Zestaw dźwigni zaworowych: usterki, wymiana i regulacja

Po otwarciu pokrywy silnika w pojeździe użytkowym pierwszym mechanizmem, który rzuca się w oczy, jest zespół dźwigni zaworowych; to również miejsce, o którym w warsztacie najczęściej mówi się w kontekście „stukania”. Silnik, który stuka na zimno i cichnie po nagrzaniu, oraz silnik, w którym dźwięk twardnieje wraz ze wzrostem obrotów, wskazują na dwie zupełnie różne usterki w tym samym obszarze. Powszechnym nawykiem jest przejście od dźwięku prosto do regulacji zaworów, ale ustawienie luzu najczęściej usuwa skutek, a nie przyczynę. Ten poradnik wyjaśnia językiem technika serwisowego, co robi ten zespół, który objaw wskazuje na który element, jaka jest właściwa kolejność demontażu i dokręcania oraz jakie nawyki serwisowe decydują o jego trwałości.

Czym jest zestaw dźwigni zaworowych i wałka? Zadanie i zasada działania

Zestaw dźwigni zaworowych i wałka to kompletny mechanizm rozrządu składający się z dźwigni zaworowych, które przenoszą ruch z wałka rozrządu poprzez popychacz lub bezpośredni styk na zawór albo mostek wtryskiwacza i pracują zazwyczaj z przełożeniem dźwigni od 1,4:1 do 1,8:1, a także z wałka je podtrzymującego, tulei, śrub regulacyjnych i elementów mocujących. Regulacja luzu zaworowego również odbywa się przez ten zespół i w ciężkich silnikach wysokoprężnych mieści się zwykle w przedziale 0,2–0,8 mm.

Ta sama grupa części występuje w warsztacie i w katalogach pod wieloma nazwami: dźwignia zaworowa, koromysło zaworowe, rocker arm, wałek dźwigni zaworowych, oś dźwigni, zespół dźwigni zaworowych, a w wersjach kompletnych zestaw wałka. Niezależnie od użytej nazwy kryterium doboru pozostaje takie samo: kod silnika i numer referencyjny OE.

Zasada działania opiera się na logice dźwigni. Krzywka na wałku rozrządu, za pośrednictwem popychacza i drążka popychacza, unosi jeden koniec dźwigni; dźwignia waha się wokół środka obrotu na wałku, a śruba regulacyjna lub rolka na jej drugim końcu naciska trzonek zaworu albo mostek zaworowy i otwiera zawór. Krótki skok zarysu krzywki zamienia się dzięki przełożeniu dźwigni na większy skok otwarcia po stronie zaworu; po dojściu do podstawy krzywki sprężyna zamyka zawór. Ponieważ cykl ten powtarza się setki razy na minutę nawet na biegu jałowym, zespół dźwigni zaworowych pracuje pod stałym obciążeniem udarowym.

W ciężkich silnikach wysokoprężnych zespół dźwigni zaworowych nie służy wyłącznie do otwierania zaworów. W architekturze pompowtryskiwaczy (unit injector) osobna dźwignia naciska nurnik wysokiego ciśnienia wtryskiwacza, a w silnikach wyposażonych w hamulec silnikowy dodatkowy mechanizm na dźwigni wydechowej pełni funkcję dekompresji. Dlatego na tym samym wałku mogą znajdować się obok siebie trzy, a nawet cztery dźwignie o różnych zadaniach, których nie można stosować zamiennie.

Jak działa smarowanie na wałku?

Zestaw dźwigni zaworowych i wałka jest podłączony do ciśnieniowego obiegu smarowania silnika. Olej z kanału w głowicy cylindrów trafia do wspornika wałka, stamtąd do osiowego otworu wewnątrz wałka i przez otwory promieniowe na wysokości każdego łożyska dźwigni rozprowadzany jest na powierzchnię tulei. Praktyczny wniosek jest taki: problem ze smarowaniem w obszarze dźwigni zaworowych prawie nigdy nie oznacza „braku oleju”; zwykle oznacza zatkany otwór, odwrotnie zamontowany wałek albo spadek ciśnienia oleju na gorącym biegu jałowym.

Różnica między dźwignią rolkową a ślizgową (płozową)

Zestaw dźwigni zaworowych i wałka produkowany jest w dwóch podstawowych architekturach styku. W dźwigniach ślizgowych (płozowych) kontakt z zaworem lub mostkiem odbywa się przez utwardzoną powierzchnię kulistą z tarciem ślizgowym; rozwiązanie jest proste i wytrzymałe, ale mocno zależne od filmu olejowego. W dźwigniach rolkowych styk realizowany jest przez rolkę na łożysku igiełkowym z tarciem tocznym; straty tarcia są niższe i możliwe są bardziej agresywne zarysy krzywek, ale łożysko rolki jest wrażliwe na zanieczyszczony olej. Zamiana jednej dźwigni na drugą jest niemożliwa; wysokość dźwigni projektowana jest wspólnie z zarysem krzywki.

Elementy składowe i podzespoły pomocnicze

• Dźwignia zaworowa (koromysło): korpus z odkuwki stalowej lub żeliwa sferoidalnego; różne geometrie dla dolotu, wydechu i wtryskiwacza.
• Wałek dźwigni zaworowych (oś dźwigni): utwardzony, drążony wałek stalowy; pełni funkcję kanału rozprowadzającego olej.
• Tuleja (panewka łożyskowa): brązowa lub kompozytowa tuleja osadzona w korpusie dźwigni; to tutaj zaczyna się zużycie.
• Śruba regulacyjna i nakrętka kontrująca: element, na którym ustawiany jest luz zaworowy.
• Rolka i łożysko igiełkowe: styk z krzywką lub mostkiem w dźwigniach rolkowych.
• Wsporniki wałka (stopy mostkowe) i śruby: elementy mocujące wałek do głowicy, w większości zastosowań dokręcane na kąt.
• Sprężyny, podkładki dystansowe i pierścienie osadcze: elementy utrzymujące osiowe położenie dźwigni na wałku.
• Mostek zaworowy (trawersa) i kołek prowadzący: w głowicach dwuzaworowych rozdziela ruch na dwa zawory.

Jak rozpoznać usterkę zestawu dźwigni zaworowych i wałka?

Usterki zestawu dźwigni zaworowych i wałka prawie zawsze objawiają się najpierw dźwiękiem, a dopiero potem widać je w parametrach pracy. Najczęstszym błędem w warsztacie jest przypisywanie każdego stukania luzowi zaworowemu; tymczasem samoistne powiększanie się luzu jest zwykle skutkiem zużycia tulei, końcówki śruby regulacyjnej lub mostka. Poniższa tabela zestawia objawy z prawdopodobnymi przyczynami i sposobem weryfikacji.

Diagnostyka luzu pomiarem szczelinomierzem

Zestaw dźwigni zaworowych i wałka diagnozuje się w pierwszej kolejności przez pomiar luzu zaworowego na zimnym silniku, zgodnie z kolejnością cyklu podaną przez producenta. Wartość diagnostyczna tkwi nie tyle w odczycie z pojedynczego cylindra, ile w rozrzucie między cylindrami: jeśli luz powiększył się równomiernie wszędzie, jest to normalne zużycie, ale jeśli wyraźnie odbiega tylko jedna dźwignia, podejrzana jest jej tuleja, śruba lub mostek. Płytka szczelinomierza powinna wchodzić równolegle do powierzchni styku i przesuwać się z lekkim oporem; wyczucie „wciskania na siłę” albo „luźnego przesuwania” oznacza błąd pomiaru.

Pomiar luzu tulei i wałka

Zestaw dźwigni zaworowych i wałka zużywa się przede wszystkim na parze tuleja dźwigni – wałek. W diagnostyce warsztatowej przy otwartej pokrywie dźwignię porusza się ręcznie w kierunku promieniowym; wyczuwalny ruch już oznacza przekroczenie granicy. Ocena dokładna polega na zmierzeniu średnicy wałka mikrometrem i średnicy wewnętrznej tulei średnicówką czujnikową oraz wyznaczeniu różnicy. Miejscowe wytarcie (stopień) w strefach osadzenia dźwigni na wałku ujawnia się w pomiarze nawet wtedy, gdy jest zbyt małe, by dostrzec je gołym okiem; dlatego wymiana samych dźwigni przy pozostawieniu zużytego wałka jest częstym błędem diagnostycznym.

Weryfikacja drogi smarowania

Zestaw dźwigni zaworowych i wałka, jeśli zużywa się wielokrotnie, wymaga rozszerzenia diagnostyki aż do obiegu oleju. Przy zdemontowanym wałku otwory olejowe osiowe i promieniowe kontroluje się sprężonym powietrzem; to w nich gromadzi się nagar i szlam olejowy. Na silniku decydujące znaczenie ma ciśnienie oleju mierzone na gorącym biegu jałowym; ciśnienie graniczne najpierw ujawnia się w zespole dźwigni zaworowych, będącym najdalszym odbiornikiem. Sytuacja, w której rzeczywistą przyczyną zużytych dźwigni okazują się wydłużone interwały wymiany oleju, należy do najczęstszych w praktyce warsztatowej.

Jak wymienić zestaw dźwigni zaworowych i wałka? Krok po kroku

1. Zabezpiecz pojazd i schłodź silnik: zaciągnij hamulec postojowy, podłóż kliny pod koła, zatrzymaj silnik i odczekaj do jego ostygnięcia. Odłącz biegun ujemny akumulatora. W zastosowaniach wymagających przechylenia kabiny bezwzględnie załóż blokadę zabezpieczającą przechylenia.
2. Zapewnij dostęp i zdejmij pokrywę: zdemontuj górną osłonę silnika, przewody powietrza, koryta kablowe, a w razie potrzeby złącza wtryskiwaczy, oznaczając je. Śruby pokrywy dźwigni zaworowych luzuj stopniowo od zewnątrz do środka, a po otwarciu pokrywy osusz obszar czystą szmatką; szlam olejowy zafałszowuje zarówno pomiar, jak i montaż. Uszczelka pokrywy jest w większości zastosowań jednorazowa.
3. Wykonaj pomiar przed demontażem: zapisz aktualne luzy zaworowe cylinder po cylindrze. Ten zapis to najszybszy sposób ustalenia, czy usterka dotyczy jednej dźwigni, czy jest to zużycie ogólne, i stanowi punkt odniesienia do porównania po montażu.
4. Luzuj śruby wsporników wałka stopniowo: nie odkręcaj śrub za jednym razem, lecz w kilku przejściach, symetrycznie od środka na zewnątrz. Ponieważ sprężyny zaworowe wypychają wałek do góry, szybkie luzowanie w jednym punkcie może wygiąć wałek lub pęknąć wspornik.
5. Wyjmij zespół wałka w całości i oznacz elementy: wałek, dźwignie i wsporniki należy w miarę możliwości wyjmować razem; każdą dźwignię trzeba oznaczyć numerem cylindra oraz informacją dolot/wydech i ułożyć w tacce w kolejności. Pomylenie miejsc sprawi, że dotarte powierzchnie styku przestaną do siebie pasować.
6. Skontroluj drążki popychaczy i mostki: sprawdź krzywiznę drążków, tocząc je po płaskiej powierzchni, i obejrzyj ich kuliste końcówki. Sprawdź, czy na mostkach zaworowych nie ma wżerów, a na kołku prowadzącym zużycia; jeśli wymienisz dźwignię, a zostawisz zużyty mostek, hałas wróci po krótkim czasie.
7. Oceń zdemontowany zestaw na podstawie pomiarów: zmierz średnicę wałka w strefach osadzenia dźwigni, a średnicę wewnętrzną tulei średnicówką czujnikową. Jeśli na powierzchni styku dźwigni występują wżery, na końcówce śruby regulacyjnej wytarcie, a rolka obraca się opornie lub ma przebarwienia cieplne, część podlega wymianie; gdy zużycie dotyczy więcej niż jednej dźwigni, właściwą decyzją jest wymiana całego zestawu.
8. Przygotuj nowy zestaw, smarując go: upewnij się, że otwory olejowe nowego wałka są drożne i pozbawione zadziorów; nanieś na wałek, tuleje i powierzchnie styku czysty olej silnikowy lub pastę montażową zalecaną przez producenta. Montaż na sucho pozostawia trwałe zatarcia już w pierwszych sekundach pracy.
9. Zamontuj wałek, zwracając uwagę na jego położenie: otwory olejowe i kołek ustalający dopuszczają tylko jedno prawidłowe ustawienie; odwrotnie zamontowany wałek wylewa olej nie do tulei, lecz pod pokrywę. Sprawdź wzrokowo, czy drążki popychaczy weszły w swoje gniazda, a dźwignie są wyśrodkowane na mostkach.
10. Dokręcaj we właściwej kolejności i momencie: śruby wsporników dokręcaj w kolejności podanej przez producenta, od środka na zewnątrz i w co najmniej dwóch etapach; w wielu silnikach pojazdów użytkowych ostatni etap to dokręcanie na kąt (moment + stopnie), a śruby te mogą być jednorazowe. Wymagania dotyczące dokładności i kalibracji narzędzi dynamometrycznych określa rodzina norm ISO 6789; sprawdź ważność kalibracji używanego klucza.
11. Wyreguluj luz zaworowy i zamknij silnik: luzy ustaw na zimnym silniku, zgodnie z kolejnością cyklu podaną przez producenta; przy dokręcaniu nakrętki kontrującej potwierdź szczelinomierzem, że ustawienie się nie przesunęło. Załóż pokrywę z nową uszczelką, uruchom silnik i obserwuj dźwięk oraz ciśnienie oleju na biegu jałowym, a po krótkiej jeździe próbnej ponownie sprawdź wartości.

Jakie błędy popełnia się najczęściej przy wymianie zestawu dźwigni zaworowych i wałka?

• Pomylenie miejsc dźwigni: gdy dotarta powierzchnia styku trafi na inny zawór, rozpoczyna się przyspieszone zużycie; oznaczania podczas demontażu nie wolno pomijać.
• Zamiana dźwigni dolotowej z wydechową: mimo podobnego wyglądu zewnętrznego przełożenie dźwigni i geometria styku są inne; zakres regulacji nie zgadza się.
• Dokręcanie śrub wsporników za jednym razem: niesymetryczne dokręcanie wbrew oporowi sprężyn zaworowych wygina wałek i grozi pęknięciem wspornika.
• Pomijanie procedury dokręcania na kąt: śruby dokręcone „mniej więcej tym samym momentem” z czasem się luzują; ponowne użycie śruby jednorazowej niesie to samo ryzyko.
• Montaż na sucho lub odwrotny: wałek uruchomiony bez smarowania zbiera zatarcia w pierwszych sekundach, a przy odwrotnym montażu otwory olejowe mijają swój cel.
• Ignorowanie mostka, drążka popychacza i końcówki zaworu: łańcuch zużycia nie ogranicza się do samej dźwigni; hałas wraca po krótkim czasie.
• Dokręcanie nakrętki kontrującej bez przytrzymania śruby regulacyjnej: śruba obraca się, ustawienie przesuwa się, a pomiar idzie na marne.
• Wymiana samej części bez ustalenia przyczyny źródłowej: jeśli niskie ciśnienie oleju lub wydłużony interwał wymiany oleju nadal występują, nowy zestaw przetrwa dokładnie tyle samo.

Zestaw dźwigni zaworowych i wałka — dane techniczne i punkty kontrolne

Zestaw dźwigni zaworowych i wałka opisują poniższe wartości, będące ogólnymi zakresami odniesienia często spotykanymi w ciężkich silnikach wysokoprężnych. Rodzina silników, norma emisji, wyposażenie w hamulec silnikowy i rok produkcji wyraźnie zmieniają te przedziały; dla danych ścisłych obowiązuje aktualna instrukcja serwisowa właściwa dla kodu silnika. Materiał korpusu dźwigni i wałka należy zwykle do stali ulepszanych cieplnie (rodzina norm EN 10083) albo wysokowytrzymałego żeliwa sferoidalnego (rodzina norm EN 1563), a chropowatość powierzchni styku określa się definicjami ISO 4287. Odniesienia do norm opisują klasę materiału, nie wiążą konkretnej części — dokładne dane materiałowe i powierzchniowe należy zweryfikować w odpowiednim katalogu OE.

• Czy luzy zaworowe są równomierne między cylindrami, czy odbiega tylko jedna dźwignia?
• Czy przy ręcznym poruszaniu dźwigniami na wałku wyczuwalny jest luz promieniowy?
• Czy na powierzchni wałka w strefach osadzenia dźwigni widać stopień, rysy lub przebarwienia cieplne?
• Czy osiowe i promieniowe otwory olejowe wałka są drożne, czy nie ma w nich osadu nagaru?
• Czy końcówka śruby regulacyjnej, rolka i powierzchnie styku mostka zaworowego mają wżery?
• Czy drążki popychaczy są proste, a ich kuliste końcówki nieuszkodzone?
• Czy na śrubach wsporników widać ślady poluzowania, wydłużenia lub uszkodzenia gwintu?
• Czy ciśnienie oleju na gorącym biegu jałowym mieści się w oczekiwanym przedziale i czy w filtrze oleju oraz misce olejowej nie ma cząstek w kolorze brązu lub błyszczących metalicznych?

Jak dbać o zestaw dźwigni zaworowych i wałka oraz wydłużyć jego trwałość?

Zestaw dźwigni zaworowych i wałka nie ma zdefiniowanego stałego okresu wymiany; o jego trwałości decydują trzy rzeczy: czystość oleju, ciągłość ciśnienia oleju i regularne wykonywanie regulacji zaworów. Zestaw poddawany regularnej obsłudze może pracować bezawaryjnie przez cały główny okres eksploatacji silnika. Z kolei wydłużony interwał wymiany oleju i pominięta regulacja zaworów przyspieszają zużycie: im większy luz, tym silniejsze uderzenie, im silniejsze uderzenie, tym szybciej zużywa się tuleja, a proces wchodzi w pętlę samonapędzającą.

• Dyscyplina wymiany oleju i filtra oleju: zespół dźwigni zaworowych jest jednym z najdalszych odbiorników obiegu oleju; skutki zanieczyszczonego oleju o obniżonej lepkości ujawniają się najpierw właśnie tutaj. Nie wolno przekraczać interwału producenta.
• Właściwa lepkość i olej z aprobatą OE: wyjście poza specyfikację z listy aprobat producenta silnika może doprowadzić do przerwania filmu olejowego na gorącym biegu jałowym.
• Regularne wykonywanie regulacji zaworów: regulacja to nie tylko usuwanie hałasu, lecz obsługa zapobiegawcza. Prawidłowy luz ogranicza obciążenie udarowe i wydłuża trwałość zarówno dźwigni, jak i zaworu.
• Zapisywanie pomiarów podczas regulacji: notowanie wartości przy każdej obsłudze wcześnie ujawnia tendencję zużycia; dźwignia o nagłym odchyleniu zostaje wychwycona, zanim dojdzie do awarii.
• Monitorowanie ciśnienia oleju: spadek ciśnienia na gorącym biegu jałowym jest ostrzeżeniem, na które trzeba zareagować, zanim w rejonie dźwigni pojawi się hałas.
• Pełna kontrola przy otwartej pokrywie: skoro pokrywa i tak jest zdjęta, należy przejrzeć również mostki, drążki popychaczy i powierzchnię uszczelniającą; otwieranie pokrywy po raz drugi oznacza powtórzenie całej robocizny.
• Unikanie obciążania zimnego silnika: wysokie obroty przed nagrzaniem oleju zwiększają obciążenie udarowe dokładnie wtedy, gdy film olejowy jest najsłabszy.

W przedsiębiorstwach flotowych najefektywniejszym podejściem jest planowanie zespołu dźwigni zaworowych nie jako pojedynczych części, lecz jako zestawu roboczego. Ocena dźwigni, wałka, tulei, śrub regulacyjnych, a w razie potrzeby także mostków zaworowych przy jednym otwarciu pokrywy kosztuje znacznie mniej niż ponowne zjazd pojazdu do serwisu kilka miesięcy później.

Pobierz ten przewodnik w PDF