Двигатели
внутреннего сгорания

 
         

 

Главная
Основы конструирования
Расчеты
Силы и моменты
Поршневая группа
Шатуны и штоки
Коленчатые валы
Подшипники
Система газораспределения
Корпусные детали
Анализ конструкции
Устройство и
принцип действия

КШМ
ГРМ
Система смазки
Система охлаждения
Система питания
Система зажигания
Пуск двигателей
Увеличение мощности
Разное

Анализ конструкций деталей механизма газораспределения

Клапаны и седла клапанов
Головки клапанов омываются горячими газами в камере сгорания, а головка и стержень выпускных клапанов нагреваются и в периоды выпуска, когда скорость газов составляет 400-600 м/с, а температуры достигают 727-1202°С. Так как отвод теплоты от головок клапанов происходит только в седло клапана и в стержень, то температура в центре головки выпускных клапанов двигателей с принудительным воспламенением может достигать 927-1002 °С, а дизелей 702-902 °С. Такие большие температуры снижают механическую прочность материала клапана, а высокие скорости газовых потоков и агрессивность среды (выпускные газы) вызывают коррозию и газовую эрозию поверхностей выпускных клапанов, особенно посадочных фасок. Большие перепады температур, достигающие в головке 150-200 и 500-600°С между максимальной (в центре головки) и минимальной (на торце стержня клапана) температурами, определяют высокий уровень температурных напряжений.
Посадочные фаски клапанов и седел, а также торцы стержней клапанов подвергаются ударной нагрузке при закрытии и в начале открытия клапана. Стержень и головка клапанов нагружаются переменными силами растяжения и изгибающими моментами от пружин, а также газовыми и инерционными силами. Боковая поверхность стержня изнашивается при недостаточном количестве смазочного материала и при наличии в зазоре частиц нагара, продуктов изнашивания деталей двигателя и химически агрессивных продуктов сгорания топлива и масла.
При проектировании клапанов необходимо учитывать, что условия их работы изменяются в зависимости от организации рабочего процесса, режимов и времени работы двигателей. Как правило, в результате повышения наддува и коэффициента наполнения увеличиваются не только силы давления газа, но и температура газа на выпуске. При повышении е двигателей с принудительным воспламенением снижается температура выпускных клапанов (примерно на 20 °С при снижении на единицу е). Увеличение нагрузки и частоты вращения вызывает повышение температур, их перепадов и механических нагрузок, а вследствие резкого изменения режимов работы двигателя увеличиваются амплитуды изменения температур, напряжений и деформаций седел клапанов. При длительной эксплуатации двигателя повышаются температуры клапанов и седел в результате увеличения зазоров в направляющей клапана и ухудшения контактов фасок клапанов и седел, отложений нагара, накипи, солей и соединений металлов, содержащихся в присадках к маслам и топливам, ухудшения рабочего процесса.
Напряженные условия работы клапанов обусловливают возможность нарушения их работы, из которых наиболее характерными являются зависание клапанов и удары их о поршень, выгорание фаски, изнашивание, коробление и растрескивание фасок, обрыв стержня, изнашивание стержня и его торца.
От формы головки зависят сохранение формы фаски при работе, масса клапана, условия обтекания клапана газами, а также стоимость изготовления клапана. Плоский (тарельчатый) клапан (рис. 200, а) отличается относительно большой толщиной головки, малым радиусом перехода от стержня к головке и плоским (или почти плоским) торцом головки. Такой клапан наиболее прост в изготовлении и используется во всех двигателях.
Тюльпанообразная форма (рис. 200, б) применялась широко для впускных клапанов быстроходных форсированных двигателей. Поскольку переход от стержня к головке выполнен по кривой большого радиуса, улучшается обтекание клапана газовым потоком при наполнении цилиндра и вследствие увеличения жесткости головки предотвращается коробление фаски при нагреве клапана. Для уменьшения массы клапана в головке со стороны цилиндра делали выемку.
Клапаны с выпуклой головкой (рис. 200, в, г) устанавливают в качестве выпускных клапанов в форсированных двигателях, I что обусловлено их хорошей обтекаемостью газами при выпу- ! ске из цилиндров. Стержень клапана должен иметь доста-, точные диаметр и длину для обеспечения отвода теплоты от головки и износостойкости, однако при чрезмерно большом диаметре стержня увеличивается масса клапана и ухудшается наполнение.
Сопряжение стержня клапана с тарелкой пружин должно быть надежным и незначительно уменьшать прочность стержня. Наиболее распространено сопряжение при помощи разрезных конических сухариков (рис. 201), соединяемых со стержнем одной или несколькими цилиндрическим (рис. 201, а, б) или конической (рис. 201, в) выточками. Последняя отличается на-1 именыпей концентрацией напряжений в стержне вследствие использования галтели большого радиуса и лучшей технологичностью.
В двигателях с непосредственным приводом клапанов от кулачков применяют резьбовое соединение, обеспечивающее регулирование зазора между клапаном и кулачком. Для этого в стержень 1 (рис. 202) на тугой резьбе ввертывают тарелку 3. Тарелка 2 пружин сопрягается со стержнем 1 мелкими шлицами (или более технологичными призматическими или профильными соединениями) по ходовой посадке, а торцовые
треугольные шлицы на тарелках 3 и 2 препятствует их взаимному угловому перемещению. Для установки зазора между тарелкой 2 клапана и кулачком необходимо сжать клапанные пружины для разъединения тарелок 3 и 2 и вращать тарелку 3.
В двигателях высокой удельной мощности естественный отвод теплоты от головки выпускных клапанов через фаску в седло и через стержень в направляющую втулку не обеспечивает приемлемой температуры головки. Поэтому применяют дополнительные меры для интенсификации охлаждения головки. Эффективным средством является использование натрия, имеющего низкую температуру плавления 97 °С при удельной теплоте плавления 13,3 кДж/кг и очень высокую скрытую удельную теплоту парообразования (4600 кДж/кг) при температуре кипения 880 °С и удельной массе 0,97 кг/дм3. Головка и стержень клапана (см. рис. 200) имеют внутреннюю полость большого объема, которая примерно на 60% заполняется натрием. Натрий при соприкосновении с раскаленной головкой расплавляется и частично испаряется, поглощая большое количество теплоты. Соприкасаясь со стенками стержня, имеющими относительно низкую температуру, натрий конденсируется, выделяя теплоту в стержень.
Надежная работа клапана в значительной мере зависит от качества обработки поверхностей: острые углы, риски и царапины не допускаются во избежание концентрации напряжений. На головке клапана со стороны цилиндра нежелательны какие-либо отверстия или пазы для притирочных приспособлений. Отсутствие скрытых дефектов в металле устанавливают магнитными, ультразвуковыми и рентгеновскими методами контроля.

1 2 3 4 5 6 7 8

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 



  Разработано специально для liciss.ru, все права защищены.
Копирование материалов сайта разрешается только с указанием прямой индексируемой ссылки на источник.