Клапанные пружины

АВТОР МАЙК МАВРИДЖИАН (MIKEMAVRIGIAN)

В данной статье мы попытаемся рассмотреть основные характеристики клапанных пружин, а именно их размеры, рекомендации по выбору, меры предосторожности при эксплуатации и так далее. Можно сказать, статья представляет собой обзор технологии применения клапанных пружин.

УСТАНОВОЧНАЯ ВЫСОТА, УСИЛИЕ НАЖАТИЯ ПРИ ПОЛНОМ ОТКРЫТИИ КЛАПАНА И ВЫСОТА СОПРИКОСНОВЕНИЯ ВИТКОВ

В данной статье мы попытаемся рассмотреть основные характеристики клапанных пружин, а именно их размеры, рекомендации по выбору, меры предосторожности при эксплуатации и так далее. Можно сказать, статья представляет собой обзор технологии применения клапанных пружин.

Установочная высота пружины клапана измеряется как расстояние от основания тарелки пружины клапана (в точке контакта верхней части наружной пружины с тарелкой) до опорной шайбы в головке цилиндра при закрытом клапане.

Установочная высота влияет на усилие нажатия пружины и является определяющим фактором для усилия прижатия клапана. В спецификациях на распределительный вал указывается рекомендуемое значение установочной высоты пружины для данного вида вала, а также рекомендованные к использованию производителем вала пружины. Например, если в спецификации указано, что клапанная пружина под определенным номером детали должна быть установлена с усилием 105 фунтов при высоте в 1,700 дюйма, это означает, что при установочной высоте данной пружины в 1,700 дюйма усилие нажатия составит 105 фунтов, когда клапан закрыт. Не следует полагаться на достоверность указанных данных. Всегда проверяйте значения при помощи стационарного устройства для испытания клапанных пружин.

Изменение установочной высоты приводит к изменению усилия нажатия пружины. Если вам требуется уменьшить установочную высоту, можно разместить прокладку (нужной толщины) под пружину или использовать тарелку пружины клапана иной конструкции с более плоской чашкой (использование тарелки пружины клапана с более глубокой чашкой увеличивает установочную высоту). Можно также использовать сухари клапана, предназначенные для регулировки положения тарелки пружины клапана по высоте. С уменьшением значения установочной высоты увеличивается усилие нажатия пружины. Это также приводит к сокращению хода пружины до соприкосновения витков. При увеличении установочной высоты усилие нажатия пружины снижается, но увеличивается ход пружины до соприкосновения витков.

Для клапанных пружин необходимо обеспечить достаточную длину хода (от установочной высоты при закрытом клапане до предела безопасности перед соприкосновением витков), соответствующую подъему клапана, определяемому рабочей высотой кулачка распредвала и соотношением плеч коромысла клапана. Предел безопасности (полный ход до соприкосновения витков) должен составлять не менее 0,060 дюйма.

Давление клапанной пружины при полном открытии клапана — это давление (в фунтах на кв. дюйм), воздействующее на тарелку пружины клапана при максимальном подъеме клапана. Давление должно быть достаточным для управления ускорением толкателя клапана при набегании кулачка распределительного вала и замедлением при спуске с кулачка (при смене хода клапана с открытия на закрытие). Если пружиной не обеспечивается достаточное давление, толкатель может «перескочить» кулачок распределительного вала (неполное закрытие клапанов), в результате чего толкатель перемещается на сторону кулачка закрытия клапана, что может привести к снижению срока службы кулачка распределительного вала и толкателя.

Усилие нажатия клапанной пружины при полном открытии клапана представляет собой функцию жесткости пружины, эффективного подъема клапана и усилия прижатия клапана. Превышение усилия нажатия при полном открытии пружины приводит к нагрузке на стержень толкателя и, как следствие, запаздыванию клапана. Для менее тяжелых клапанов требуется более низкое значение усилия пружины, что снижает риск изгиба стержня.

Соприкосновение витков клапанной пружины происходит при сжатии пружины до момента соприкосновения витков друг с другом. Высоту соприкосновения витков можно измерить путем установки тарелки пружины клапана поверх пружины и (осторожного) сжатия пружины до соприкосновения витков. Расстояние от основания тарелки пружины клапана до основания пружины является высотой пружины в сжатом до соприкосновения витков состоянии.

ОСНОВНАЯ СХЕМА ПРУЖИНЫ

Пример основной схемы пружины с соответствующими размерами, (изображение предоставлено PAC RacingSprings)

Пример основной схемы пружины с соответствующими размерами, (изображение предоставлено PAC RacingSprings)

Пример определения высоты соприкосновения витков. Установочная высота данной пружины составляет 1,950 дюйма. Вычтя значение общего подъема клапана (за вычетом клапанного зазора) в 0,785 дюйма, получим высоту соприкосновения витков в1,105 дюйма. Это дает нам безопасный зазор в 0,060 дюйма, который исключает соприкосновение витков (изображение предоставлено PAC RacingSprings)

Пример определения высоты соприкосновения витков. Установочная высота данной пружины составляет 1,950 дюйма. Вычтя значение общего подъема клапана (за вычетом клапанного зазора) в 0,785 дюйма, получим высоту соприкосновения витков в1,105 дюйма. Это дает нам безопасный зазор в 0,060 дюйма, который исключает соприкосновение витков (изображение предоставлено PAC RacingSprings)

Вычтем значение высоты соприкосновения витков из установочной высоты. В результате получим максимальный ход пружины. Стандартная рекомендация по обеспечению запаса безопасности — обеспечить ход сжатия пружины, как минимум на 0,060 дюйма превышающий значение полного подъема клапана. Соприкосновение витков приводит к жесткому упору при эксплуатации клапанного механизма, что означает, что рано или поздно какая-либо из деталей не выдержит, и это может привести, в частности, к деформации стержня, повреждению толкателя или кулачка, или поломке рычага клапана.

Использование стационарного устройства для испытания пружин — удобный способ определения зазора между витками. Установите исходное значение установочной высоты пружины.

Установите клапан в головку цилиндра (при этом не забудьте, что для каждого отдельного клапана следует определить отдельное положение в каждой из головок… так вы будете точно уверены в том, что после проведения измерений и установки зазоров каждый отдельный клапан идеально подойдет для установки в соответствующее положение. Не следует полагать, что клапаны можно менять местами). После установки клапана в соответствующее положение (на впуске или выпуске) и полной посадки клапана, установите сухари и тарелку пружины клапана. Зафиксируйте пружину тарелкой пружины клапана и измерьте расстояние от нижней поверхности основания тарелки пружины клапана (места соприкосновения пружины с тарелкой пружины клапана) до опорной шайбы пружины. При использовании закаленных опорных шайб пружин, не забудьте установить их для проведения данной проверки.

Снимите пружину с головки и установите на устройство для испытания. Сожмите до указанной выше высоты. На приборе для измерения усилия отобразится усилие прижатия клапана при установочной высоте.

Данный клапан выполнен с закругленной стопорной канавкой. На это необходимо обратить внимание. Для канавки такого типа подойдет только сухарь (замок) «валикового» типа.

Данный клапан выполнен с закругленной стопорной канавкой. На это необходимо обратить внимание. Для канавки такого типа подойдет только сухарь (замок) «валикового» типа.

Данный клапан выполнен с прямоугольной канавкой. К нему подойдет только сухарь с выступом прямоугольного сечения. Не следует считать, что ваши сухари (замки) безусловно подойдут для имеющихся клапанов. Установка неподходящих сухарей ведет к выходу из зацепления (соскакивают сухари и тарелки пружины клапана), в результате чего может возникнуть преждевременная и необратимая поломка клапана, в том числе, повреждение поршней.

Данный клапан выполнен с прямоугольной канавкой. К нему подойдет только сухарь с выступом прямоугольного сечения. Не следует считать, что ваши сухари (замки) безусловно подойдут для имеющихся клапанов. Установка неподходящих сухарей ведет к выходу из зацепления (соскакивают сухари и тарелки пружины клапана), в результате чего может возникнуть преждевременная и необратимая поломка клапана, в том числе, повреждение поршней.

Типичный сухарь клапана. С клапанами с закругленной канавкой используется только такой тип сухаря.

Типичный сухарь клапана. С клапанами с закругленной канавкой используется только такой тип сухаря.

Сухарь с выступом прямоугольного сечения. Как и в предыдущем случае, использование такого сухаря допустимо только с клапанами с прямоугольной канавкой. Это правило кажется элементарным, тем не менее при невнимательной сборке механизма клапана/пружины легко допустить ошибку.

Сухарь с выступом прямоугольного сечения. Как и в предыдущем случае, использование такого сухаря допустимо только с клапанами с прямоугольной канавкой. Это правило кажется элементарным, тем не менее при невнимательной сборке механизма клапана/пружины легко допустить ошибку.

Установите исходное максимальное (общее) значение подъема клапана исходя из соотношения хода распределительного вала и рычага клапана. Разница между двумя полученными измерениями соответствует имеющемуся запасу хода пружины. Например, если установочная высота клапанной пружины составляет 2,000 дюйма, а максимальный подъем клапана — 0,5000 дюйма, то высота пружины при открытии должна быть равна 1,500 дюйма.

Для предотвращения запаздывания клапанов по возвращении в соответствующие седла (закрытие клапанов) необходимо обеспечить достаточное усилие прижатия клапана.

Запаздывание клапанов приводит не только к снижению давления цилиндра (снижению мощности), но может также вызвать деформацию (сужение) головки клапана до такой степени, что головка может отломиться от штока. При использовании гидравлических толкателей пружины должны обеспечивать достаточное давление на толкатель клапана, чтобы сохранялось центральное положение плунжера толкателя при движении для предотвращения так называемой «накачки» толкателя. «Накачка» не дает клапану полностью сесть в седло, что снижает мощность и также может быть ошибочно принято за пропуск зажигания (в результате чего ошибочно полагается, что неисправность в системе зажигания или топливной системе).

Неоправданно высокое давление масла и/или превышение необходимого уровня вязкости масла может привести к «накачке» гидравлического толкателя.

При увеличении давления масла и/или вязкости необходимо также обеспечить повышение усилия пружины, чтобы обеспечить управление толкателем и предотвратить «накачку». Таким образом, если для двигателя полагается использовать, скажем, масло категории 10W-30, а вы переходите на масло 50W без присадок, то пользы двигателю это не принесет. Повышение вязкости масла не всегда к лучшему.

Расхожим заблуждением является мнение о том, что повышение усилия пружины сопровождается снижением мощности из-за увеличения сопротивления пружин. Нельзя забывать о том, что для при каждом открытии клапана и сжатии пружины другой клапан закрывается и его пружина разжимается. При этом сила этого разжатия обеспечивает возврат энергии к клапанному механизму и двигателю, следовательно, потеря мощности нулевая.

Это явление называют регенеративным свойством клапанного механизма. Одним словом, если вы сомневаетесь, лучше использовать пружину с несколько более высоким усилием прижатия клапана, чем слишком низким.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ КЛАПАННЫХ ПРУЖИН

Кулачки с плоскими толкателями для езды в условиях город и город/трасса:

Для двигателей типа «small block», как правило, требуется усилие прижатия клапана в диапазоне 105-125 фунтов.

Для двигателей типа «big block» (в связи с клапанами большего размера), как правило, требуется усилие прижатия клапана в диапазоне 115-130 фунтов.

Усилие нажатия при полном открытии для плоских толкателей не должно превышать 330 фунтов. Для двигателей со скоростью, достигающей до 4000 оборотов в минуту, усилие нажатия при полном открытии клапана должно составлять не менее 220 фунтов. Для двигателей с большей скоростью усилие нажатия при полном открытии клапана должно составлять не менее 260 фунтов при использовании полновесных клапанов (для облегченных клапанов требуется меньшее усилие нажатия при полном открытии клапана). Учтите, что усилие нажатия при полном открытии клапана в 280 фунтов или более может привести к высвобождению запрессованных в рычаге штифтов, поэтому при усилии, превышающем значение в 280 фунтов, следует использовать штифты с резьбовым креплением.

Для гидравлических роликовых толкателей требуются пружины с более высоким усилием прижатия клапана, чтобы обеспечить управление более тяжелыми роликовыми толкателями, а также контролировать более динамичный процесс открытия и закрытия, характерный для роликовых толкателей.

Для двигателей типа «smallblock», как правило, требуется усилие прижатия клапана в диапазоне 120-145 фунтов.

Для двигателей типа «big block», как правило, требуется усилие прижатия клапана в диапазоне 130-165 фунтов.

Для универсальных двигателей для езды в городских условиях требуется усилие нажатия при полном открытии клапана не менее 260 фунтов при эксплуатации на скорости до 4000 об/мин. Для нормальных двигателей типа «smallblock» с гидравлическими роликовыми толкателями (с умеренными эксплуатационными показателями) предпочтительно использовать усилие нажатия при полном открытии клапана в диапазоне 300-360 фунтов. Для двигателей типа «smallblock» с повышенными эксплуатационными показателями допускается использовать значения усилия нажатия при полном открытии клапана до 400-435 фунтов с сохранением надлежащего срока службы клапанного механизма.

Для универсальных двигателей типа «big block» с роликовыми толкателями для езды в городских условиях требуется усилие нажатия при полном открытии клапана не менее 280 фунтов при скорости двигателя до 4000 об/мин.

При эксплуатации двигателей типа «big block» с роликовыми толкателями с «умеренными» показателями требуется усилие нажатия при полном открытии клапана в диапазоне 325-375 фунтов. При эксплуатации двигателей типа «big block» с роликовыми толкателями с супер-высокими показателями допускается использовать пружины с усилием в районе 450 фунтов (повторимся, значения приводятся с учетом сохранения приемлемого срока службы/надежности клапанного механизма).

Усилие нажатия при полном открытии клапана свыше 360 фунтов по сути следует использовать для цельнолитых роликовых толкателей (не для чугунных роликовых толкателей, поставляемых производителем).

Цельные роликовые толкатели, как правило, применяют для использования в условиях гоночных трасс или в «тяжелых» условиях город/трасса. Исполнение роликовых толкателей цельными предусматривает более динамичный процесс открытия и закрытия, в связи с чем во избежание запаздывания клапана требуется высокое усилие прижатия клапана. Высокопрочные цельные толкатели необходимы для обеспечения долговечности.

Как правило, усилие прижатия клапана (закрытия) в диапазоне 180-200 фунтов требуется для двигателей с умеренными эксплуатационными показателями, а для деталей высококлассных гоночных автомобилей, например, ProStock, и двигателей с турбонаддувом, по большей части используется усилие 340-370 фунтов.

Усилие нажатия при полном открытии клапана для использования в условиях город/трасса находится в диапазоне 350-450 фунтов. Для кольцевых трасс и гонках на максимальное ускорение используется, как правило, усилие в диапазоне 450-600 фунтов.

Если вы используете алюминиевые головки цилиндра, необходимы опорные шайбы пружин из закаленной стали. Это предотвращает врезание клапанных пружин в более мягкий алюминий. Такие опорные шайбы пружин доступны во множестве исполнений, включая конструкции с центрированием на направляющей втулке клапана. Внешний край опорной шайбы может иметь приподнятую кромку. Во избежание внецентрового перемещения пружин необходимо зафиксировать пружину в основании. Если головка цилиндра имеет плоский участок без углубления под шайбу пружины в форме чашки, опорные шайбы пружин должны быть с приподнятой кромкой, чем обеспечивается захват пружин. Существуют стальные опорные шайбы пружин различной толщины для различных требований по установочной высоте пружины. Посадка пружина должна быть плотной во избежание перемещения пружины.

Если вы используете алюминиевые головки цилиндра, необходимы опорные шайбы пружин из закаленной стали. Это предотвращает врезание клапанных пружин в более мягкий алюминий. Такие опорные шайбы пружин доступны во множестве исполнений, включая конструкции с центрированием на направляющей втулке клапана. Внешний край опорной шайбы может иметь приподнятую кромку. Во избежание внецентрового перемещения пружин необходимо зафиксировать пружину в основании. Если головка цилиндра имеет плоский участок без углубления под шайбу пружины в форме чашки, опорные шайбы пружин должны быть с приподнятой кромкой, чем обеспечивается захват пружин. Существуют стальные опорные шайбы пружин различной толщины для различных требований по установочной высоте пружины. Посадка пружина должна быть плотной во избежание перемещения пружины.

Для двигателей предельно высокой мощности для использования при действительно серьезных нагрузках в условиях повышения ускорения и гонок на кольцевых шорт-треках может потребоваться значение 600 или более фунтов (усилие нажатия при полном открытии клапана может достигать до 900 фунтов в зависимости от условий использования). Повторимся, всегда необходимо обращать внимание на спецификации пружин, рекомендуемые изготовителем валов. Если вы сомневаетесь, лучше несколько превысить значение, чем использовать слишком низкое. В двигателях с максимальной выходной мощностью может быть целесообразно использовать пружины различной жесткости на впуске и выпуске, поскольку впускные клапаны больше размером и могут иметь более высокую массу, а также вследствие более высокого давления в цилиндре в момент открытия впускного клапана, на впускные клапана рекомендуется устанавливать пружины с более высокой жесткостью.

ВВОД ПРУЖИН В ЭКСПЛУАТАЦИЮ

Перед проведением измерений и установкой пружин рекомендуется сжать пружины на устройстве для сжатия/измерения клапанных пружин до высоты соприкосновения витков три или четыре раза. Это поможет высвободить аккумулированную нагрузку/энергию и «стабилизировать» пружины для обеспечения большей точности измерений. Для этой цели следует использовать высококачественное устройство для сжатия клапанных пружин.

КОНИЧЕСКИЕ ПРУЖИНЫ

Не прекращаются дискуссии в отношении конических пружин (зачастую называемых «ульевыми» или конусными). Конические пружины характеризуются уменьшением радиуса (диаметр пружины сужается от основания к верхней части). К теоретическим преимуществам конических пружин относится возможность использования тарелок пружины клапана меньшего размера для снижения массы, улучшения гармонических колебаний, что обеспечивает снижение износа, нагрева и трения, а также увеличение зазора/снижение соприкосновения витков на распределительных валах с большим подъемом. Обсуждения продолжаются, причем одни изготовители предпочитают эту конструкцию, тогда как другие отдают предпочтение традиционным цилиндрическим пружинам с возможностью использования в сдвоенных или строенных конструкциях по сравнению с одновитковыми пружинами.

ОПОРНЫЕ ШАЙБЫ КЛАПАННЫХ ПРУЖИН

Для алюминиевых головок цилиндра под пружинами требуется устанавливать опорные шайбы из закаленной стали, чтобы предотвратить врезание пружин в алюминий тела головки цилиндров.

Стальные тарелки пружин выполняют и другую функцию: сохранение центрального положения пружины и предотвращение ее смещения, которое может привести к чрезмерному отклонению штока клапана. Чрезмерное смещение пружины со временем приводит к износу направляющей втулки клапана и уплотнения клапана.

Существует два основных типа опорных шайб пружин: шайбы чашеобразной формы и центрирующие шайбы. Шайбы в форме чашки имеют приподнятую кромку по наружному диаметру для обеспечения захвата наружного диаметра наружной пружины. Центрирующие шайбы имеют выступ в центре для обеспечения фиксации внутреннего диаметра внутренней пружины. При использовании шайб в форме чашек следует измерить диаметр приподнятой кромки и убедиться, что он соответствует наружному диаметру наружной пружины. При использовании центрирующих шайб необходимо измерить наружный диаметр выступа и внутренний диаметр внутренней пружины. В обоих случаях диаметры должны обеспечивать плотную посадку. Следует учесть максимальный зазор в 0,050 дюйма (например, в случае с центрирующей шайбой, внутренний диаметр внутренней пружины на 0,050 дюйма превышает наружный диаметр выступа).

9

При использовании алюминиевых головок цилиндра потребуются опорные шайбы из закаленной стали, чтобы предотвратить врезание пружин в алюминий. Кроме того, опорная шайба должна обеспечивать фиксацию пружины и предотвращать тем самым ее внецентровое смещение. Существуют шайбы в форме чашки и центрирующие шайбы. Шайбы в форме чашки имеют приподнятую кромку по наружному диаметру для обеспечения захвата наружного диаметра наружной пружины. Центрирующие шайбы имеют выступ в центре для обеспечения фиксации внутреннего диаметра внутренней пружины. Центрирующая шайба/опорная шайба пружины имеет выступ по центру. Он обеспечивает посадку опорной шайбы на направляющую втулку, а также является центрирующим элементом для внутренней клапанной пружины. Измерьте диаметр выступа и убедитесь, что он соответствует внутреннему диаметру внутренней пружины. Допускается плотная посадка пружины, при этом должно обеспечиваться центрирование пружины во избежание чрезмерного смещения пружины. Внутренний диаметр внутренней пружины должен быть таким, чтобы обеспечивалась плотное прилегание к наружному диаметру выступа центрирующей шайбы. Следует учесть максимальный зазор в 0,050 дюйма (внутренний диаметр внутренней пружины на 0,050 дюйма превышает наружный диаметр выступа). Чрезмерное смещение пружины со временем приводит к износу направляющей втулки и сальника.

10

Тарелки пружины клапана изготавливаются как из закаленной стали, так и из титана. С учетом стоимости легких титановых тарелок пружин, их использование в городских условиях не оправдывает себя, однако, они могут предоставить преимущество при использовании в гоночных автомобилях, поскольку снижают массу клапанного механизма.

ОБСЛУЖИВАНИЕ ПРУЖИН И МЕРЫ ПРЕДОСТОРОЖНОСТИ

При работе с пружинами ни в коем случае нельзя использовать твердые и острые инструменты любого вида. Например, при отделении сдвоенных или строенных пружин никогда не следует использовать инструменты типа отвертки, которые могут оставить засечки на пружинах. Засечки и выемки могут привести к возникновению отдельных мест концентрации напряжений. Не зажимайте пружину в тиски и не используйте при работе с ней прижимные клещи.

Клапанные пружины поставляются с нанесенным на них покрытием с ингибитором коррозии, которое должно оставаться на пружинах в течение всего срока работы и установки. Не счищайте это покрытие растворителями. Это может привести к осушению поверхностей и вызвать коррозию, в результате чего возможна поломка пружины. Рекомендуется наносить на пружины смазку низкой вязкости во время или после сборки. На пружинах всегда должен быть тонкий слой покрытия.

ТАРЕЛКИ ПРУЖИН КЛАПАНОВ И СУХАРИ КЛАПАНОВ

Всегда проверяйте конструкцию на предмет соприкосновения тарелки пружины и направляющей втулки клапана, особенно после перехода на использование распределительного вала с увеличенной высотой кулачков. Крайне важно исключить касание основания тарелки пружины клапана и верхней части направляющей втулки или уплотнения клапана при полном открытии клапана. Проще всего для этого установить контрольные пружины малой жесткости (во избежание ненужной компенсации силы сжатия «действующих» пружин. Во время тестовой установки (при этом вал, клапаны, стержни толкателя и рычаги должны быть установлены), поворачивая вал, проверьте зазор между тарелкой пружины клапана и уплотнением клапана в каждом положении клапана.

При максимальном подъеме зазор должен составлять не менее 0,050-0,060 дюйма.

Примечание: Если планируется использовать гидравлические толкатели, показания, снятые, когда толкатели не под давлением, могут быть неверными, поэтому рекомендуется заменить их на жесткие толкатели (той же длины, что и используемые гидравлические) в целях проведения проверки (движение плунжера гидравлического толкателя не позволит получить достоверные данные о максимальной высоте подъема кулачка).

Обратите внимание на форму стопорной канавки клапана. Большинство клапанов имеют «прямоугольную» канавку, для которой требуются сухари (замки) с выступами прямоугольного сечения на внутреннем диаметре сухарей. Тем не менее, отдельные виды высококачественных клапанов имеют конструкцию с закругленной канавкой «под валик» на штоке клапана, для которого требуется сухарь с валиковым выступом. При несоблюдении этого правила (креплении сухарей с выступом прямоугольного сечения на клапанах с валиковой канавкой или сухарей с валиковым выступом на клапанах с канавкой прямоугольного сечения) тарелки пружины клапана соскочат, что приведет к выпадению клапанов в цилиндр (а это имеет негативные последствия).

11

При покупке тарелок пружин клапанов убедитесь, что их внутренний диаметр соответствует среднему наружному диаметру сухарей клапанов. Если угол сухарей клапанов составляет 7 градусов, следует использовать тарелки пружин клапанов с углом в 7 градусов. Если угол сухарей клапанов 10 градусов, следует использовать тарелки пружин клапанов с углом в 10 градусов и т. д. При расхождении углов сухаря клапана и тарелки пружины клапана могут возникнуть проблемы.

По сравнению с традиционной канавкой прямоугольного сечения, использование конструкции с одной закругленной канавкой позволяет свести нагрузки на клапан к минимуму. Система, характеризующаяся минимальной нагрузкой — это конструкция соединения c небольшой закругленной канавкой в его верхней части, при этом угол сухаря клапана несколько меньше угла тарелки пружины клапана, благодаря чему клапан удерживается силой зажима, действующей сильнее в нижней части соединения сухаря клапана с клапаном.

Закругленные канавки предназначены для использования в более тяжелых условиях или при повышенных нагрузках, поскольку они позволяют решить проблему зон концентрации напряжений в связи с малым радиусом внутреннего угла соединения с прямоугольной канавкой. При применении на гонках высокого класса конструкция с одной закругленной канавкой является предпочтительной вне зависимости от материалов клапанов, тарелок пружин и сухарей клапанов, поскольку такая конструкция обеспечивает захват и фиксацию штока клапана сухарями. Хотя многие двигатели от OEM-производителей оснащены стальными сухарями клапанов и клапанами с несколькими канавками, что делает возможным вращение клапана в сухарях клапана, такая система допустима только для использования в городских условиях и на гонках низкого класса, тогда как при использовании на серьезных гонках она может привести к перенапряжению.

12

При выборе опорных шайб/центрирующих шайб обращайте внимание на диаметры клапанных пружин, это позволит подобрать нужный размер центрирующей шайбы или шайбы в форме чашки (в зависимости от того, выполняется центрование пружины по наружному диаметру наружной пружины или внутреннему диаметру внутренней пружины). В соответствии с наличием различных размеров/конструкций для применения в конкретных целях вам понадобятся либо шайбы в форме чашки, либо центрирующие шайбы.

Кроме того, тарелки пружин клапанов и сухари клапанов подвергаются механической обработке для обеспечения соответствия градуса углов наружной поверхности сухарей клапанов и поверхности отверстия тарелки пружины клапана. Эти углы должны совпадать (сухари клапанов с углом в 7 градусов с тарелками пружин клапанов с углом в 7 градусов, сухари клапанов с углом в 10 градусов с тарелками пружин клапанов с углом в 10 градусов и т. д.).

Спорить о преимуществах моделей с разными углами можно бесконечно, однако главное — не забывать, что углы сборок должны соответствовать. Если вы покупаете тарелки пружин клапанов с углом в 7 градусов, следует использовать сухари клапанов с углом в 7 градусов и т. д.

Кроме того, закупать тарелки пружин клапанов и сухари клапанов следует всегда у одного и того же изготовителя. Несмотря на то, что в документации на тарелки пружин и сухари клапанов указывается угол в 7 или 10 градусов (или любой иной угол), углы деталей различных изготовителей могут несколько различаться.

В показанной на рисунке трехпружинной конструкции внутренний диаметр внутренней пружины составляет 0,640 дюйма, для него требуется центрирующая шайба с выступом такого диаметра, чтобы он входил во внутренний диаметр пружины с зазором и при этом обеспечивал надежную центровку пружины. В представленном примере можно использовать центрирующую шайбу с наружным диаметром выступа в 0,590 дюйма, обеспечивающие зазор в 0,050 дюйма.

В показанной на рисунке трехпружинной конструкции внутренний диаметр внутренней пружины составляет 0,640 дюйма, для него требуется центрирующая шайба с выступом такого диаметра, чтобы он входил во внутренний диаметр пружины с зазором и при этом обеспечивал надежную центровку пружины. В представленном примере можно использовать центрирующую шайбу с наружным диаметром выступа в 0,590 дюйма, обеспечивающие зазор в 0,050 дюйма.

С помощью устройства для испытания клапанных пружин сожмите клапанную пружину до рекомендованной установочной высоты и зафиксируйте усилие прижатия клапана в данном состоянии

14

Перед использованием или установкой нового набора пружин следует провести простую процедуру ввода в эксплуатацию путем сжатия каждой пружины 3-4 раза на устройстве для испытания пружин.

15

16Ульевые/конические пружины имеют «конусообразный» профиль, при этом диаметр витков сужается к верхней части пружин. Ульевые пружины (они так названы потому что формой напоминают улей) часто используются в двигателях типа GM LS, а также изготавливаются в исполнении с высокими эксплуатационными характеристиками отдельными изготовителями высококлассных клапанных пружин. Теоретическое преимущество данной конструкции заключается в снижении гармонических колебаний и повышении стабильности клапанного механизма. Кроме того, поскольку верхние витки меньше, используется тарелка пружины клапана меньшего размера (а, следовательно, и меньшей массы), что снижает массу клапанного механизма на высокоскоростной стороне.

Если вы покупаете тарелки пружин клапанов фирмы Crane, покупайте и сухари клапанов той же фирмы. Если вы покупаете тарелки пружин клапанов Comp cams, покупайте и сухари клапанов Comp Cams и т. д. Детали от разных изготовителей не всегда подходят друг к другу.

Комплекты тарелок пружин клапанов и сухарей клапанов поставляются в трех различных исполнениях: поворотные, зажимные и полузажимные. Производители по большей части используют поворотные модели, которые обеспечивают возможность вращения клапанов при работе двигателя. Постоянно меняющееся положение клапана приводит к тому, что контакт с седлом клапана происходит в различных местах в случайном порядке, что продлевает срок службы клапанов и седел клапанов. Однако, для систем, предназначенных для использования в условиях высоких нагрузок и на гонках, данное решение не подходит, поскольку вращение клапанов ухудшает оптимальное уплотнение (заданное при изготовлении). Зажимные конструкции обеспечивают фиксацию клапанов (благодаря неподвижной посадке) и предотвращают их вращение. Полузажимные модели надежно удерживают клапаны в соответствующем положении, но при этом допускают незначительное вращение. В системах, предназначенных для использования на гонках с предельными нагрузками или в других условиях, требующих высоких скоростей, лучше всего фиксировать клапаны при помощи зажимных конструкций тарелок пружин клапанов/сухарей клапанов.

СНИЖЕНИЕ МАССЫ КЛАПАНА

Самым важным аспектом является снижение массы клапана. Чем легче клапан, тем устойчивее система клапанного механизма относительно движущихся масс. Помимо этого, при уменьшении массы клапана можно снизить усилие пружины, необходимое для того, чтобы регулировать движение данного клапана и/или перейти на модернизированную конструкцию распределительного вала для повышения мощности.

ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ

Специальные покрытия внутренних компонентов двигателя используются в сфере профессиональных гонок на протяжении десятилетий. Эти покрытия непрерывно совершенствовались и на сегодняшний день обеспечивают такие преимущества, как повышение мощности и продление срока службы двигателя.

Антифрикционные покрытия (которые зачастую применяются на современном рынке для таких компонентов, как подшипники и юбки поршней) не только обеспечивают снижение коэффициента трения (при физическом соприкосновении движущихся поверхностей), но и способствует удержанию масляного покрытия между подвижными деталями, что как раз и необходимо для клапанных пружин.

Кроме того, существуют тепловыделяющие покрытия специального состава, способствующие выделению тепла. К их области использования относится обработка клапанных пружин для продления срока службы пружин.

17

Некоторые изготовители двигателей предпочитают конические пружины, тогда как другие — нет. Все сводится к предпочтениям изготовителя. Тот факт, что они позволяют использовать тарелки пружин клапанов меньшего размера и тем самым снизить массу, определенно является преимуществом.

Функция тепловыделяющих покрытий вытекает из названия… такие покрытия способствуют выделению тепла от компонента, на который нанесено покрытие, что дает явные преимущества. В частности, покрытия применяются для клапанных пружин (быстрая отдача тепла = более длительный срок службы и сохранения эксплуатационных характеристик пружин). Действие тепловыделяющих покрытий противопоставлено действию термобарьерных покрытий. Тепловыделяющие покрытия характеризуются высокой теплопроводностью, способствуют отдаче, излучению тепла от детали. Технически, данное свойство называется высокой «излучательной способностью». Данное покрытие, как правило, используется для клапанных пружин в целях предотвращения износа, вызванного теплопоглощением.

К поставщикам покрытий данного типа для различных условий применения относятся SwainTechCoatings, Polydyn, Calico и другие.

СНЯТИЕ НАПРЯЖЕНИЙ

Хотя изготовители высокоэффективных клапанных пружин отлично подготавливают свою продукцию для использования в условиях с высокими эксплуатационными характеристиками и на соревнованиях, отдельные производители рекомендуют дополнительную обработку для обеспечения большей устойчивости и продления срока службы пружин. К методам такой обработки относятся воздействие низких температур и снятие остаточных напряжений виброобработкой.

В процессе низкотемпературной заморозки изменяется структура обрабатываемого материала. В составе материала могут присутствовать ослабленные участки потенциально хрупких отложений, называемые «аустенитами». Именно эти дефекты создают условия для потенциального растрескивания. Низкотемпературная заморозка изменяет эти участки, превращая их в более прочные и однородные «мартенситы». Этот процесс также вызывает значительное распределение мелких карбидных частиц по всему составу металла. Теоретически, в результате повышается прочность и однородность структуры. Данный процесс предназначен для создания более плотной молекулярной структуры и обеспечивает увеличение поверхности контакта, снижает трение, нагрев и износ. Хотя описанный процесс приводит к некоторому повышению твердости по шкале Роквелла, он не относится к руководящим рекомендациям. Низкотемпературная обработка отчасти приносит положительный результат благодаря стабилизации структуры метала, созданию более однородной молекулярной «зернистой» структуры металла.

18

Устройство для проверки высоты клапана (микрометр) используется для определения точной высоты установки клапана и ее сопоставления с требуемой установочной высотой пружины. После установки стальной опорной шайбы пружины в надлежащее положение микрометр опускают на шток клапана и устанавливают тарелку пружины клапана и сухари для закрепления клапана. Проверочный микрометр устанавливают на полную высоту (без свободного хода) и фиксируют показания высоты. Для регулировки высоты пружины можно использовать дополнительные прокладки

Снятие остаточных напряжений виброобработкой предусматривает воздействие субгармонических колебаний для стабилизации металла посредством создания серии контролируемых вибраций металлических компонентов, что является безопасным, эффективным и неразрушающим методом снятия напряжений. В конечном итоге продлевается срок службы и повышается устойчивость компонента.

BonalTechnologies (по моим данным, единственная компания, поставляющая оборудование для данной технологии) проектирует и полностью изготавливает систему для субгармонического снятия напряжений.

19

Для измерений целесообразно использовать легкие контрольные пружины, чтобы избежать излишнего давления рабочих клапанных пружин при проверке высоты, определения угла поворота вала и т. д. Обратите внимание, что головки цилиндров (например, головки DartBigChief II) оснащены фрезерованными гнездами клапанных пружин. В данном случае используется стальная опорная шайба в форме чашки, при этом обеспечивается фиксация приподнятой наружной кромки шайбы в фрезерованном углублении в головке цилиндров.

В металлической детали могут возникать напряжения двух видов: механические и термические. «Снятие остаточных напряжений субгармонической виброобработкой» (метод VSR), по официальным данным, является методикой релаксации металла (отсюда название «Meta-Lax»), но только в отношении термического напряжения металлической детали, без воздействия на механические напряжения.

Виброобработка детали служит для снятия любых напряжений, возникающих в связи с нагреванием при сварке, отливке, механической обработке или ковке, но не изменяет прочностные характеристики металла. Метод VSR не генерирует тепло и не воздействует на твердость детали. В результате чего неоднократное использование метода VSR не представляет опасности.

Допустим, мы имеем деталь с номинальным показателем прочности в 50 000 фунтов на кв. дюйм, в связи с возможностью наличия внутренних термических напряжений, фактическая прочность детали может быть ниже на (например) 20%. Если деталь подвергается термической обработки для снятия напряжений в печи, внутреннее напряжение будет снято, однако теперь прочность детали может достигать только, скажем, 45 000 фунтов на кв. дюйм вследствие «размягчения» под воздействием тепла. В отличие от этого способа, метод VSR позволяет снять внутренние напряжения и одновременно в полной мере сохранить прочность металла в 50 000 фунтов на кв. дюйм.

В процессе виброобработки путем воздействия на рабочую деталь вибраций устанавливается пиковое значение гармонических колебаний для этой детали (пиковое значение соответствует состоянию, при котором деталь создает максимальное гармоническое возмущение, точно так же, как вилочный камертон вибрирует при воздействии силы или как удочка вибрирует при наличии динамической силы).

По мере поступления сигналов гармонического возмущения от рабочей детали они перенаправляются к регулятору системы (через преобразователь). Затем возбудитель силы автоматически регулируется и создает вибрацию в диапазоне частот с началом непосредственно перед пиковым значением. Зона образования энергии в основании пика соответствует зоне максимальной энергии демпфирования. Воздействие полученных отрегулированных или «настроенных» вибраций на рабочую деталь служит для снятия напряжения.

20

На рисунке показано несколько комплектов клапанных пружин, укрепленных на установке для снятия остаточных напряжений виброобработкой. Преобразователь подает ультразвуковые вибросигналы на установку и пружины. Частоты фиксируются и отсылаются обратно к компьютеру через ретранслятор по закрытой цепи, благодаря чему компьютер в системе контролирует и регулирует входящие вибросигналы. Снятие остаточных напряжений виброобработкой представляет собой абсолютно неразрушающий процесс, безопасный для всех компонентов двигателя

Пиковое значение гармонических колебаний устанавливается для того, чтобы определить место нахождения субгармонической зоны данного компонента. Вибрация с соответствующей частотой воздействует на деталь до ее стабилизации. Это все равно как если бы деталь могла сообщить, что до определенного момента она может демпфировать колебания самостоятельно, а после этого момента — нет. Данные процесс позволяет переместить пиковое значение гармонических колебаний в его естественное положение, от искусственно созданной частоты до частоты отсутствия напряжений.

В традиционной методике при нахождении пика гармонических колебаний для демпфирования вибрации увеличивается вес. В методе VSR же метал подвергается релаксации с целью изменения возникающих гармонических колебаний. Компонент двигателя с напряжением можно представить себе в виде ненастроенного музыкального инструмента. Метод VSR выполняет его настройку.

По существу, снятие остаточных напряжений субгармонической виброобработкой служит для «выдержки» детали, только в ускоренном порядке.

Все четыре метода снятия напряжений, включая термообработку, низкотемпературную заморозку, снятие напряжений воздействием вибрации и естественную выдержку, используются для решения проблемы термического напряжения. Метод VSR имеет теоретическое преимущество просто потому, что он быстрее и не воздействует на механическое напряжение.

В состав системы входит возбудитель силы (это элемент, прикрепляемый к рабочей детали и вызывающий вибрацию), преобразователь (он направляет сигнал обратной связи от рабочей детали на контролирующий компьютер) и прибор панели управления (компьютер).

Целью методики является воздействие заданными вибрационными силами на детали двигателя. Весь комплект клапанных пружин можно закрепить на рабочей поверхности установки, расположив поверх пружин плоскую стальную заготовку, прикрепленную к рабочей поверхности.

21Майк Мавриджиан написал несколько тысяч технических статей для различных изданий автомобильной тематики на протяжении последних 30 лет. Он также является автором множества книг, изданных HP Books.
Контактные данные: BirchwoodAutomotiveGroup, Крестон, штат Огайо, тел.: (330) 435-6347, email: mike@birchwoodautomotive.com, веб-сайт: www.birchwoodautomotive.com.

Источник

Комментирование закрыто.