Распределительный вал

Распределительный вал или попросту распредвал в газораспределительном механизме обеспечивает выполнение основной функции – своевременного открытия и закрытия клапанов, за счет чего производится приток свежего воздуха и выпуск отработавших газов. В общем виде распределительный вал управляет процессом газообмена в двигателе.

Для уменьшения инерционных нагрузок, увеличения жесткости элементов газораспределительного механизма распределительный вал должен располагаться как можно ближе к клапанам. Поэтому стандартное положение распредвала на современном двигателе в головке блока цилиндров – т.н. верхнее расположение распределительного вала.

В газораспределительном механизме используется один или два распределительных вала на ряд цилиндров. При одновальной схеме обслуживаются впускные и выпускные клапаны (два клапана на цилиндр). В двухвальном газораспределительном механизме один вал обсуживает впускные клапаны, другой – выпускные (два впускных и два выпускных клапана на цилиндр).

Основу конструкции распределительного вала составляют кулачки. На каждый клапан используется, как правило, один кулачок. Кулачок имеет сложную форму, которая обеспечивает открытие и закрытие клапана в установленное время, и его подъем на определенную высоту. В зависимости от конструкции газораспределительного механизма кулачок взаимодействует либо с толкателем, либо с коромыслом.

При работе распределительного вала кулачки вынуждены преодолевать усилия возвратных пружин клапанов и силы трения от взаимодействия с толкателями. На все это расходуется полезная мощность двигателя. Указанных недостатков лишена беспружинная система, реализованная в десмодромном механизме. Для уменьшения силы трения между кулачком и толкателем плоская поверхность толкателя может заменяться роликом. В отдаленной перспективе использование магнитной системы для управления клапанами, обеспечивающей полный отказ от распределительного вала.

Распределительный вал изготавливается из чугуна (литьем) или стали (ковкой). Распредвал вращается в опорах, которые представляют собой подшипники скольжения. Число опор на одно превышает число цилиндров. Опоры, в основном, разъемные, реже – неразъемные (выполнены как одно целое с головкой блока). В опорах, выполненных в чугунной головке, используются тонкостенные вкладыши, которые при изнашивании заменяются.

От продольного перемещения распредвал удерживают упорные подшипники, располагающиеся около приводной шестерни (звездочки). Распределительный вал смазывается под давлением. Предпочтительным является индивидуальный подвод масла к каждому подшипнику. Значительно повышается эффективность газораспределительного механизма с использованием различных систем изменения фаз газораспределения, которые позволяют добиться повышения мощности, топливной экономичности, снижения токсичности отработавших газов. Различают несколько подходов к изменению фаз газораспределения:

• поворот распределительного вала на различных режимах работы;
• использования нескольких кулачков с различным профилем на один клапан;
• изменение положения оси коромысла.

Привод распределительного вала

Распределительный вал приводится в действие от коленчатого вала двигателя. В четырехтактном двигателе внутреннего сгорания привод обеспечивает вращение коленчатого вала со скоростью в два раза медленнее коленчатого вала.

На двигателях легковых автомобилей привод распределительного вала осуществляется с помощью цепной или ременной передачи. Данные виды привода на равных используются как в бензиновых двигателях, так и дизелях. Ранее для привода использовалась шестеренная передача, но ввиду громоздкости и повышенного шума перестала применяться.

Цепной привод объединяет металлическую цепь, которая обегает звездочки на коленчатом и распределительном валу. Помимо этого в приводе используются натяжитель и успокоитель. Цепь состоит из звеньев, соединенных шарнирами. Одна цепь может обслуживать два распределительных вала.

Цепной привод распределительного вала достаточно надежный, компактный, может использоваться на больших межосевых расстояниях. Вместе с тем, износ шарниров при эксплуатации, приводит к растяжению цепи, последствия которого могут быть самые печальные для ГРМ. Не спасают даже натяжитель с успокоителем. Поэтому цепной привод требует регулярного контроля состояния.

В ременном приводе распределительного вала используется зубчатый ремень, который охватывает соответствующие зубчатые шкивы на валах. Приводной ремень оборудуется натяжным роликом. Ременный привод компактный, почти бесшумный, достаточно надежный, что делает его популярным у производителей. Современные зубчатые ремни имеют значительный ресурс — до 100 тыс. км пробега и более.

Привод распределительного вала может использоваться для привода и других устройств – масляного насоса, топливного насоса высокого давления, распределителя зажигания.

Устройство автомобилей

Детали механизма газораспределения

Распределительный вал

Назначение распределительного вала

Распределительный вал, или как его обычно называют – распредвал, является основной деталью ГРМ и служит для управления клапанами механизма газораспределения.
В бензиновых двигателях он также может использоваться для привода механизмов и устройств различных систем – зажигания, смазки, питания.

Основная функция распределительного вала — своевременное и точное открытие и закрывание клапанов двигателя с учетом фаз газораспределения. Это обеспечивается подбором формы профиля кулачков, которые надавливая на толкатели, заставляют клапана перемещаться по требуемой кинематической схеме.

Привод распределительного вала осуществляется, как правило, от коленчатого вала посредством зубчатой, ременной, цепной или вальной передачи.
Поскольку газораспределение напрямую связано с тактами, происходящими в цилиндрах, а те, в свою очередь, определяются положением коленчатого вала, то вращение распределительного вала должно быть строго согласовано с вращением коленчатого вала.
По этой причине распредвал конструктивно связан с коленчатым валом двигателя и вращается синхронно с ним, но, не обязательно с одинаковой частотой. Частота вращения распределительного вала четырехтактного двигателя, обычно, в два раза ниже частоты вращения коленчатого вала.

Как отмечалось в предыдущей статье, ГРМ современных двигателей может содержать один или два распределительных вала. Количество распредвалов обычно соответствует типу двигателя.

Рядные двигатели с одной парой клапанов на каждый цилиндр (по одному клапану впуска и выпуска) оснащаются одним распределительным валом. В рядных двигателях с двумя парами клапанов (по два клапана впуска и выпуска) устанавливают два распределительных вала.

В оппозитных и V-образных двигателях может быть установлен один вал (в развале), либо два в каждой головке блока цилиндров.

Устройство распределительного вала

Распределительный вал состоит из опорных шеек и кулачков одинакового профиля, а также может содержать элементы конструкции приводов других систем двигателя.

В процессе работы распределительный вал испытывает скручивающие и изгибающие нагрузки. На кулачках возникают значительные контактные напряжения, вызывающие их интенсивный износ. В опорных шейках присутствуют силы трения, которые тоже способствуют износу сопрягаемых поверхностей шейки и подшипника.

Для противодействия изгибающим моментам и обеспечения необходимой жесткости распределительного вала число опорных шеек должно быть равно числу коренных шеек коленчатого вала.

Распределительные валы изготавливают штамповкой или ковкой из малоуглеродистых или среднеуглеродистых сталей. Рабочие элементы валов (кулачки, эксцентрики, опорные шейки, зубчатые колеса) из малоуглеродистых сталей цементируются и закаливаются, а при изготовлении валов из среднеуглеродистой стали закаливаются токами высокой частоты на глубину 2…3 мм, после чего опорные шейки и кулачки шлифуют и полируют.

Подшипниками распределительных валов при нижнем расположении обычно служат стальные втулки, внутренняя поверхность которых заливается тем же антифрикционным сплавом, который используется для коренных и шатунных шеек коленчатого вала. Для облегчения установки вала в блок-картере диаметр опорных шеек, начиная с первой, уменьшают.

Для верхних распределительных валов в качестве подшипников часто используют разъемные втулки, которые обычно выполняются в опорных стойках, если они отлиты из алюминиевого сплава. Если стойки чугунные, то в них устанавливают антифрикционные вкладыши.

Распредвалы карбюраторных двигателей, как правило, имеют эксцентрики для привода бензиновых насосов.

На носках распределительного валов выполняются посадочные поверхности и каналы под сегментные шпонки для установки зубчатых колес или звездочек привода, которые крепятся гайками или болтами, вворачиваемыми в торец вала.

В распределительных валах могут возникать значительные осевые усилия, поскольку для их привода и привода механизмов и устройств различных систем двигателя чаще всего применяются косозубые зубчатые колеса. Для предотвращения осевого перемещения нижние распределительные валы фиксируются упорным фланцем (рис. 1, а), при этом зазор ∆ обеспечивается дистанционной шайбой 2 или с одной стороны буртиком подшипника, а с другой – регулировочным болтом 3 (рис. 1, б) или пружинным упором.

При верхнем расположении вала и съемных крышках подшипников фиксация осуществляется буртиком 5 (рис. 1, в), который опирается в торец подшипника.

Смазка распределительного вала

Смазочный материал к подшипникам при нижнем расположении вала подводится по каналам в перегородках картера. Промежуточные опорные шейки нередко имеют серповидные канавки, обеспечивающие пульсирующую подачу масла к деталям ГРМ, расположенным в головке блока цилиндров.

К подшипникам при верхнем расположении вала смазочный материал подводится через внутреннюю полость вала и отверстия в его опорных шейках и кулачках.

Смазывание привода масляного насоса и распределителя системы зажигания бензиновых двигателей с нижним распределительным валом осуществляют цилиндрические зубчатые колеса со спиральными зубьями.

Расположение распредвала в двигателе

Распределительный вал газораспределительного механизма или «распредвал» отвечает за открытие и закрытие клапанов в четырехтактных двигателях внутреннего сгорания. От формы и исполнения распредвала сильно зависят конечные динамические показатели вашего автомобиля. Распредвалы устанавливаются на все типы ДВС. Во многих двигателях распредвал передает движения для работы масляного и топливного насосов.

Существует два вида двигателей внутреннего сгорания: двигатели с верхним расположением распредвала и с нижним. До 1950-х годов двигатели автомобилей в основном были нижнеклапанными. Распределительный вал располагался в нижней части двигателя, клапаны устанавливались тарелками вверх. Такие двигатели были более дешевыми в производстве, но и менее производительными. Затем от такой схемы отказались и пришли ко всем нам привычной головке цилиндров с установленным в ней распредвалом и клапанами, открывающимися вниз. Однако, на некоторых современных двигателях до сих пор действуют нижневальные системы с верхним расположением клапанов.

ГБЦ с верхним расположением распредваловРазрез двигателя с нижним расположением распредвалов

Нижневальный двигатель отличается тем, что в нем дополнительно устанавливаются штанги, компенсирующие расстояние от кулачков распредвала до толкателей клапанов в головках цилиндров.

Газораспределительные механизмы с верхним расположением клапанов:

а — с нижним расположением распределительного вала: 1 — распределительный вал; 2 — толкатель; 3 — штанга; 4 — ось коромысел; 5 — коромысло; 6 — пружина; 7 — клапан;

б — с верхним расположением распределительного вала: 1 — винт; 2 — контргайка; 3 — коромысла; 4 — распределительный вал.

Более ранние модели двигателей имеют один распредвал, на котором расположены кулачки для открытия/закрытия клапанов на впуск и на выпуск. На современные производительные двигатели устанавливаются отдельно впускной и выпускной распредвал.

Принцип работы распредвала

Распределительный вал имеет особую форму: на типичном цилиндрическом валу расположены кулачки и шейки распредвала. Подшипник распредвала имеет форму втулки либо вкладыша и принудительную систему смазки.

Втулка и вкладыши распредвала

Распредвал совершает вращение вместе с коленчатым валом двигателя, но вращается в 2 раза медленней. Для вращения распредвала используются цепные, ременные, зубчатые передачи. Благодаря форме кулачков распредвала формируются фазы газораспределения, клапана открываются в нужный момент, обеспечиваются условия работы двигателя. Изменяя геометрию кулачков, можно добиться улучшения работы двигателя.

Распредвал Nissan Patrol

1 — болты; 2 — приводная шестерня распределителя; 3 — шайба; 4 — звездочка распредвала; 5 — упорная пластина; 6 — шпонка; 7 — рабочий выступ кулачка; 8 — распределительный вал;

9 — опорная шейка распредвала.

Через различные толкатели, рокеры, либо почти напрямую через гидрокомпенсаторы кулачок распредвала нажимает на подпружиненный клапан, открывая его. Далее, проходя вершину кулачка, клапан открывается на максимальное расстояние и плавно закрывается проходя по обратной его части. Геометрия кулачков распредвала позволяет относительно плавно взаимодействовать с толкателями клапана, от их формы зависит характеристика распредвала.

На распредвале кулачки расположены под особыми углами, благодаря чему и формируются фазы газораспределения. На разных двигателях углы фаз могут немного отличаться. Например, если сравнивать бензиновый двигатель и дизель, стандартные распредвалы, рассчитанные на городскую езду, будут иметь похожее строение.

Если рассматривать спортивный распредвал, созданный для быстрой, динамичной езды, в отличие от обычного, он будет иметь более широкий профиль, что позволит, например, раньше открывать клапан, дольше держать его открытым. Такие валы улучшают динамику, но сказываются на экономичности двигателя.

На двигателях с ЭБУ устанавливается датчик распредвала. Это устройство постоянно определяет его положение, что позволяет синхронизировать электронные системы подачи топлива с работой клапанов.

Привод распредвалаГеометрические формы кулачков

Отдельно стоит остановиться на шестернях распредвалов. Механизм ГРМ требует точной их настройки. Зачастую достаточно выставить элементы по «контрольным точкам». Для более точной настройки работы распредвала существует разрезная шестерня распредвала. Принцип в том, что зубцы шестерни фиксируются на болтах относительно ее основания. Открутив болты можно, корректировать положение шестерни на 5-10º, что позволяет выставить ГРМ в более оптимальное положение.

Разрезная и простая шестеренки распредвала двигателя ВАЗ 2106

На современных дорогих двигателях этот процесс автоматизирован, применяются муфты распредвала с гидравлическим управлением. Датчик положения распредвала сообщает бортовым компьютерам текущий угол и обороты, что позволяет управлять фазами газораспределения, корректировать их для разных режимов двигателя.

ГРМ с гидроуправляемыми муфтами

Эксплуатация и ремонт распредвалов

Распределительный вал— деталь достаточно надежная, которая «проходит» как минимум, до первого серьезного ремонта двигателя. В случае, если у вас классическая модель двигателя без гидрокомпенсаторов, через каждые 10-15 тысяч километров необходимо контролировать зазоры распредвала с рокерами, выполнять их настройку. Во всех типах двигателей следует контролировать натяжку ремня или цепи ГРМ. Подобные узлы имеют ограниченный ресурс работы. Со временем цепи могут растягиваться и задевать в работе блок двигателя.

Неисправности распредвалов

Распредвалы, как и все «трущиеся» детали, подвергаются механическому износу. Также приходят в негодность подшипники, может разрушится и потерять форму сальник распредвала. Поломка распредвала может в последствии вывести из строя другие механизмы двигателя.

Причинами подобных проблем могут быть:

• естественный износ распредвала;
• низкое качество масла;
• недостаточное давление масла;
• недостаточный уровень масла;
• нарушения температурных режимов работы двигателя (вне рабочего диапазона температур масло становится жидким и частично теряет свои свойства);
• механические повреждения, например натяжной ролик и ремень распредвала имеют ограниченный срок эксплуатации, при разрыве ремня ГРМ двигатель и распредвалы могут получить значительный урон.

Диагностика и ремонт распредвала

Возможные проблемы с распредвалом выдает шум при его работе. Причиной шума может быть подшипник распредвала, требующий замены.

Если стучит распредвал, вероятней всего, выработка рабочих поверхностей привела к критичным люфтам. Обычно валы имеют допуски на размер выработки и искривления. В случае возникновения шумов необходимо выполнить замеры поверхностей распредвала. Стук распредвала — повод срочно обратится в сервисный центр.

Падение давления масла в двигателе также может указывать на износ распредвала.

Замер диаметра шеек распредвала микрометром

Если появилась ошибка ЭБУ о нарушении сигнала дпрв (датчик положения распредвала), то необходимо проверить сам датчик. Со временем датчики могут выходить из строя, либо проблема только в контактах, загорается «чек». Замена датчика распредвала точно решит проблему, ошибка должна погаснуть.

Как проверить распредвал? Самый надежный способ — снять распредвалы. Если они имеют явные, ощутимые задиры и полосы, необходимо восстановление либо замена. Для определения точных значений выработки потребуются микрометры различных модификаций. В случае, если ремонт неизбежен, необходимо выполнить полноценную диагностику головки блока цилиндров и всех узлов ГРМ.

Выработка на шейке распредвала

Как восстановить распредвалы? Распредвалы, имеющие допустимые размеры выработки и кривизны, подлежат восстановлению. В случае относительно небольшого износа вал лишь немного корректируют шлифовкой. При более значительном износе на поверхности наносится гальваническое напыление хрома или железа. Когда требуется значительное восстановление, выполняется наплавка металла с помощью газовой либо электродуговой сварки. После выполняется точная подгонка поверхностей контакта. Постель распредвала (место, куда устанавливается распределительный вал) протачивается на специальном станке либо вручную с помощью «разверток». Все элементы тщательно шлифуются, доводятся до номинальных размеров. Подобные процедуры требуют серьезных знаний технологии процесса и наличия специального оборудования.

Различные развертки для посадочных мест шеек и подшипников распредваловНаплавленные кулачки распредвалов перед шлифовкой

Замена распредвала

Как установить новый распредвал самому? Замена распредвала — сложная процедура, но, если вы обладаете необходимыми знаниями и навыками, такую операцию можно выполнить и в условиях домашней мастерской. До начала работ тщательно изучите узлы и механизмы двигателя, и узнайте, как снять его элементы.

Заменить распределительный вал можно двумя способами: снимая или не снимая головку блока цилиндров. Если решитесь «снять голову», учитывайте необходимость покупки новой прокладки.

Головка блока цилиндров ВАЗ 2106

1 — головка цилиндров; 2 — распределительный вал; 3 — задний корпус подшипников распределительного вала; 4 — прокладка; 5 — крышка головки цилиндров; 6 — передний корпус подшипников распределительного вала; 7 — сальник распредвала

Замена распредвала двигателя ВАЗ 2106

1. Снимаем кожух воздушного фильтра и сам фильтр (он будет мешать работе). Для этого необходимого открутить гайки шпилек кожуха фильтра.

2. Демонтируем крышку головки блока цилиндров (она же «клапанная крышка»).

3. Отгибаем край стопорной шайбы-звездочки распредвала.

4. Ослабляем цепь ГРМ. Для этого необходимо монтировкой ослабить гайку натяжителя изнутри кожуха и зафиксировать его положение затяжкой гайки.

5. Необходимо поставить коленчатый вал в положение 3 — длинная риска (соответствует окончанию сжатия в четвертом цилиндре), а метку звездочки распределительного вала нужно совместить с меткой постели.

Схема меток шкива коленчатого валаЗвездочка распредвала совмещена с меткой

6. Снять болт звездочки распредвала.

7. Цепь и звездочку увязать проволокой, снять звездочку, уложить цепь в блоке.

8. Открутить крепеж корпуса распредвала и снять его со шпилек.

9. Сняв крепеж, демонтировать упорный фланец.

10. Достать распредвал из корпуса.

11. Собрать детали и узлы в обратном порядке. Затягивание болтов следует выполнять, соблюдая порядок и контролируя момент затяжки.

Положение шпонки при сборке

На сегодняшний день распредвал остается незаменимой деталью. При надлежащей эксплуатации он может прослужить вам в течении всего срока эксплуатации двигателя. Установка распредвала без проверки и доработки поверхностей может привести к ускоренному его износу. С заменой распредвала рекомендуют поменять другие элементы, работающие с ним в контакте.