Vačkový hřídel
U pístových motorů slouží vačkový hřídel k ovládání sacích a výfukových ventilů. Vačkový hřídel se skládá z válcové tyče probíhající po celé délce válcového ramene s řadou vaček (kotoučů s vyčnívajícími vačkovými laloky) po celé délce, pro každý ventil jedna. Vačkový lalok při otáčení tlakem na ventil nebo na nějaký mezikus nutí ventil otevřít. Mezitím pružina působí tahem a táhne ventil do uzavřené polohy. Když lalok dosáhne největšího posunu na tlačné tyči, je ventil zcela otevřený. Ventil je uzavřen, když jej pružina táhne zpět a vačka je na své základní kružnici.
KonstrukceUpravit
Vačkové hřídele jsou vyrobeny z kovu a jsou obvykle plné, i když se někdy používají i duté vačkové hřídele. Materiály používané pro vačkový hřídel jsou obvykle buď:
- Litina: Vačkové hřídele z chlazené litiny, které se běžně používají ve velkosériové výrobě, mají dobrou odolnost proti opotřebení, protože proces chlazení je zpevňuje. Před odlitím se do železa přidávají další prvky, aby byl materiál vhodnější pro jeho použití.
- Kovová ocel: Pokud je požadována vysoce kvalitní vačková hřídel nebo malosériová výroba, volí konstruktéři motorů a výrobci vačkových hřídelí ocelové polotovary. Jedná se o časově mnohem náročnější proces, který je obecně dražší než jiné metody. Způsob konstrukce je obvykle buď kování, obrábění (pomocí soustruhu na kov nebo frézky), odlévání nebo hydroformování. Lze použít různé typy ocelových tyčí, například EN40b. Při výrobě vačkového hřídele z oceli EN40b se vačkový hřídel rovněž tepelně zpracovává nitridací plynem, čímž se mění mikrostruktura materiálu. Díky tomu je povrch tvrdý 55-60 HRC, což je vhodné pro použití ve vysoce výkonných motorech.
Rozložení ventilového rozvoduUpravit
Většina raných spalovacích motorů používala uspořádání s vačkou v bloku (např. s horními ventily), kde je vačkový hřídel umístěn v bloku motoru blízko jeho spodní části. S rostoucími otáčkami motorů ve 20. století se stále častěji používaly motory s jedním vačkovým hřídelem nad hlavou (SOHC) – kde je vačkový hřídel umístěn v hlavě válců blízko horní části motoru – a v posledních letech pak motory s dvojitým vačkovým hřídelem nad hlavou (DOHC).
Uspořádání ventilového rozvodu je definováno podle počtu vačkových hřídelů na jednu řadu válců. Proto se motor V6 s celkem čtyřmi vačkovými hřídeli (dva na banku válců) obvykle označuje jako motor s dvojitým horním vačkovým hřídelem, i když hovorově se někdy označují jako motory se „čtyřmi vačkami“.
V motoru s horním ventilem vačkový hřídel tlačí na tlačnou tyč, která přenáší pohyb do horní části motoru, kde vahadlo otevírá sací/výfukový ventil. U motorů s rozvodem OHC a DOHC ovládá vačkový hřídel ventil přímo nebo prostřednictvím krátkého vahadla.
Pohonné systémyUpravit
Přesné řízení polohy a otáček vačkového hřídele je kriticky důležité pro správnou funkci motoru. Vačkový hřídel je poháněn klikovým hřídelem buď přímo, obvykle prostřednictvím ozubeného pryžového rozvodového řemene, nebo ocelovým válečkovým řetězem (tzv. rozvodový řetěz). Příležitostně se k pohonu vačkového hřídele používají také ozubená kola. V některých konstrukcích vačkový hřídel pohání také rozdělovač, olejové čerpadlo, palivové čerpadlo a příležitostně čerpadlo posilovače řízení.
Alternativou používanou v počátcích motorů OHC byl pohon vačkového hřídele (vačkových hřídelů) prostřednictvím svislé hřídele s kuželovými ozubenými koly na obou koncích. Tento systém se používal například u vozů Peugeot a Mercedes Grand Prix před první světovou válkou. Další možností bylo použití trojitého excentru s ojnicemi; ty se používaly u některých motorů navržených W. O. Bentleym a také u vozů Leyland Eight.
U dvoutaktního motoru, který používá vačkový hřídel, se každý ventil otevře jednou při každé otáčce klikového hřídele; u těchto motorů se vačkový hřídel otáčí stejnou rychlostí jako klikový hřídel. U čtyřdobého motoru se ventily otevírají jen o polovinu častěji; na každou otáčku vačkového hřídele tak připadají dvě plné otáčky klikového hřídele.
Výkonové charakteristikyUpravit
Doba trváníEdit
Doba trvání vačkového hřídele určuje, jak dlouho je sací/výfukový ventil otevřený, a proto je klíčovým faktorem pro množství výkonu, který motor produkuje. Delší doba trvání může zvýšit výkon při vysokých otáčkách motoru (RPM), což však může být spojeno s kompromisem v podobě nižšího točivého momentu při nízkých otáčkách.
Měření doby trvání vačkového hřídele je ovlivněno velikostí zdvihu, která je zvolena jako počáteční a koncový bod měření. Jako standardní postup měření se často používá hodnota zdvihu 0,050 palce (1,3 mm), protože je považována za nejreprezentativnější pro rozsah zdvihu, který definuje rozsah otáček, v němž motor produkuje maximální výkon. Výkonové a volnoběžné charakteristiky vačkového hřídele se stejnou délkou trvání, která byla stanovena s použitím jiných bodů zdvihu (například 0,006 nebo 0,002 palce), se mohou značně lišit od vačkového hřídele s délkou trvání stanovenou pomocí bodů zdvihu 0,05 palce.
Druhotným účinkem zvýšené délky trvání může být zvýšené překrytí, které určuje dobu, po kterou jsou sací i výfukové ventily otevřené. Právě překrytí nejvíce ovlivňuje kvalitu volnoběhu, protože „profukování“ sací náplně okamžitě zpět výfukovým ventilem, ke kterému dochází při překrytí, snižuje účinnost motoru a je největší při nízkých otáčkách. Obecně platí, že zvýšení doby trvání vačkového hřídele obvykle zvyšuje překrytí, pokud se nezvýší úhel rozpojení laloků, aby se to kompenzovalo.
LiftEdit
Zdvih vačkového hřídele určuje vzdálenost mezi ventilem a sedlem ventilu (tj. jak moc je ventil otevřený). Čím dále se ventil zvedá od svého sedla, tím větší průtok vzduchu může být zajištěn, čímž se zvyšuje produkovaný výkon. Vyšší zdvih ventilů může mít stejný účinek na zvýšení špičkového výkonu jako prodloužení doby trvání, a to bez nevýhod způsobených zvýšeným překrytím ventilů. Většina motorů s horními ventily má poměr vahadel větší než jedna, proto je vzdálenost, na kterou se ventil otevře (zdvih ventilu), větší než vzdálenost od vrcholu laloku vačkového hřídele k základní kružnici (zdvih vačkového hřídele).
Existuje několik faktorů, které omezují maximální možný zdvih u daného motoru. Zaprvé, zvyšující se zdvih přibližuje ventily k pístu, takže nadměrný zdvih by mohl způsobit náraz pístu do ventilů a jejich poškození. Za druhé, zvýšený zdvih znamená, že je zapotřebí strmější profil vačkového hřídele, což zvyšuje síly potřebné k otevření ventilu. Souvisejícím problémem je vznášení ventilů při vysokých otáčkách, kdy napětí pružiny neposkytuje dostatečnou sílu, aby udrželo ventil za vačkou na jejím vrcholu nebo zabránilo jeho odskočení při návratu do ventilového sedla. To může být důsledkem velmi strmého stoupání vačkového laloku, kdy se vačkový sledovač oddělí od vačkového laloku (v důsledku toho, že setrvačnost ventilového rozvodu je větší než uzavírací síla ventilové pružiny) a ventil zůstane otevřený déle, než bylo zamýšleno. Vznášení ventilů způsobuje ztrátu výkonu při vysokých otáčkách a v extrémních situacích může mít za následek ohnutí ventilu, pokud do něj narazí píst.
TimingEdit
Časování (fázový úhel) vačkového hřídele vzhledem ke klikovému hřídeli lze nastavit tak, aby se výkonové pásmo motoru posunulo do jiného rozsahu otáček. Předsunutí vačkového hřídele (posunutí před časování klikového hřídele) zvyšuje točivý moment v nízkých otáčkách, zatímco zpomalení vačkového hřídele (posunutí za klikový hřídel) zvyšuje výkon ve vysokých otáčkách. Potřebné změny jsou relativně malé, často v řádu 5 stupňů.
Moderní motory, které mají proměnné časování ventilů, jsou často schopny nastavit časování vačkového hřídele podle otáček motoru v daném okamžiku. Tím se lze vyhnout výše uvedenému kompromisu, který je nutný při volbě pevného časování vaček pro použití jak při vysokých, tak při nízkých otáčkách.
Úhel oddělení lalokůPravit
Úhel oddělení laloků (LSA, také nazývaný úhel osy laloků) je úhel mezi osou sacích laloků a osou výfukových laloků. Vyšší LSA snižuje překrytí, což zlepšuje kvalitu volnoběhu a podtlak v sání, avšak použití širšího LSA ke kompenzaci nadměrné doby trvání může snížit výkon a točivý moment. Obecně platí, že optimální LSA pro daný motor souvisí s poměrem objemu válce a plochy sacích ventilů.
Údržba a opotřebeníUpravit
Mnoho starších motorů vyžadovalo ruční seřízení vahadel nebo tlačných tyčí, aby se při opotřebení ventilového rozvodu (zejména ventilů a sedel ventilů) zachovala správná ventilové vůle. Většina moderních automobilových motorů má však hydraulická zdvihátka, která automaticky vyrovnávají opotřebení, čímž odpadá nutnost seřizovat ventilovou vůli v pravidelných intervalech.
Klouzavé tření mezi povrchem vačky a vačkovým kladívkem, které na ní dosedá, může být značné. Aby se snížilo opotřebení v tomto bodě, jsou vačka i následovník povrchově zpevněny a moderní motorové oleje obsahují aditiva, která snižují kluzné tření. Laloky vačkového hřídele jsou obvykle mírně zúžené a čela zdvihátek ventilů mírně klenutá, což způsobuje, že se zdvihátka otáčejí a rozkládají tak opotřebení dílů. Povrchy vačky a vahadla jsou navrženy tak, aby se „opotřebovávaly“ společně, a proto by každé vahadlo mělo zůstat u svého původního vačkového laloku a nikdy by se nemělo přesouvat na jiný lalok. Některé motory (zejména ty se strmými laloky vačkového hřídele) používají válečkové kuželky, které snižují kluzné tření na vačkovém hřídeli.
Ložiska vačkových hřídelů, podobně jako u klikového hřídele, jsou kluzná ložiska, která jsou napájena tlakovým olejem. Ložiska horních vačkových hřídelí však nemají vždy vyměnitelné pláště, v takovém případě je nutné v případě poruchy ložisek vyměnit celou hlavu válců.
AlternativyEdit
Kromě mechanického tření je k otevření ventilů proti odporu kladenému ventilovými pružinami zapotřebí značné síly. Ta může činit odhadem až 25 % celkového výkonu motoru při volnoběhu, což snižuje celkovou účinnost.
U spalovacích motorů byly použity následující alternativní systémy:
- Desmodromické ventily, kde jsou ventily pozitivně zavírány vačkou a pákovým systémem namísto pružin. Tento systém se používá u různých závodních a silničních motocyklů Ducatti od roku 1956, kdy byl představen na závodním motocyklu Ducati 125 Desmo.
- Bezvačkové pístové motory, které používají elektromagnetické, hydraulické nebo pneumatické pohony. Poprvé byl použit v přeplňovaných motorech Renault Formule 1 v polovině 80. let a je určen pro použití v silničních automobilech Koenigsegg Gemera.
- Wankelův motor, rotační motor, který nepoužívá písty ani ventily. Nejvýrazněji jej používala Mazda od modelu Mazda Cosmo z roku 1967 až do ukončení výroby modelu Mazda RX-8 v roce 2012.