŝ w głowicy. Wówczas napęd przekazywany jest bezpośrednio lub poprzez dźwigienki na zawory. ŁoŜyskowany jest w dzielonych łoŝyskach ślizgowych, które znacznie upraszczają konstrukcję i montaŝ wału. Do wad naleŝy: brak przełoŝenia pomiędzy skokiem zaworu a wzniosem krzywki a takŝe bardzo duŝe siły boczne działające na zawór które wymagają solidnego prowadzenia zaworu. Krzywki wałów rozrządu mają w poprzecznym przekroju kształt krzywoliniowy. ZaleŜnie 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 złoŝony z dwóch odcinków okręgów o róŝnych 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 zuŝycia wałka rozrządu ZuŜycie eksploatacyjne powstaje na skutek normalnej pracy silnika. Polega na wycieraniu się współpracujących elementów par kinematycznych. Do czynników decydujących o wielkości zuŝycia zaliczamy: - rodzaj materiału wałka i panewek - jakość powierzchni współpracujących elementów - rodzaj obróbki cieplej czopa wału - szybkobieŝność silnika - dobór pasowań par kinematycznych - dobór oleju - sposób eksploatacji ZuŜycie awaryjne spowodowane jest: - wadą materiałowo wykonawczą wałka rozrządu lub panewek - wadą montaŝowo naprawczą - odkształcenie lub pęknięcie wałka rozrządu - niedostateczne smarowanie Skutkiem zuŝycia wałka rozrządu i panewek są stuki spowodowane nadmiernymi luzami oraz spadek mocy wynikający z niepełnego napełnienia cylindra świeŝym ładunkiem lub teŝ nieopróŝnienie cylindra ze spalin. MoŜe równieŝ 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 uŝywaliśmy 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 poniewaŝ 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 zuŝyte ani nadłamane. Krzywki miały ślady długotrwałej eksploatacji, były bardzo zuŝyte 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 kaŝdej krzywce, pokręcając wałem do maksymalnego wzniosu i odczytywaliśmy wskazania czujnika. Nie biorąc pod uwagę wartości bicia osiowego (jest zbyt małe), wartość zuŝycia krzywek wahała się od 0,6 do 0,4 mm. NaleŜy wspomnieć, Ŝe w przypadku gdy wartość zuŝycia przekroczy 0,1mm wał naleŝy 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 35,975 47,650 36,000 47,675 Wymiar czopu 46,253 46,278 średnica Nr. Stan ogólny Panewka czop Luz x-x y-y x-x y-y łoŝyska 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 zuŝyte 5,85 5,88 II zuŝyte 5,95 5,87 III zuŝyte 5,90 5,89 IV zuŝyte 5,87 5,74
Bicie środkowego czopa wałka rozrządu: 0,01[mm] Nie ustaliliśmy wartości luzu poosiowego wałka rozrządu poniewaŝ 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 zuŝycia i budową wałka rozrządu.