Nokkenas
In zuigermotoren wordt de nokkenas gebruikt om de inlaat- en uitlaatkleppen te bedienen. De nokkenas bestaat uit een cilindervormige stang die over de lengte van de cilinderbank loopt, met een aantal nokken (schijven met uitstekende nokkenlobben) over de lengte, één voor elke klep. Een nokkenlob duwt een klep open door op de klep, of op een tussenmechanisme, te drukken terwijl hij draait. Ondertussen oefent een veer een spanning uit die de klep naar zijn gesloten stand trekt. Wanneer de nokkenschijf zijn grootste verplaatsing op de stoterstang bereikt, is de klep volledig open. De klep is gesloten wanneer de veer hem terugtrekt en de nok zich op zijn basiscirkel bevindt.
ConstructieEdit
Nokkenassen zijn gemaakt van metaal en zijn meestal massief, hoewel holle nokkenassen soms worden gebruikt. De materialen die voor een nokkenas worden gebruikt, zijn gewoonlijk ofwel:
- Gietijzer: Gewoonlijk gebruikt in hoog volume productie, gekoeld ijzer nokkenassen hebben een goede slijtvastheid omdat het koelproces hen verhardt. Andere elementen worden vóór het gieten aan het ijzer toegevoegd om het materiaal geschikter te maken voor de toepassing ervan.
- Billetstaal: Wanneer een nokkenas van hoge kwaliteit of een productie in kleine aantallen vereist is, kiezen motorbouwers en nokkenasfabrikanten voor stalen billet. Dit is een veel tijdrovender proces, en is over het algemeen duurder dan andere methoden. De constructiemethode is meestal ofwel smeden, machinaal bewerken (met een metaaldraaibank of freesmachine), gieten of hydrovormen. Er kunnen verschillende soorten stalen staven worden gebruikt, bijvoorbeeld EN40b. Bij de vervaardiging van een nokkenas uit EN40b wordt de nokkenas ook een warmtebehandeling met gasnitriding ondergaan, waardoor de microstructuur van het materiaal verandert. Dit geeft een oppervlaktehardheid van 55-60 HRC, geschikt voor gebruik in motoren met hoge prestaties.
Kleptrein lay-outsEdit
De meeste vroege verbrandingsmotoren gebruikten een nokken-in-blok lay-out (zoals bovenliggende kleppen), waar de nokkenas is gelegen in het motorblok in de buurt van de onderkant van de motor. Naarmate de motortoerentallen in de 20e eeuw toenamen, werden motoren met een enkele bovenliggende nokkenas (SOHC) – waarbij de nokkenas zich in de cilinderkop bevindt – steeds gebruikelijker, in recentere jaren gevolgd door motoren met een dubbele bovenliggende nokkenas (DOHC).
De lay-out van de kleppenstelsels wordt bepaald door het aantal nokkenassen per cilinderbank. Daarom wordt een V6-motor met in totaal vier nokkenassen (twee per cilinderbank) meestal een dubbele bovenliggende nokkenasmotor genoemd, hoewel ze in de volksmond soms “quad-cam” motoren worden genoemd.
In een bovenliggende klepmotor drukt de nokkenas op een stoterstang die de beweging overbrengt naar de bovenkant van de motor, waar een tuimelaar de inlaat-/uitlaatklep opent. Bij OHC- en DOHC-motoren bedient de nokkenas de klep rechtstreeks of via een korte tuimelaar.
AandrijfsystemenEdit
Nauwkeurige regeling van de stand en het toerental van de nokkenas is van cruciaal belang voor een goede werking van de motor. De nokkenas wordt aangedreven door de krukas, hetzij rechtstreeks, gewoonlijk via een getande rubberen distributieriem of een stalen rolketting (timing chain genoemd). Soms worden ook tandwielen gebruikt om de nokkenas aan te drijven. In sommige ontwerpen drijft de nokkenas ook de verdeler, de oliepomp, de brandstofpomp en soms de stuurbekrachtigingspomp aan.
Een alternatief dat in de begindagen van OHC-motoren werd gebruikt, was de nokkenas(sen) aan te drijven via een verticale as met conische tandwielen aan elk uiteinde. Dit systeem werd bijvoorbeeld gebruikt op de Peugeot en Mercedes Grand Prix auto’s van voor de eerste wereldoorlog. Een andere mogelijkheid was het gebruik van een drievoudige excentriek met drijfstangen; deze werden gebruikt op bepaalde door W.O. Bentley ontworpen motoren en ook op de Leyland Eight.
In een tweetaktmotor die een nokkenas gebruikt, wordt elke klep bij elke omwenteling van de krukas eenmaal geopend; bij deze motoren draait de nokkenas met dezelfde snelheid als de krukas. In een viertaktmotor worden de kleppen slechts half zo vaak geopend; voor elke omwenteling van de nokkenas vinden dus twee volledige omwentelingen van de krukas plaats.
PrestatiekenmerkenEdit
DuurEdit
De duur van de nokkenas bepaalt hoe lang de inlaat-/uitlaatklep open staat, en is daarom een belangrijke factor voor de hoeveelheid vermogen die een motor produceert. Een langere duur kan het vermogen verhogen bij hoge toerentallen (RPM), maar dit kan gepaard gaan met minder koppel bij lage RPM.
De duurmeting voor een nokkenas wordt beïnvloed door de hoeveelheid lift die wordt gekozen als begin- en eindpunt van de meting. Een liftwaarde van 1,3 mm (0,050 in) wordt vaak als standaardmeetprocedure gebruikt, omdat dit als het meest representatief wordt beschouwd voor het liftbereik dat het toerentalbereik bepaalt waarin de motor zijn piekvermogen levert. Het vermogen en de stationaire karakteristieken van een nokkenas met dezelfde duur die is bepaald met behulp van verschillende lift punten (bijvoorbeeld 0,006 of 0,002 inch) kan veel anders zijn dan een nokkenas met een duur gewaardeerd met behulp van lift punten van 0,05 inch.
Een secundair effect van een langere duur kan zijn een grotere overlap, die bepaalt hoe lang zowel de inlaat-en uitlaatkleppen open zijn. Het is de overlap die het meest van invloed is op de stationaire kwaliteit, in zoverre dat de “blow-through” van de inlaatlading onmiddellijk terug door de uitlaatklep, die optreedt tijdens de overlap vermindert de efficiëntie van de motor, en is het grootst tijdens lage RPM werking. In het algemeen is het zo dat door het verlengen van de nokkenas de overlap toeneemt, tenzij de Lobe Separation Angle wordt vergroot om dit te compenseren.
LiftEdit
De lift van de nokkenas bepaalt de afstand tussen de klep en de klepzitting (d.w.z. hoe ver de klep open is). Hoe verder de klep van de zitting af staat, hoe meer lucht er kan stromen, waardoor het geproduceerde vermogen toeneemt. Een grotere kleplift kan hetzelfde effect van meer piekvermogen hebben als een langere duur, zonder de nadelen van een grotere klepoverlapping. De meeste motoren met bovenliggende kleppen hebben een tuimelverhouding van meer dan één, waardoor de afstand dat de klep opengaat (de kleplift) groter is dan de afstand van de top van de nokkenaslob tot de basiscirkel (de nokkenaslift).
Er zijn verschillende factoren die de maximale hoeveelheid lift die voor een bepaalde motor mogelijk is beperken. Ten eerste brengt een grotere nokhoogte de kleppen dichter bij de zuiger, zodat een te grote nokhoogte ertoe kan leiden dat de kleppen door de zuiger worden geraakt en beschadigd. Ten tweede betekent een grotere lift dat een steiler nokkenasprofiel nodig is, waardoor de krachten die nodig zijn om de klep te openen toenemen. Een verwant probleem is het zweven van de kleppen bij hoge toerentallen, waarbij de veerspanning niet voldoende kracht levert om de klep op het toppunt van de nok achter de nok te houden of te voorkomen dat de klep stuitert wanneer deze terugkeert naar de klepzitting. Dit kan het gevolg zijn van een zeer steile stijging van de nokkenschijf, waarbij de nokvolger loskomt van de nokkenschijf (doordat de traagheid van de kleppentrein groter is dan de sluitkracht van de klepveer), waardoor de klep langer dan bedoeld open blijft staan. Het zweven van de kleppen veroorzaakt een verlies aan vermogen bij hoge toerentallen en kan in extreme situaties resulteren in een verbogen klep als deze door de zuiger wordt geraakt.
TimingEdit
De timing (fasehoek) van de nokkenas ten opzichte van de krukas kan worden aangepast om de vermogensband van een motor te verschuiven naar een ander toerentalgebied. Het vervroegen van de nokkenas (verschuiven naar voor de krukas timing) verhoogt het koppel bij lage toeren, terwijl het vertragen van de nokkenas (verschuiven naar na de krukas) het vermogen bij hoge toeren verhoogt. De benodigde veranderingen zijn relatief klein, vaak in de orde van grootte van 5 graden.
Moderne motoren met variabele kleptiming zijn vaak in staat om de timing van de nokkenas aan te passen aan het toerental van de motor op een bepaald moment. Dit voorkomt het bovengenoemde compromis dat nodig is bij het kiezen van een vaste nokkenastiming voor gebruik bij zowel hoge als lage toerentallen.
Scheidingshoek van de lobben
De scheidingshoek van de lobben (LSA, ook wel kwab middellijn hoek genoemd) is de hoek tussen de middellijn van de inlaatlobben en de middellijn van de uitlaatlobben. Een hogere LSA vermindert de overlap, waardoor het stationair toerental en het inlaatvacuüm verbeteren, maar als een bredere LSA wordt gebruikt om een te lange duur te compenseren, kan dat het vermogen en het koppel verminderen. In het algemeen is de optimale LSA voor een bepaalde motor gerelateerd aan de verhouding tussen het cilindervolume en het inlaatklepgebied.
Onderhoud en slijtageEdit
Veel oudere motoren vereisten handmatige afstelling van de tuimelaars of stoterstangen om de klepspeling correct te houden naarmate de kleppen verslijten (met name de kleppen en klepzittingen). De meeste moderne automotoren hebben echter hydraulische hefbomen die automatisch de slijtage compenseren, zodat de klepspeling niet meer regelmatig hoeft te worden afgesteld.
De schuifwrijving tussen het oppervlak van de nok en de nokvolger die erop zit, kan aanzienlijk zijn. Om de slijtage op dit punt te beperken, zijn de nok en de nokvolger beide gehard en bevatten moderne motoroliën additieven om de schuifwrijving te verminderen. De lobben van de nokkenas zijn gewoonlijk licht conisch en de vlakken van de klepstoters licht gewelfd, waardoor de stoterstangen draaien om de slijtage op de onderdelen te verdelen. De oppervlakten van de nok en de volger zijn ontworpen om samen “in” te slijten, en daarom zou elke volger bij zijn originele nokkenlob moeten blijven en nooit aan een verschillende lob worden bewogen. Sommige motoren (vooral die met steile nokkenaslobben) gebruiken rolstoters om de schuifwrijving op de nokkenas te verminderen.
De lagers van nokkenassen, vergelijkbaar met die voor de krukas, zijn glijlagers die onder druk met olie worden gevoed. De lagers van de bovenliggende nokkenas hebben echter niet altijd vervangbare schalen, in welk geval de hele cilinderkop moet worden vervangen als de lagers defect zijn.
AlternatievenEdit
Naast de mechanische wrijving is aanzienlijke kracht nodig om de kleppen te openen tegen de weerstand die de klepveren bieden. Dit kan oplopen tot naar schatting 25% van het totale vermogen van een motor bij stationair toerental, waardoor het totale rendement daalt.
De volgende alternatieve systemen zijn gebruikt bij verbrandingsmotoren:
- Desmodromische kleppen, waarbij de kleppen positief worden gesloten door een nok- en hefboomsysteem in plaats van door veren. Dit systeem is gebruikt op verschillende Ducatti race- en wegmotorfietsen sinds het werd geïntroduceerd op de Ducati 125 Desmo racefiets uit 1956.
- Nokkenloze zuigermotor, die gebruik maakt van elektromagnetische, hydraulische of pneumatische aandrijvingen. Voor het eerst gebruikt in turbo-opgeladen Renault Formule 1-motoren in het midden van de jaren 1980 en gepland voor de weg auto te gebruiken in de Koenigsegg Gemera.
- Wankelmotor, een roterende motor die geen zuigers of kleppen gebruikt. Vooral gebruikt door Mazda vanaf de Mazda Cosmo 1967 tot de Mazda RX-8 in 2012 uit productie werd genomen.