Особенность диагностики газораспределительного механизма

Особенность диагностики  газораспределительного механизма

    Диагностика ГРМ  является весьма ответственной  и сложной операцией. Исследования  показывают, что на эти механизмы  приходится около 20% отказов двигателя,  а на устранение отказов - около  половины трудоёмкости ремонта и обслуживания. При отсутствии диагностики этих механизмов значительное число двигателей может поступать в ремонт преждевременно с недоиспользованным ресурсом или же с неисправностями аварийного характера. Методы диагностики механизмов двигателя базируются на измерении характерных диагностических параметров, сопутствующих его работе и функционально связанных со структурными параметрами его основных элементов. Зная измеренные и нормативные значения диагностических параметров, можно определить без разборки потребность в ремонте двигателя. Наиболее распространённые методы диагностики газораспределительного механизмов двигателя показаны на рис. 1.

Диагностику по герметичности  надпоршневого пространства цилиндров  двигателя производят по компрессии, прорыву газов в картер двигателя, угару масла, разрежению на впуске, по утечкам сжатого воздуха и по сопротивлению прокручиванию коленчатого вала.

    Компрессия двигателя  резко увеличивается при увеличении  его температуры до + 700С и скорости  вращения коленчатого вала до 250 об/мин. Поэтому, чтобы получить сопоставимые результаты, необходимо компрессию Рс определить на прогретом двигателе, а скорость вращения п коленчатого вала принимать такой, какую для данного двигателя обеспечивает исправная заряженная батарея. В зависимости от степени сжатия минимально допустимая  компрессия для карбюраторных двигателей составляет 4,5-8,0 кГ/см2.         Резкое  снижение  компрессии Рс (на 30-40%) указывает  на  поломку  колец или же на залегание их в поршневых канавках. Компрессию измеряют при помощи компрессометра (манометра, фиксирующего максимальный показатель) или компрессографа (записывающего манометра), сообщая его с цилиндром двигателя через отверстие для свечи зажигания. Коленчатый вал вращают стартером. Компрессия зависит как от состояния цилиндро-поршневой группы, так и от герметичности клапанов, поэтому полученные результаты необходимо дифференцировать. Для этого можно повторить замер, повысив герметичность колец заливкой в цилиндр небольшого количества масла.

Угар масла определяется по доливам в процессе эксплуатации. Он зависит, с одной стороны, от износа колец, поршня и цилиндра и, с другой - от герметичности клапанов. Кроме  того, возможно подтекание масла. Допустимая норма угара масла составляет не более 4% от расхода топлива. Повышенный угар масла сопровождается заметным дымлением на выпуске.

    Недостатками  указанного метода являются: трудность  учёта величины угара масла  в эксплуатации, зависимость расхода  масла не только от износов  колец, но и от износов направляющих втулок клапанов и утечек.

    Прорыв газов  в картер также зависит от  износа деталей цилиндро-поршневой  группы двигателя или соответственно  от пробега автомобиля. Его измеряют  на динамометрическом стенде  или на низшей передаче под  нагрузкой, создаваемой притормаживанием вывешенных ведущих колёс автомобиля. Объём прорывающихся газов измеряют газовым счётчиком или же реометром. Прибор присоединяют к маслоналивной горловине, а картер гер-метизируют (закрывают вентиляционную трубку и отверстие для масло-измерительного щупа). Для того чтобы убедиться в отсутствии утечек газов через сальники коленчатого вала двигателя, необходимо одновременно из-мерять давление в картере. Более точно прорыв газов можно измерить при-бором ГосНИТИ. Принцип работы этого прибора основан на измерении сте-пени дросселирования канала (через который вакуум-насос откачивает газы), необходимой для устранения в картере избыточного давления. При этом ошибки, связанные с утечкой газов, помимо прибора, исключаются. Между прорывом газов в картер и давлением в нём существует функциональная связь. Поэтому давление в картере двигателя может также характеризовать состояние цилиндро-поршневой группы и служить диагностическим параметром.

    Разрежение во  впускном тракте и его постоянство зависит от скоростного напора воздуха и потерь напора, обусловленных компрессией, сопротивлением воздушного фильтра, неплотностью клапанов, неравномерностью рабочих процессов и т.д. Поэтому величина и стабильность разрежения во впускном трубопроводе двигателя может характеризовать его техническое состояние и рабочие процессы. Разрежение измеряют при помощи вакуум-метра, присоединяемого к впускному трубопроводу. Перед проверкой состояния механизмов двигателя предварительно устраняют неис-правности систем питания и зажигания. Ориентировочными нормативами разрежения при исправном состоянии двигателя являются при про-вёртывании коленчатого вала стартером - 380-430 мм рт. ст. и при оборотах холостого хода 480-560 мм рт. ст. (положение стрелки должно быть стабильно).

    Утечки сжатого  воздуха из цилиндра в положении,  когда его клапаны закрыты,  характеризуют износ колец, потерю  ими упругости, закоксовывание  или поломку, износ цилиндра, износ  стенок поршневых канавок, потерю  герметичности клапанов и прокладки головки цилиндров. Состояние двигателя проверяют при помощи прибора К-69. Пользуясь этим прибором, поочерёдно впускают сжатый воздух в цилиндры через отверстия для  свечей  зажигания  в  положении,  когда  клапаны  закрыты,  и  при  этом

измеряют утечки воздуха по показаниям манометра прибора.

    Сжатый воздух  из воздушной магистрали через  впускной штуцер поступает в  коллектор. При открытом впускном  вентиле измерения утечек (и закрытом  вентиле прослушивания утечек) воздух  поступает в редуктор давления и через калиброванное отверстие проходит в воздушную камеру, которая через второе калиброванное отверстие сообщается с измерительным манометром. Далее воздух из воздушной камеры через обратный клапан, гибкий шланг и испытательный наконечник, снабжённый резиновым конусом, поступает в цилиндр двигателя. По измерительному манометру определяют давление воздуха, характеризующее его утечку из цилиндра. Перед измерением редуктор давления регулируют на рабочее давление 2 кГ/см2, а при помощи регулировочной иглы тарируют показания изме-рительного манометра. При полной герметичности исследуемого цилиндра давление воздуха в воздушной камере будет равно давлению воздуха за редуктором давления, которое и покажет измерительный манометр.

    Наличие в цилиндре  неплотностей вызывает утечку из него воздуха и уменьшение давления воздуха в воздушной камере, которое также будет регистрироваться измерительным манометром. Для удобства пользования прибором по измерительному манометру определяют не давление, а относительную утечку воздуха в процентах по отношению к максимальному значению утечки. При полной герметичности цилиндра стрелка измерительного манометра будет показывать максимальное давление, которое по шкале измерительного манометра принимается за нуль. При полной утечке воздуха из цилиндра давление по шкале измерительного манометра принимается за 100%. Таким образом, отклонение стрелки измерительного манометра от нулевого значения будет указывать потерю воздуха через неплотности, выраженную в процентах. Для удобства пользования прибором шкала измерительного манометра размечена на зоны: хорошее состояние двигателя, удовлетворительное и требующее ремонта. Утечки воздуха через клапаны двигателя, указывающие на их неисправ-ности, обнаруживают прослушиванием при помощи фонендоскопа или визу-ально по колебаниям в индикаторе, устанавливаемом в свечных отверстиях, соседних с проверяемым цилиндром. Утечки через прокладку головки цилиндров определяют по пузырькам воздуха, появляющимся в горловине радиатора или в плоскости разъёма. 

    Диагностика по  шумам и вибрациям. Шумы (стуки)  и вибрации, т.е. колебательные  процессы упругой среды, возникающие  при работе механизмов, используют  для виброакустической диагностики  двигателя и других агрегатов  автомобиля. Источником этих колебаний  являются газодинамические процессы (сгорание, выпуск, впуск), регулярные механические соударения в сопряжениях за счёт зазоров и неуравновешенности масс, а также хаотические колебания, обусловленные процессами трения. При работе двигателя все эти колебания накладываются друг на друга и, взаимодействуя, образуют случайную совокупность колебательных процессов, называемую спектром. Это усложняет виброакустическую диагностику из-за необходимости подавления помех, выделения полезных сигналов и расшифровки колебательного спектра.

    Распространение  колебаний в упругой среде  (твёрдые тела, жидкости, газы) носит  волновой характер. Параметрами  колебательного процесса являются: частота (периодичность), уровень  (амплитуда) и фаза, т.е. положение  импульса колебательного процесса относительно опорной точки цикла работы механизма (например, в.м.т.).

    Частоту измеряют  герцами, а уровень - смещением,  скоростью или ускорением частиц  упругой среды, давлением (в  барах), возникающим в ней, или  же мощностью (в децибелах)  колебательного процесса. Между пере-численными параметрами уровня колебаний существуют переводные масштабы. Воздушные колебания называют шумами (стуками), а колебания материала, из которого состоит механизм, - вибрациями. Шумы воспри-нимают при помощи микрофона, а параметры вибрации - при помощи пьезо-электрических датчиков. Полученные таким образом сигналы усиливают, измеряют по масштабу и регистрируют. Средством регистрации может быть осциллограф (при визуальном наблюдении за процессом) или предельный индиикатор, например устройство, в котором при достижении заданного уровня колебаний зажигается контрольная лампа. В простейших слуховых приборах (стетоскопах) вибрации воспринимают при помощи стержня и диафрагмы.

    Шумы подвержены  значительным искажениям под  влиянием внешней среды. Это усложняет их использование для диагностики двигателей. Вибрации воспринимаются непосредственно на поверхности диагностируемого механизма, благодаря чему дают более достоверную информацию о его техническом состоянии.

    Возможность осуществления виброакустической диагностики двигателя, т.е. возможность расшифровки колебательных процессов, обусловлена следующими положениями. Колебания, возникающие при соударениях сопряжённых деталей, по своим параметрам резко отличаются как от колебаний газодинамического происхождения, так и от колебаний, обусловленных трением. Каждая соударяющаяся пара порождает свои собственные колебания. При изменении зазоров мощность колебаний резко изменяется вследствие изменения энергии соударения, при этом также изменяется длительность соударений. Принадлежность колебаний соударяющихся пар может быть определена по фазе относительно опорной точки (в.м.т., посадка клапана и др.). Величина параметров сигнала изменяется от скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя. 

    Существует несколько  методов виброакустической диагностики.  Одним из них является регистрация  при помощи осциллографа уровня  колебательного процесса в виде  мгновенного импульса в функции  времени (или угла поворота  коленчатого вала). Чтобы подавить помехи и конкретизировать наблюдение, процесс регистрируют, во-первых, в полосе частот, в которой неисправность данного механизма проявляется наиболее сильно, во-вторых, на узком участке, вблизи опорной точки (например, в.м.т.), в-третьих, используют наиболее выгодные для диагностики скоростные и нагрузочные режимы и места установки датчиков. О неисправностях диагностируемого сопряжения судят по уровню и характеру спада колебательного процесса, сравнивая его с нормативным.

    Другим более  универсальным методом виброакустической диагностики является регистрация и анализ всего спектра, т.е. всей совокупности колебательных процессов. Анализ спектра заключается в группировке по частотам его составляющих колебательных процессов при помощи фильтров (подобно настройке радиоприёмника на соответствующие волны). Колебательный спектр снимают на узком, характерном, участке процесса при соответствующем скоростном и нагрузочном режиме работы диагностируемого механизма. Дефект выявляют по максимальному или среднему уровню колебательного процесса в полосе частот, обусловленной работой диагностируемого сопряжения. Полученные результаты сравнивают с нормативами (эталонами). Нормативы определяют экспериментально, путём искусственного введения дефектов или путём накопления и статической обработки результатов эксплуатационных наблюдений. 

    При  автоматизированном диагностическом  заключении измеренные величины  амплитуд и их смещений сравнивают  при помощи логического устройства  с эталонами, хранящимися в  блоке памяти машины.

Аудиодиагностика 
Важным условием определения причины нефункционального стука ГРМ является аудиодиагностика «стучащей» ГЦ с использованием стетоскопа, эффективного и недорогого (около 300 рублей) инструмента (см. Рис. 1). 
 
 
Аудиодиагностика стетоскопом (см. Рис. 3) позволяет: 
― исключить влияние общего шума двигателя, маскирующего источник стука; 
― подтвердить или опровергнуть наличие нефункционального стука; 
― определить характер стука; 
― определить интенсивность стука; 
― определить зависимость стука от температуры и частоты вращения; 
― определить зону расположения источника стука. 
 
Использование данных аудиодиагностики позволяет более корректно спланировать действия по дополнительной диагностике и устранению дефекта. Аудиодиагностику целесообразно повторять на одном двигателе неоднократно 
после различных этапов устранения дефекта. 
 
Виды стуков ГРМ 
Акустические показатели ГРМ с непосредственным приводом клапана зависят от взаимного расположения деталей, их формы и от зазоров в сопряжениях пар трения. Отклонения геометрии деталей от требований КД, износ в процессе эксплуатации приводят к значимому изменению акустических показателей. Стуки различаются характером звука, интенсивностью звука, частотой, зависят от температуры и частоты вращения двигателя. 
 
3.1 Стук клапанов 
Под «стуком клапанов» понимается стук клапана о седло из-за повышенной скорости посадки клапана в седло (посадка с ударом). Повышение скорости посадки происходит при отклонении зазоров в сопряжении «регулировочная шайба – затылок кулачка распредвала» в большую сторону от требований КД, которые составляют: впускные клапаны (0,20±0,05) мм, выпускные – (0,35±0,05) мм. 
Стук проявляется при зазорах выпускных клапанов более 0,4 мм, впускных клапанов более 0,25 мм в виде характерного постоянного металлического стука с частотой вращения распределительного вала двигателя. Устраняется регулировкой зазоров. 
 
3.2 Стук направляющих втулок клапанов 
Под «стуком направляющих втулок клапанов» понимается стук клапана о седло и о направляющую втулку из-за значимого радиального смещения клапана в момент посадки в седло. Смещение становится значимым при износе направляющей втулки выпускного или впускного клапана до зазора «втулка-клапан» более 0, 3 мм. Стук стабильно проявляется при частоте вращения коленчатого вала от 800 до 1000 об/мин-1 в виде постоянного металлического стука, напоминающего «стук клапанов». Отличается от «стука клапанов» наличием периодов уменьшения или полного исчезновения стука при плавном изменении частоты вращения от 1200 до 2000 мин-1. 
При комплектации плоским толкателем или при износе сферы толкателя (пятно контакта от 5 до 8 мм) стук проявляется при частоте вращения от 800 до 900 мин-1 и имеет «плавающий» характер. Плавающий характер стука объясняется различным нагружением торца клапана в момент вращения толкателя в направляющей и, соответственно, возникновением различных опрокидывающих моментов на клапан со стороны толкателя, определяющих посадку клапана в седло. 
Стук прослушивается на ГЦ в зонах, близких к седлу клапана. При прогреве двигателя усиливается. Интенсивность стука зависит от следующих факторов: 
― величины износа направляющей втулки клапана; 
― величины зазора между толкателем и направляющей толкателя; 
― отклонений от круглости толкателя и направляющей толкателя; 
― величины неперпендикулярности торца клапана; 
― точности изготовления и величины износа сферы толкателя; 
― величины несоосности направляющей втулки и седла клапана; 
― величины несоосности направляющей втулки и направляющей толкателя; 
― величины неперпендикулярности и непараллельности торцев внутренней и наружной пружин клапанов и их взаимного расположения; 
― деформации направляющей толкателя; 
― формы износа направляющей втулки клапана; 
― величины зазора между затылком кулачка и регулировочной шайбой. 
При условии отсутствия опрокидывающего момента на клапан со стороны толкателя «стук направляющей втулки» может не проявиться и при зазоре «втулка-клапан» более 0,3 мм. При зазоре «втулка-клапан» более 0,3 мм стук устраняется заменой направляющих втулок или головки цилиндров. При наличии износа сферы толкателя в некоторых случаях стук устраняется подбором толкателя, обеспечивающего 
минимальный зазор в направляющей и со сферой, соответствующей КД. 
 
3.3 Стук толкателя в направляющей 
Под «стуком толкателя в направляющей» понимается стук толкателя о стенки направляющего отверстия в ГЦ при радиальном перемещении толкателя из-за повышенного радиального зазора между деталями. Зазор по КД от 0,025 до 0,070 мм. При зазоре более 0,100 мм между толкателем и направляющим отверстием радиальное перемещение толкателя может вызывать звонкий металлический стук. На ГЦ с зазором «втулка-клапан» до 0,15 мм проявляется незначительно, при зазоре «втулка-клапан» более 0,15 мм интенсивность стука возрастает. Стук прослушивается на ГЦ со стороны свечей зажигания в нижнем положении толкателей. 
Интенсивность стука зависит от следующих факторов: 
― величины зазора между толкателем и направляющей толкателя; 
― отклонений от круглости толкателя и направляющей толкателя; 
― точности изготовления и величины износа сферы толкателя. 
Устраняется заменой толкателя или ГЦ на соответствующие требованиям КД. 
 
3.4 Стук регулировочной шайбы в толкателе 
«Стук регулировочной шайбы в толкателе» может быть четырех видов. 
3.4.1 Стук торца регулировочной шайбы о стенки гнезда толкателя под шайбу из-за повышенного зазора между шайбой и стенками. Зазор по КД от 0,009 до 0,059 мм. При зазоре более 0,070 мм между регулировочной шайбой и толкателем возможно возникновение стука, напоминающего «стук клапанов». Устраняется заменой толкателя или регулировочной шайбы на соответствующие требованиям КД. 
3.4.2 Стук нижней поверхности регулировочной шайбы об опорную поверхность днища толкателя из-за эффекта «опрокидывания» шайбы кулачком при уменьшении диаметра опорной поверхности толкателя менее 28,0 мм. По КД этот диаметр должен быть не менее 28,6 мм. Устраняется заменой толкателя на соответствующий требованиям КД. 
3.4.3 Стук нижней поверхности регулировочной шайбы об опорную поверхность днища толкателя из-за перекладки шайбы на попавшей под неё металлической стружке или другой посторонней твёрдой частице. Устраняется удалением стружки или других посторонних частиц. 
3.4.4 Стук нижней поверхности регулировочной шайбы об опорную поверхность днища толкателя при колебаниях шайбы из-за возмущения огранкой на кулачках распределительного вала. Устраняется заменой распределительного вала на соответствующий требованиям КД. 
 
3.5 Стук распределительного вала 
«Стук распределительного вала» может быть нескольких видов. 
3.5.1 Стук заднего фланца распределительного вала о ГЦ и корпус вспомогательных агрегатов на карбюраторных двигателях или заглушку на двигателях с ЭСУД из-за повышенной величины люфта вала в осевом направлении. Стук провоцируется передачей на распределительный вал усилия от осевого перемещения ремня привода ГРМ по рабочей поверхности шкива распределительного вала. 
По КД величина осевого люфта распределительного вала на новом двигателе составляет от 0,15 до 0,53 мм. Порог возникновения стука может варьироваться от 0,8 до 1,0 мм осевого люфта вала. Стук проявляется при частоте вращения коленчатого вала двигателя от 800 до 900 мин-1 в виде характерного периодического металлического стука с интервалами от 3 до 5 с. Имеет резонансный характер. Прослушивается на боковой поверхности заглушки распределительного вала. 
Стук устраняется заменой деталей для уменьшения суммарного зазора в сопряжениях «ГЦ – задний фланец распределительного вала – корпус вспомогательных агрегатов (заглушка)» до требуемой КД величины (0,15-0,53) мм или хотя бы менее 0,70 мм. Возможно устранение стука заменой ремня привода ГРМ для устранения активного осевого перемещения ремня по шкиву распределительного вала. 
3.5.2 Стук поверхностей шеек распределительного вала о поверхность опор ГЦ из-за увеличенных зазоров между шейками и опорами. 
По КД зазор между шейками и опорами составляет для нового двигателя от 0.069 до 0.110 мм. Предельно допустимым при износе является зазор 0,200 мм. 
Стук проявляется при частоте вращения коленчатого вала двигателя от 1800 до 2200 мин-1 и носит резонансный характер. Устраняется заменой ГЦ или распределительного вала. 
3.5.3 Стук поверхностей шеек распределительного вала о поверхность опор ГЦ из-за повышенного радиального биения средних шеек относительно крайних. 
По КД биение не должно превышать 0,02 мм. Порог возникновения стука –биение 0,05 мм. Стук проявляется при частоте вращения коленчатого вала двигателя от 800 до 1500 мин-1. Устраняется заменой распределительного вала. 
3.5.4 Стук поверхностей шеек распределительного вала о поверхность опор ГЦ из-за повышенной несоосности или повышенной нецилиндричности опор в ГЦ. 
Стук проявляется при частоте вращения коленчатого вала двигателя от 800 до 2000 мин-1. Устраняется заменой ГЦ. 
 
4. Органолептический контроль 
После аудиодиагностики опытный специалист способен достаточно точно указать место источника стука. Однако даже предварительный вывод о причине стука целесообразно делать только после проведения органолептического контроля состояния деталей квалифицированными специалистами. 
Органолептический контроль целесообразно проводить до метрологических измерений, так это менее трудоёмкая операция, позволяющая к тому же сузить фронт проведения измерений. 
 
4.1 Визуальный осмотр торцов клапанов. 
Внешний вид деталей способен подсказать как месторасположение источника стука, так и причину. Например, на Рис. 4 показаны торцы клапанов с правильным симметричным и неправильным несимметричным расположением пятна контакта от толкателя, вызывающим появление радиального давления стержня клапана на направляющую втулку и резкое увеличение её износа. 
 
Несимметричность пятна контакта вызывается неперпендикулярностью торца к стержню, а также смещением сферы толкателя или отклонением её формы.