Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Чтобы узнать о вымышленных персонажах с таким же именем, см. Распределительный вал (Трансформеры) .
Распределительный вал, управляющий двумя клапанами

Распределительный вал - это вращающийся объект, обычно сделанный из металла, который содержит заостренные кулачки , которые преобразуют вращательное движение в возвратно-поступательное. Распределительные валы используются в двигателях внутреннего сгорания (для управления впускными и выпускными клапанами), [1] [2] механически управляемых системах зажигания и ранних контроллерах скорости электродвигателей. Распредвалы в автомобилях изготавливаются из стали или чугуна и являются ключевым фактором при определении диапазона оборотов в диапазоне мощности двигателя .

История [ править ]

Распределительный вал был описан в 1206 году арабским инженером Аль-Джазари . Он использовал его как часть своих автоматов, водоподъемных машин и водяных часов, таких как часы замка . [3]

Среди первых автомобилей, в которых использовались двигатели с одним верхним распредвалом, были Maudslay, разработанный Александром Крейгом и представленный в 1902 году [4] [5] [6], и Marr Auto Car, разработанный уроженцем Мичигана Уолтером Лоренцо Марром в 1903 году. [7] [ 8]

Поршневые двигатели [ править ]

Четырехтактный двигатель DOHC (распредвалы белого цвета в верхней части двигателя)

В поршневых двигателях распределительный вал используется для управления впускными и выпускными клапанами . Распределительный вал состоит из цилиндрического стержня, проходящего по длине ряда цилиндров, с рядом кулачков (дисков с выступающими кулачками ) по его длине, по одному для каждого клапана. Лепесток кулачка заставляет клапан открываться, нажимая на клапан или на какой-либо промежуточный механизм, когда он вращается. Между тем, пружина оказывает натяжение, подтягивая клапан к его закрытому положению. Когда лепесток достигает максимального смещения на штоке толкателя, клапан полностью открывается. Клапан закрывается, когда пружина тянет его назад и кулачок находится на своей основной окружности. [9]

Строительство [ править ]

Распределительный вал из стальной заготовки

Распределительные валы изготавливаются из металла и обычно бывают цельными, хотя иногда используются и полые распредвалы. [10] Материалы, используемые для распредвала, обычно:

  • Чугун: обычно используемые в крупносерийном производстве распределительные валы из охлажденного чугуна обладают хорошей износостойкостью, поскольку в процессе охлаждения они затвердевают. Другие элементы добавляются в чугун перед литьем, чтобы сделать материал более подходящим для его применения.
  • Стальная заготовка: когда требуется высококачественный распредвал или мелкосерийное производство, производители двигателей и производители распредвалов выбирают стальную заготовку. Это гораздо более трудоемкий процесс и, как правило, более дорогой, чем другие методы. Метод строительства обычно ковка , механическая обработка (на токарном или фрезерном станке ), литье или гидроформовка . [11] [12] [13] Могут использоваться различные типы стальных стержней, например, EN40b. При изготовлении распредвала из EN40b распредвал также будет подвергаться термообработке посредством газового азотирования., что изменяет микроструктуру материала. Обладает твердостью поверхности 55-60 HRC , подходящей для использования в высокопроизводительных двигателях.

Компоновки клапанного механизма [ править ]

Основные статьи: Cam-в-блок и Накладный распределительный вал двигателя

В большинстве ранних двигателей внутреннего сгорания использовалась компоновка « кулачок в блоке» (например, верхние клапаны), где распределительный вал расположен внутри блока цилиндров рядом с нижней частью двигателя. По мере увеличения оборотов двигателя в 20-м веке, двигатели с одним верхним распределительным валом (SOHC), в которых распределительный вал расположен внутри головки блока цилиндров в верхней части двигателя, становились все более распространенными, за ними в последние годы последовали двигатели с двойным верхним распределительным валом (DOHC). .

Расположение клапанного механизма определяется количеством распределительных валов на ряд цилиндров. Поэтому двигатель V6 с четырьмя распределительными валами (по два на ряд цилиндров) обычно называют двигателем с двумя верхними распределительными валами , хотя в просторечии их иногда называют двигателями с четырьмя распредвалами . [14]

В двигателе с верхним расположением клапанов распределительный вал нажимает на толкатель, который передает движение на верхнюю часть двигателя, где коромысло открывает впускной / выпускной клапан. [15] Для двигателей OHC и DOHC распределительный вал управляет клапаном напрямую или через короткий коромысел. [15]

Системы привода [ править ]

Основная статья: Ремень ГРМ (распредвал)

Точный контроль положения и скорости распределительного вала критически важен для правильной работы двигателя. Распределительный вал приводится в движение коленчатым валом напрямую, обычно через зубчатый резиновый ремень привода ГРМ или стальную роликовую цепь (называемую цепью привода ГРМ ). Шестерни также иногда использовались для привода распределительного вала. [16] В некоторых конструкциях распределительный вал также приводит в действие распределитель , масляный насос , топливный насос и иногда насос гидроусилителя рулевого управления.

Альтернативой, используемой в первые дни двигателей OHC, было приводить распределительный вал (-ы) через вертикальный вал с коническими шестернями на каждом конце. Эта система, например, использовалась на автомобилях Peugeot и Mercedes Grand Prix перед Первой мировой войной . Другой вариант заключался в использовании тройного эксцентрика с шатунами; они использовались на некоторых двигателях, разработанных WO Bentley, а также на Leyland Eight .

В двухтактном двигателе с распределительным валом каждый клапан открывается один раз за каждый оборот коленчатого вала; в этих двигателях распределительный вал вращается с той же скоростью, что и коленчатый вал. В четырехтактном двигателе клапаны открываются вдвое реже; таким образом, на каждый оборот распределительного вала происходит два полных оборота коленчатого вала.

Тактико-технические характеристики [ править ]

Основная статья: Время клапана

Продолжительность [ править ]

Продолжительность работы распределительного вала определяет, как долго впускной / выпускной клапан открыт, поэтому это ключевой фактор в количестве мощности, которую производит двигатель. Более длительная продолжительность может увеличить мощность при высоких оборотах двигателя (об / мин), однако это может быть связано с меньшим крутящим моментом , создаваемым на низких оборотах. [17] [18] [19]

На измерение продолжительности для распределительного вала влияет величина подъема, выбранная в качестве начальной и конечной точки измерения. Значение подъема 0,050 дюйма (1,3 мм) часто используется в качестве стандартной процедуры измерения, поскольку оно считается наиболее репрезентативным для диапазона подъема, который определяет диапазон оборотов, в котором двигатель вырабатывает пиковую мощность. [17] [19] Характеристики мощности и холостого хода распределительного вала с той же номинальной продолжительностью, которая была определена с использованием разных точек подъема (например, 0,006 или 0,002 дюйма), могут сильно отличаться от характеристик распределительного вала с длительностью, рассчитанной с использованием точек подъема 0,05 дюйма.

Вторичным эффектом увеличения продолжительности может быть увеличение перекрытия , которое определяет продолжительность времени, в течение которого впускной и выпускной клапаны открыты. Это перекрытие, которое больше всего влияет на качество холостого хода, поскольку «продувка» всасываемого заряда сразу же обратно через выпускной клапан, который происходит во время перекрытия, снижает эффективность двигателя и является наибольшим при работе на низких оборотах. [17] [19] Как правило, увеличение срока службы распределительного вала обычно увеличивает перекрытие, если только угол разделения лепестков не увеличивается для компенсации.

Лифт [ править ]

Подъем распределительного вала определяет расстояние между клапаном и седлом клапана (т.е. насколько далеко открыт клапан). [20] Чем дальше клапан поднимается от своего седла, тем больший поток воздуха может быть обеспечен, таким образом увеличивая производимую мощность. Более высокий подъем клапана может иметь такой же эффект увеличения пиковой мощности, как и увеличение продолжительности, без недостатков, вызванных увеличением перекрытия клапанов. Большинство двигателей с верхним расположением клапанов имеют соотношение коромысел больше единицы, поэтому расстояние, на которое открывается клапан ( подъем клапана ), больше, чем расстояние от пика выступа распределительного вала до основной окружности ( подъем распределительного вала ). [21]

Есть несколько факторов, которые ограничивают максимальную подъемную силу, возможную для данного двигателя. Во-первых, увеличение подъема приближает клапаны к поршню, поэтому чрезмерный подъем может привести к удару и повреждению клапанов поршнем. [19] Во-вторых, увеличенный подъем означает, что требуется более крутой профиль распределительного вала, что увеличивает усилия, необходимые для открытия клапана. [20] Связанная проблема - это смещение клапана на высоких оборотах, когда натяжение пружины не обеспечивает достаточной силы, чтобы либо удерживать клапан, следующий за кулачком, на его вершине, либо предотвращать отскок клапана, когда он возвращается в седло клапана. [22] Это могло быть результатом очень крутого подъема доли, [19]где толкатель кулачка отделяется от выступа кулачка (из-за того, что инерция клапанного механизма превышает силу закрытия пружины клапана), оставляя клапан открытым дольше, чем предполагалось. Поплавок клапана вызывает потерю мощности на высоких оборотах и ​​в экстремальных ситуациях может привести к изгибу клапана при ударе поршня. [21] [22]

Сроки [ править ]

Синхронизацию (фазовый угол) распределительного вала относительно коленчатого вала можно отрегулировать, чтобы сместить диапазон мощности двигателя в другой диапазон оборотов. Перемещение распределительного вала вперед (смещение его вперед по сравнению с синхронизацией коленчатого вала) увеличивает крутящий момент на низких оборотах, в то время как замедление распредвала (переключение его на положение после коленчатого вала) увеличивает мощность на высоких оборотах. [23] Требуемые изменения относительно небольшие, часто порядка 5 градусов. [ необходима цитата ]

Современные двигатели с регулируемыми фазами газораспределения часто могут регулировать синхронизацию распределительного вала в соответствии с частотой вращения двигателя в любой момент времени. Это позволяет избежать вышеупомянутого компромисса, необходимого при выборе фиксированной синхронизации кулачка для использования как на высоких, так и на низких оборотах.

Угол разделения лепестков [ править ]

Угол разделения лопасти (НУО, также называемый лепесток углом осевой линии ) представляет собой угол между осевой линией впускных лопастей и осевой выхлопной долей. [24] Более высокое значение LSA уменьшает перекрытие, что улучшает качество холостого хода и вакуум на впуске, [23] однако использование более широкого LSA для компенсации чрезмерной продолжительности может снизить выходную мощность и крутящий момент. [21] В общем, оптимальная LSA для данного двигателя связана с отношением объема цилиндра к площади впускного клапана. [21]

Обслуживание и износ [ править ]

Многие старые двигатели требовали ручной регулировки коромысел или толкателей, чтобы поддерживать правильный зазор клапанов по мере износа клапанного механизма (в частности, клапанов и седел клапанов). Однако большинство современных автомобильных двигателей имеют гидравлические подъемники, которые автоматически компенсируют износ, избавляя от необходимости регулировать зазор клапана через регулярные промежутки времени.

Трение скольжения между поверхностью кулачка и толкателем кулачка, который движется по нему, может быть значительным. Чтобы уменьшить износ на этом этапе, поверхность кулачка и толкателя закалена , а современные моторные масла содержат присадки для уменьшения трения скольжения. Лепестки распределительного вала обычно слегка сужаются, а поверхности толкателей клапанов слегка выпуклые, что приводит к вращению толкателей для распределения износа по деталям. Поверхности кулачка и толкателя предназначены для «износа» вместе, и поэтому каждый толкатель должен оставаться на своем исходном выступе кулачка и никогда не перемещаться на другой выступ. В некоторых двигателях (особенно с крутыми кулачками распределительного вала) используются роликовые толкатели для уменьшения трения скольжения на распределительном валу.

Подшипники распредвалов, как и коленчатого вала, представляют собой подшипники скольжения , на которые подается масло под давлением. Однако подшипники верхнего распределительного вала не всегда имеют сменные вкладыши, и в этом случае необходимо заменить всю головку блока цилиндров, если подшипники неисправны.

Альтернативы [ править ]

Помимо механического трения, для открытия клапанов требуется значительная сила, преодолевая сопротивление пружин клапана. Это может составлять, по оценкам , 25% от общего объема производства в двигателе на холостом ходу, [ править ] снижая общую эффективность.

В двигателях внутреннего сгорания используются следующие альтернативные системы:

  • Десмодромные клапаны , в которых клапаны принудительно закрываются системой кулачков и рычагов, а не пружинами. Эта система использовалась на различных гоночных и дорожных мотоциклах Ducatti с момента ее появления на гоночном мотоцикле Ducati 125 Desmo 1956 года .
  • Бескулачковые поршневые двигатели , в которых используются электромагнитные, гидравлические или пневматические приводы. Впервые он использовался в двигателях Renault Formula 1 с турбонаддувом в середине 1980-х годов и предназначен для использования на дорожных автомобилях в Koenigsegg Gemera . [25] [26]
  • Двигатель Ванкеля , роторный двигатель, в котором не используются ни поршни, ни клапаны. В основном использовался Mazda с 1967 года Mazda Cosmo до тех пор, пока Mazda RX-8 не была снята с производства в 2012 году.

Системы зажигания двигателя [ править ]

Основная статья: Система зажигания § Механически синхронизированное зажигание

В системах зажигания с механической синхронизацией отдельный кулачок в распределителе соединен с двигателем и управляет набором точек прерывания, которые вызывают искру в нужное время в цикле сгорания.

Контроллеры скорости электродвигателя [ править ]

До появления твердотельной электроники , контроллеры распредвала были использованы для управления скоростью вращения электродвигателей . Распределительный вал, приводимый в действие электродвигателем или пневматическим двигателем , использовался для последовательного управления контакторами . Таким образом, резисторы или переключатели ответвлений включались в цепь или выключались из нее для изменения скорости основного двигателя. Эта система в основном использовалась в электропоездах и электровозах . [27]

См. Также [ править ]

  • Рукавный клапан
  • Коленчатый вал

Ссылки [ править ]

  1. ^ «4 такта двигателя» . help.summitracing.com . Проверено 10 июня 2020 .
  2. ^ «Как работают распредвалы» . HowStuffWorks . 2000-12-13 . Проверено 10 июня 2020 .
  3. ^ "Исламская автоматизация: чтение книги знаний об изобретательных механических устройствах аль-Джазари (1206)" (PDF) . www.banffcentre.ca . п. 10. Архивировано из оригинального (PDF) 8 октября 2006 года.
  4. ^ Georgano, GN (1982). Новая энциклопедия автомобилей с 1885 года по настоящее время (Третье изд.). Нью-Йорк: EP Dutton. п. 407. ISBN. 0525932542. LCCN  81-71857 .
  5. ^ Калшоу, Дэвид; Хорробин, Питер (2013). Полный каталог британских автомобилей 1895-1975 гг . Паундбери, Дорчестер, Великобритания: Veloce Publishing. п. 210. ISBN 978-1-845845-83-4.
  6. ^ Бодди, Уильям (январь 1964). «Случайные мысли об ОХК» Автоспорт . Лондон, Великобритания: Teesdale Publishing (1): 906 . Проверено 7 июня 2020 .
  7. ^ "Marr Auto Car Company" . www.marrautocar.com . Архивировано из оригинала 8 февраля 2014 года.
  8. ^ Kimes, Беверли Rae (2007). Уолтер Л. Марр: удивительный инженер Buick . Racemaker Press. п. 40. ISBN 978-0976668343.
  9. ^ «Условия использования профиля Lunati Cam» . www.lunatipower.com . Проверено 10 июня 2020 .
  10. ^ "Внутри двигателя N52" . www.mwerks.com . Проверено 7 июня 2020 .
  11. ^ «Специальная шлифовка кулачка - Доступная специальная шлифовка кулачка - Круговой трек» . Хотрод . 2004-04-19 . Проверено 10 июня 2020 .
  12. ^ "Изготовленные на заказ распредвалы заготовки: - Мур Good Ink" . Проверено 10 июня 2020 .
  13. ^ "Linamar Покупка Mubea Camshaft Operations" . www.forgingmagazine.com . Проверено 7 июня 2020 .
  14. ^ "Что такое двигатель с четырьмя кулачками?" . www.carspector.com . Проверено 7 июня 2020 .
  15. ^ a b Селлен, Магнус (24.07.2019). «DOHC против SOHC - в чем разница между ними?» . База механиков . Проверено 10 июня 2020 .
  16. ^ "V8: Рождение и начало" . www.rrec.org.uk . Архивировано из оригинального 15 марта 2016 года . Проверено 12 июля 2020 .
  17. ^ a b c «Секреты мощности распредвала» . www.hotrod.com . 1 декабря 1998 . Проверено 18 июля 2020 .
  18. ^ "Диапазон оборотов распределительного вала" . www.summitracing.com . Проверено 18 июля 2020 .
  19. ^ a b c d e "Основы работы с распределительным валом" . www.jegs.com . Проверено 18 июля 2020 .
  20. ^ a b «Лифт распредвала» . www.summitracing.com .
  21. ^ a b c d "Будьте экспертом по распределительному валу" . www.hotrod.com . 14 июня 2006 . Проверено 18 июля 2020 .
  22. ^ a b "Что такое поплавок клапана?" . www.summitracing.com . Проверено 18 июля 2020 .
  23. ^ a b «Эффект кулачков COMP от изменений синхронизации кулачков и угла разделения лепестков» . www.compcams.com . Проверено 19 июля 2020 .
  24. ^ "Разделение кулачков распредвала" . www.summitracing.com . Проверено 19 июля 2020 .
  25. ^ «Koenigsegg Gemera - Технические характеристики» . www.koenigsegg.com . Проверено 19 июля 2020 .
  26. ^ «Будущее двигателя внутреннего сгорания - внутри Koenigsegg» . www.youtube.com . Драйв . Проверено 7 июня 2020 .
  27. ^ "Электровозы - Железнодорожный технический сайт" . www.railway-technical.com . Проверено 7 июня 2020 .