Эволюция ГРМ: шестерни, цепь и ремень
Любите спорить на автомобильную тему и рассуждать, что лучше — ремень или цепь? Ничто так не придает спорщику значимости, как знание истории развития механизмов! Мы расскажем вам о том, как появились и ушли в небытие разные приводы ГРМ.Два слова о ГРМ
Клапанный механизм газораспределения, сокращенно ГРМ, — это то, без чего четырехтактный двигатель существовать в принципе не может. Он открывает впускные клапана, впуская воздух или горючую смесь в цилиндры на такте впуска, открывает выпускные на такте выпуска и надежно запирает горящую в цилиндре смесь во время рабочего хода. От того, насколько хорошо он обеспечивает «дыхание» мотора — подачу воздуха и выпуск отработавших газов — зависит и мощность, и экологичность мотора.
Клапаны открывают и закрывают своими кулачками распределительные валы, а крутящий момент на них передается с коленвала, в чем, собственно, и состоит задача привода ГРМ. Сегодня для этого используют цепь или ремень. Но так было не всегда…
Старый добрый нижний распредвал
В начале ХХ века проблем с приводами распредвала не было — его раскручивали обычные шестерни, а к клапанам от него шли штанги толкателей. Клапаны располагались тогда сбоку, в «кармане» камеры сгорания, прямо над распределительным валом, и открывались-закрывались штангами. Потом клапаны стали ставить один напротив другого, чтобы уменьшить объем и площадь поверхности этого «кармана» — в результате неоптимальной формы камеры сгорания моторы имели повышенную склонность к детонации и плохой термический КПД: много тепла уходило в стенки головки блока цилиндров. И наконец, клапаны перенесли в область прямо над поршнем, и камера сгорания стала совсем небольшой и почти правильной формы.
Расположение клапанов сверху камеры сгорания и привод клапанов более длинными толкателями (так называемая схема OHV), предложенные еще в начале ХХ века Дэвидом Бьюиком, оказались самыми удобными. Такая схема вытеснила варианты моторов с боковыми клапанами в гоночных конструкциях уже к 1920 году. Например, именно она применяется в знаменитых двигателях Chrysler Hemi и моторах Corvette и в наше время. А моторы с боковыми клапанами могут помнить водители ГАЗ-52 или ГАЗ-М-20 «Победа», где данная схема применялась в двигателях.
И ведь так удобно все это было! Конструкция очень проста. Распредвал, оставаясь внизу, находится в блоке цилиндров, где прекрасно смазывается разбрызгиванием масла! Даже штанги и кулачки рокеров с регулировочными шайбами можно оставить снаружи при необходимости. Но прогресс не стоял на месте.
Почему отказались от штанг?
Проблема — в лишнем весе. В 30-е годы скорость вращения гоночных моторов на земле и авиационных моторов на самолетах достигла величин, при которых появилась необходимость облегчить механизм газораспределения. Ведь каждый грамм массы клапана вынуждает увеличивать и силу пружин, которые его закрывают, и прочность толкателей, через которые распредвал жмет на клапан, в результате потери на привод ГРМ быстро возрастают при увеличении оборотов мотора.
Выход был найден в переносе распределительного вала наверх, в головку блока цилиндров, что позволило отказаться от простой, но тяжелой системы с толкателями и значительно уменьшить инерционные потери. Поднялись рабочие обороты мотора, а значит, увеличилась и мощность. Например, Роберт Пежо создал в 1912 году гоночный двигатель с четырьмя клапанами на цилиндр и двумя верхними распредвалами. С переносом распределительных валов наверх, в головку блока, возникала и проблема их привода.
Первым решением было ввести промежуточные шестерни. Существовал, скажем, вариант с приводом дополнительным валом с коническими шестернями, как, например, на всем танкистам знакомом двигателе В2 и его производных. Такая схема применялась и на уже упомянутом моторе Peugeot, авиамоторах Curtiss К12 образца 1916 года и Hispano-Suiza 1915 года.
Еще одним вариантом стала установка нескольких цилиндрических шестерен, например в двигателях болидов Формулы-1 периода 60-х годов. Удивительно, но «многошестеренная» технология находила применение и совсем недавно. Например, на нескольких модификациях дизельных 2.5-литровых моторов Volkswagen, ставившихся на Transporter T5 и Touareg — AXD, AXE и BLJ.
Почему пришла цепь?
У шестеренчатого привода было много «врожденных» проблем, главная из которых — шумность. Помимо того, шестерни требовали точной установки валов, расчета зазоров и взаимной твердости материалов, а также — муфт гашения крутильных колебаний. В общем, конструкция при кажущейся простоте была мудреной, а шестерни — отнюдь не «вечными». Нужно было что-то другое.
Когда впервые применили цепь для привода ГРМ, точно неизвестно. Но одной из первых массовых конструкций был двигатель мотоцикла AJS 350 с цепным приводом в 1927 году. Конструкция оказалась удачной: цепь не только была тише и проще в устройстве, чем система валов, но и снижала передачу вредных крутильных колебаний за счет работы своей системы натяжения.
Как ни странно, цепь не нашла применения в авиационных моторах, и в автомобильных появилась значительно позже. Сначала она появилась в приводе нижнего распредвала вместо громоздких шестерен, но постепенно стала набирать популярность и в приводах с верхними распредвалами, однако особенно стала актуальна, когда появились моторы с двумя распредвалами. Например, цепью приводился ГРМ в двигателе Ferrari 166 1948 года и в поздних версиях мотора Ferrari 250, хотя ранние варианты его имели привод коническими шестернями.
В массовых моторах нужды в цепном приводе долго не возникало — до 80-х годов. Маломощные двигатели выпускались с нижним распредвалом, и это не только «Волги», но и Skoda Felicia, Ford Escort 1.3 и множество американских машин — на V-образных моторах штанги-толкатели стояли до последнего. А вот на высокофорсированных моторах европейских производителей цепи появились уже в 50-е годы и до конца 80-х оставались преобладающим типом привода ГРМ.
Как появился ремень?
Примерно тогда же у цепи появился опасный конкурент. Именно в 60-е развитие технологий позволило создать достаточно надежные зубчатые ремни. Хотя вообще-то ременная передача — одна из старейших, она использовалась для привода механизмов еще в античности. Развитие станочного парка с групповым приводом механизмов от паровой машины или водяного колеса обеспечило развитие технологий производства ремней. Из кожаных они стали текстильными и металлокордными, с применением нейлона и других синтетических материалов.
Первый случай использования ремня в приводе ГРМ относят к 1954 году, когда в гонках SCCA победил Devin Sports Car конструкции Билла Девина. Его мотор, согласно описанию, имел верхний распредвал и привод зубчатым ремнем. Первой же серийной машиной с ремнем в приводе ГРМ считается модель Glas 1004 1962 года небольшой немецкой компании, позднее поглощенной BMW.
В 1966 году, Opel/Vauxhall начал производство массовых моторов серии Slant Four с ремнем в приводе ГРМ. В том же году, несколько позже, появились моторы Pontiac OHC Six и Fiat Twincam, тоже с ремнем. Технология стала по-настоящему массовой.
Причем мотор от Fiat чуть было не попал на наши» Жигули»! Рассматривался вариант его установки вместо нижневального мотора Fiat-124 на будущий ВАЗ 2101. Но, как известно, старый мотор просто переделали под верхние клапаны, а в качестве привода поставили цепь.
Как видно, сначала ремень использовался исключительно на недорогих моторах. Ведь его основными преимуществами была низкая цена и малая шумность привода, что актуально для небольших машин, не обремененных шумоизоляцией. Но его нужно было регулярно менять и следить, чтобы на него не попадали агрессивные жидкости и масло, причем интервал замены уже тогда был немаленьким и составлял 50 тысяч километров.
И все же славу не слишком надежного способа привода ГРМ он получить успел. Ведь достаточно было погнуться одной шпильке или выйти из строя одному ролику, как его ресурс снижался в разы.
Серьезно снижало ресурс и замасливание — тут не всегда помогал даже герметичный кожух, ведь моторы тех лет имели весьма примитивную систему вентиляции картерных газов и масло все равно попадало на ремень.
Впрочем, все нюансы применения некачественных ремней ГРМ у нас знакомы владельцам переднеприводных ВАЗ. Мотор 2108 разрабатывался как раз в 80-е, на пике увлечения ремнями. Тогда их стали ставить даже на большие моторы вроде ниссановского RB26, и надежность лучших образцов была на уровне. С тех пор споры о том, что лучше — цепь или ремень, не утихают ни на минуту. Будьте уверены, прямо сейчас, пока вы читаете эти строки, на каком-нибудь форуме или в курилке два апологета разных приводов спорят до полного изнеможения.
В следующей публикации я подробно разберу все плюсы и минусы цепных и ременных приводов. Оставайтесь на связи!
Читайте также:
1. Отсоедините провод от клеммы «–» аккумуляторной батареи. | ||
2. Установите поршень 1-го цилиндра в положение ВМТ (смотрите соответствующий раздел) и снимите ремень привода генератора (смотрите соответствующий раздел). | ||
| 3. Ослабьте затяжку гайки крепления натяжного ролика и поверните натяжной ролик, чтобы ослабить натяжение ремня. | 4. Снимите ремень со шкива распределительного
вала, натяжного ролика и зубчатого шкива водяного насоса. | |
| 5. Чтобы отвернуть болт крепления шкива привода генератора, необходимо зафиксировать коленчатый вал от проворачивания. Для этого, сняв заглушку в картере сцепления, помощник должен с помощью монтажной лопатки или большой отвертки удерживать коленчатый вал от проворачивания за зубья венца маховика. | ||
| 6. Вывернув болт крепления шкива коленчатого вала, выньте его с шайбой и снимите шкив привода генератора с коленчатого вала. | ||
| 2. Снимите ремень привода распределительного вала с зубчатого шкива коленчатого вала. | ||
2. Перед установкой нового ремня очистите от грязи и смазки шкивы и натяжной ролик, обезжирьте их уайт-спиритом. | ||
| 9. Установите ремень привода распределительного вала в порядке, обратном снятию. Шкив привода генератора устанавливается в одном положении. Отверстие 1 шкива должно попасть на установочную втулку 2. | 10. При установке ремня обеспечьте натяжение его ведущей ветви. После установки ремня отрегулируйте его натяжение (смотрите соответствующий раздел). Если слышен шум от ремня привода распределительного вала, есть вероятность, что вышел из строя подшипник натяжного ролика. Снимите ролик, проверьте работоспособность его подшипника и при необходимости замените ролик. | |
| 13. Проверьте работоспособность подшипника. Если при проворачивании подшипника чувствуется заедание, осевой люфт или заметны следы вытекания смазки из подшипника, замените натяжной ролик. | ||
| 12. Под роликом установлено дистанционное кольцо. | 11. Для замены ролика перед установкой ремня окончательно отверните гайку его крепления, снимите шайбу, а затем и ролик со шпильки. | |
| 14. Установите новый натяжной ролик в порядке, обратном снятию. При этом отверстия под специальный ключ должны быть направлены наружу. | ||
Замена зубчатого ремня распредвала | ТО и ТР автомобиля
Рис. Составные части привода газораспределительного механизма: 1 — корпус механизма привода, 2 — крышка механизма привода, 3 — прокладка корпуса, 4 — прокладка насоса охлаждающей жидкости, 5 — уплотнитель (сальник), 6 — прокладка корпуса, 7 — зубчатый ремень, 8 — механизм натяжения ремня, 9 — пружина механизма натяжения, 10 — зубчатый шкив распредвала, 11 — болт крепления зубчатого шкива распредвала, 12 — штифт, фиксирующий зубчатый шкив на валу.
Для замены ремня необходимо выполнить поочередно следующие действия:
- Вращая шкив ремня, установить коленвал в положение, соответствующее концу такта выхлопа в первом цилиндре. Выступ кулачка распредвала в это время должен быть на 180° или пол оборота повернут относительно толкателя первого цилиндра.
- Вывернуть и вынуть болт, крепящий шкив генератора.
- Вывернуть болты и гайки, крепящие шкив генератора, и снять его.
- Снять пружину механизма натяжения зубчатого ремня, вывернуть болт, крепящий механизм натяжения, снять механизм натяжения и зубчатый ремень.
Рис. Снятие ременного шкива с коленвала
Внимание:
- После снятия зубчатого ремня не допускается изменение угла поворота коленвала или распредвала.
- Зубчатый ремень необходимо установить так, чтобы во время работы двигателя, его направление вращения совпало с указанным стрелкой.
- Одновременно с заменой зубчатого ремня необходимо заменить пружину механизма натяжения.
- Убедиться, совпадает ли метка на зубчатом шкиве распредвала с меткой на корпусе устройства распределения, а метка на зубчатом шкиве коленвала с меткой на корпусе масло-насоса.
- Установить новый зубчатый ремень, механизм натяжения и пружину механизма натяжения, предварительно завернув болт.
Рис. Снятие зубчатого ремня механизма привода распредвала:
1 — ведущий зубчатый шкив, 2 — зубчатый шкив распредвала, 3 — механизм натяжения ремня, 4 — зубчатый ремень, 5 — пружина механизма натяжения, 6 — болт механизма натяжения
- Выполнить два оборота коленвала в направлении нормального вращения двигателя и затянуть болт механизма натяжения с усилием 15…23 Нм.
Рис. Метки установки зубчатого шкива распредвала: 1 — зубчатый шкив распредвала, 2 — метка на зубчатом шкиве, 3 — метка на корпусе механизма привода распредвала.
- Повторно проверить взаимное положение меток.
- Установить крышку газораспределительного механизма, закрепить ее болтами с гайками, заворачивая их с усилием 9…12 Им.
- Установить на коленвал ременной шкив и затянуть его с усилием 65…75 Им, придерживая вал, как показано на рисунке.
- Отрегулировать зазоры клапанов.
- Проверить зажигание.
1. Отверните три болта и снимите переднюю крышку привода распределительного вала. | 2. Установите поршень первого цилиндра в в.м.т. Для этого поверните коленчатый вал за болт крепления шкива коленчатого вала так, чтобы метка на шкиве распределительного вала встала напротив метки (усика) на задней крышке привода распределительного вала. | 3. Отверните болт крепления шкива коленчатого вала, зафиксировав вал от проворачивания с помощью отвертки. |
4. Снимите шкив с коленчатого вала. | 5. Ослабить затяжку гайки крепления натяжного ролика и повернуть ролик, чтобы ослабить натяжение ремня. | 6. Снимите изношенный ремень привода распределительного вала. |
7. Установите новый ремень на зубчатый шкив коленчатого вала… | 8. …затем на шкив распределительного вала, натягивая ведущую ветвь ремня, чтобы она не провисала. Убедитесь, что метки на шкиве и задней крышке совпадают. | 9. Оденьте ремень на зубчатое колесо водяного насоса и натяжной ролик. |
10. Установите шкив коленчатого вала и затяните болт его крепления моментом 99-110 Н·м (9,9-11,0 кгс·м). | 11. Натяните ремень, повернув соответственно ролик и затянув гайку его крепления (смотрите примечание). | 12. При правильной натяжке ремень можно повернуть двумя пальцами на 90° (усилие 15–20 Н). Проверните на два оборота коленчатый вал и еще раз проверьте натяжение ремня. При необходимости повторите регулировку. |
Примечание Для натяжки ремня требуется специальный ключ. Если ключа нет, вставьте в отверстия ролика два подходящих по диаметру металлических стержня. Зафиксируйте между стержней отвертку и поворачивайте ролик, натягивая тем самым ремень. После этого затяните гайку. | ||
| 13. Установите переднюю крышку привода распределительного вала. Затем установите ремень привода генератора и отрегулируйте его натяжение (смотрите подраздел ). | ||