Эволюция ГРМ: шестерни, цепь и ремень

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!

На каких авто есть цепные двигатели подскажите?

Опции темы

• Подписаться на эту тему…