Arbore cu came
La motoarele cu piston, arborele cu came este utilizat pentru a acționa supapele de admisie și de evacuare. Arborele cu came constă dintr-o tijă cilindrică care se deplasează pe lungimea bancului de cilindri cu un număr de came (discuri cu lobi de came proeminenți) de-a lungul lungimii sale, câte una pentru fiecare supapă. Un lob de came forțează o supapă să se deschidă apăsând pe supapă sau pe un mecanism intermediar, în timp ce se rotește. Între timp, un resort exercită o tensiune care trage supapa spre poziția închisă. Atunci când lobul atinge cea mai mare deplasare pe tija de împingere, supapa este complet deschisă. Supapa este închisă atunci când arcul o trage înapoi și camele se află pe cercul său de bază.
ConstrucțieEdit
Arborele cu came este fabricat din metal și este de obicei masiv, deși uneori se folosesc arbori cu came goi. Materialele utilizate pentru un arbore cu came sunt, de obicei, fie:
- Fierul turnat: Utilizate în mod obișnuit în producția de mare volum, arborii cu came din fontă răcită au o bună rezistență la uzură, deoarece procesul de răcire îi întărește. Alte elemente sunt adăugate fierului înainte de turnare pentru a face materialul mai potrivit pentru aplicația sa.
- Oțel de turnare: Atunci când este nevoie de un arbore cu came de înaltă calitate sau de o producție de volum redus, constructorii de motoare și producătorii de arbori cu came aleg bucata de oțel. Acesta este un proces care necesită mult mai mult timp și, în general, este mai scump decât alte metode. Metoda de construcție este, de obicei, fie forjarea, fie prelucrarea (cu ajutorul unui strung metalic sau al unei mașini de frezat), fie turnarea sau hidroformarea. Pot fi utilizate diferite tipuri de bare de oțel, un exemplu fiind EN40b. Atunci când se fabrică un arbore cu came din EN40b, arborele cu came va fi, de asemenea, tratat termic prin nitrurare cu gaz, care modifică microstructura materialului. Aceasta oferă o duritate a suprafeței de 55-60 HRC, potrivită pentru utilizarea în motoarele de înaltă performanță.
Layouturi de distribuție a supapelorEdit
Majoritatea motoarelor cu ardere internă timpurii au folosit o dispunere cu came în bloc (cum ar fi supapele în cap), în care arborele cu came este amplasat în interiorul blocului motor, aproape de partea inferioară a motorului. Pe măsură ce turațiile motoarelor au crescut de-a lungul secolului XX, motoarele cu un singur arbore cu came în cap (SOHC) – în care arborele cu came este amplasat în interiorul capului cilindrilor, aproape de partea superioară a motorului – au devenit din ce în ce mai frecvente, urmate de motoarele cu dublu arbore cu came în cap (DOHC) în anii mai recenți.
Dispoziția arborelui cu came este definită în funcție de numărul de arbori cu came pe banc de cilindri. Prin urmare, un motor V6 cu un total de patru arbori cu came (două pe fiecare banc de cilindri) este denumit de obicei un motor cu dublu arbore cu came în cap, deși colocvial sunt uneori denumite motoare „quad-cam”.
Într-un motor cu supape în cap, arborele cu came apasă pe o tijă de împingere care transferă mișcarea în partea superioară a motorului, unde un culbutor deschide supapa de admisie/evacuare. În cazul motoarelor OHC și DOHC, arborele cu came acționează supapa direct sau prin intermediul unei bascule scurte.
Sisteme de acționareEdit
Controlul precis al poziției și turației arborelui cu came este extrem de important pentru a permite funcționarea corectă a motorului. Arborele cu came este acționat de arborele cotit fie direct, de obicei prin intermediul unei curele de distribuție dințate din cauciuc, fie printr-un lanț cu role din oțel (numit lanț de distribuție). De asemenea, ocazional au fost folosite angrenaje pentru a acționa arborele cu came. În unele modele, arborele cu came acționează, de asemenea, distribuitorul, pompa de ulei, pompa de combustibil și, ocazional, pompa de servodirecție.
O alternativă utilizată în primele zile ale motoarelor OHC a fost acționarea arborelui (arborilor) cu came prin intermediul unui arbore vertical cu angrenaje conice la fiecare capăt. Acest sistem a fost, de exemplu, utilizat la automobilele Peugeot și Mercedes Grand Prix de dinainte de Primul Război Mondial. O altă opțiune a fost folosirea unui excentric triplu cu biele; acestea au fost folosite la anumite motoare proiectate de W.O. Bentley și, de asemenea, la Leyland Eight.
Într-un motor în doi timpi care folosește un arbore cu came, fiecare supapă este deschisă o dată pentru fiecare rotație a arborelui cotit; la aceste motoare, arborele cu came se rotește cu aceeași viteză ca și arborele cotit. La un motor în patru timpi, supapele se deschid doar de două ori mai rar; astfel, pentru fiecare rotație a arborelui cu came au loc două rotații complete ale arborelui cotit.
Caracteristici de performanțăEdit
DurataEdit
Durata arborelui cu came determină cât timp este deschisă supapa de admisie/evacuare, prin urmare este un factor cheie în ceea ce privește cantitatea de putere pe care o produce un motor. O durată mai mare poate crește puterea la turații ridicate ale motorului (RPM), însă acest lucru poate veni la schimb cu un cuplu mai mic produs la turații joase.
Măsurarea duratei unui arbore cu came este afectată de valoarea ridicării care este aleasă ca punct de început și de sfârșit al măsurării. O valoare de ridicare de 0,050 in (1,3 mm) este adesea utilizată ca procedură standard de măsurare, deoarece aceasta este considerată cea mai reprezentativă pentru intervalul de ridicare care definește intervalul de turații în care motorul produce puterea maximă. Caracteristicile de putere și de ralanti ale unui arbore cu came cu aceeași valoare a duratei care a fost determinată folosind puncte de ridicare diferite (de exemplu, 0,006 sau 0,002 inch) ar putea fi mult diferite față de un arbore cu came cu o durată evaluată folosind puncte de ridicare de 0,05 inch.
Un efect secundar al creșterii duratei poate fi creșterea suprapunerii, care determină durata de timp în care sunt deschise atât supapele de admisie, cât și cele de evacuare. Suprapunerea este cea care afectează cel mai mult calitatea ralantiului, în măsura în care „suflarea” încărcăturii de admisie imediat înapoi prin supapa de evacuare, care are loc în timpul suprapunerii, reduce eficiența motorului și este cea mai mare în timpul funcționării la turații joase. În general, creșterea duratei unui arbore cu came crește de obicei suprapunerea, cu excepția cazului în care unghiul de separare a lobilor este mărit pentru a compensa.
LiftEdit
Lovitura arborelui cu came determină distanța dintre supapă și scaunul supapei (adică cât de deschisă este supapa). Cu cât supapa se ridică mai mult față de scaunul său, cu atât mai mult flux de aer poate fi asigurat, crescând astfel puterea produsă. O înălțime mai mare a supapei poate avea același efect de creștere a puterii maxime ca și creșterea duratei, fără dezavantajele cauzate de suprapunerea crescută a supapelor. Majoritatea motoarelor cu supape în cap au un raport de basculare mai mare de unu, prin urmare distanța pe care se deschide supapa (înălțimea supapei) este mai mare decât distanța de la vârful lobului arborelui cu came până la cercul de bază (înălțimea arborelui cu came).
Există mai mulți factori care limitează valoarea maximă a înălțimii posibile pentru un anumit motor. În primul rând, creșterea înălțimii aduce supapele mai aproape de piston, astfel încât o înălțime excesivă ar putea face ca supapele să fie lovite și deteriorate de piston. În al doilea rând, creșterea portanței înseamnă că este necesar un profil mai abrupt al arborelui cu came, ceea ce mărește forțele necesare pentru a deschide supapa. O problemă conexă este flotarea supapei la turații ridicate, în cazul în care tensiunea arcului nu asigură o forță suficientă pentru a menține supapa în urma camei la vârf sau pentru a împiedica supapa să ricoșeze atunci când se întoarce la scaunul supapei. Acest lucru ar putea fi rezultatul unei creșteri foarte abrupte a lobului, în cazul în care urmașul camei se separă de lobul camei (din cauza faptului că inerția grupului de supape este mai mare decât forța de închidere a arcului supapei), lăsând supapa deschisă mai mult timp decât era prevăzut. Flotarea supapei cauzează o pierdere de putere la turații ridicate și, în situații extreme, poate duce la îndoirea supapei dacă aceasta este lovită de piston.
TimingEdit
Timparea (unghiul de fază) a arborelui cu came în raport cu arborele cotit poate fi reglată pentru a deplasa banda de putere a unui motor într-un interval diferit de turații. Avansarea arborelui cu came (deplasarea acestuia înaintea sincronizării arborelui cotit) mărește cuplul la turații joase, în timp ce întârzierea arborelui cu came (deplasarea acestuia după arborele cotit) mărește puterea la turații înalte. Modificările necesare sunt relativ mici, adesea de ordinul a 5 grade.
Motoarele moderne care au distribuție variabilă a supapelor sunt adesea capabile să regleze sincronizarea arborelui cu came pentru a se adapta la turația motorului la un moment dat. Astfel, se evită compromisul de mai sus, necesar atunci când se alege o distribuție fixă a camei pentru a fi utilizată atât la turații înalte, cât și la turații joase.
Unghiul de separare a lobilorEdit
Unghiul de separare a lobilor (LSA, numit și unghiul de axare a lobilor) este unghiul dintre axul lobilor de admisie și axul lobilor de evacuare. Un LSA mai mare reduce suprapunerea, ceea ce îmbunătățește calitatea ralantiului și vidul de admisie, însă utilizarea unui LSA mai larg pentru a compensa durata excesivă poate reduce puterea și cuplul de ieșire. În general, LSA optimă pentru un anumit motor este legată de raportul dintre volumul cilindrului și suprafața supapei de admisie.
Întreținere și uzurăEdit
Multe motoare mai vechi necesitau reglarea manuală a culbutorilor sau a tijelor de împingere pentru a menține jocul corect al supapelor pe măsură ce sistemul de distribuție se uzează (în special supapele și scaunele supapelor). Cu toate acestea, majoritatea motoarelor auto moderne au ridicători hidraulici care compensează automat uzura, eliminând necesitatea de a regla jocul supapelor la intervale regulate.
Frecarea prin alunecare între suprafața camei și urmașul de came care se deplasează pe ea poate fi considerabilă. Pentru a reduce uzura în acest punct, atât camele, cât și suveica sunt întărite la suprafață, iar uleiurile de motor moderne conțin aditivi pentru a reduce frecarea de alunecare. Lobii arborelui cu came sunt, de obicei, ușor conici, iar fețele ridicătorilor de supapă sunt ușor bombate, ceea ce face ca ridicătorii să se rotească pentru a distribui uzura pe piese. Suprafețele camei și ale suveicii sunt proiectate să se „uzeze” împreună și, prin urmare, fiecare suveică trebuie să rămână cu lobul de came original și să nu fie niciodată mutată pe un lob diferit. Unele motoare (în special cele cu lobi abrupți ai arborelui cu came) folosesc pistoane cu role pentru a reduce frecarea de alunecare pe arborele cu came.
Rulmenții arborelui cu came, asemănători cu cei ai arborelui cotit, sunt rulmenți cu alunecare care sunt alimentați cu ulei sub presiune. Cu toate acestea, rulmenții arborelui cu came în cap nu au întotdeauna învelișuri înlocuibile, caz în care întregul cap de cilindru trebuie înlocuit dacă rulmenții sunt defecți.
AlternativeEdit
În plus față de frecarea mecanică, este necesară o forță considerabilă pentru a deschide supapele împotriva rezistenței oferite de arcurile supapelor. Acest lucru se poate ridica la o valoare estimată la 25% din puterea totală a unui motor la ralanti, reducând eficiența generală.
La motoarele cu combustie internă au fost utilizate următoarele sisteme alternative:
- Supape desmodromice, în care supapele sunt închise pozitiv de un sistem de came și pârghii, mai degrabă decât de arcuri. Acest sistem a fost utilizat pe diverse motociclete de curse și de șosea Ducatti de când a fost introdus pe motocicleta de curse Ducati 125 Desmo din 1956.
- Motor cu piston fără came, care utilizează actuatori electromagnetici, hidraulici sau pneumatici. Folosit pentru prima dată la motoarele turbo Renault de Formula 1 la mijlocul anilor 1980 și prevăzut pentru utilizarea pe mașini de șosea la Koenigsegg Gemera.
- Motor Wankel, un motor rotativ care nu utilizează nici pistoane, nici supape. Folosit mai ales de Mazda de la Mazda Cosmo din 1967 până la renunțarea la Mazda RX-8 în 2012.
.