Kamaxel

Nockaxelaxlar tillverkas av metall och är vanligen massiva, även om ihåliga kamaxlar ibland används. De material som används för en kamaxel är vanligtvis antingen:

• Gjutjärn: Nockaxlar av kallt järn, som vanligen används i högvolymproduktion, har god slitstyrka eftersom kylningsprocessen härdar dem. Andra element tillsätts till järnet före gjutning för att göra materialet mer lämpligt för sin tillämpning.
• Billetstål: När det krävs en kamaxel av hög kvalitet eller lågvolymproduktion väljer motorbyggare och kamaxeltillverkare stålbilletstål. Detta är en mycket mer tidskrävande process och är i allmänhet dyrare än andra metoder. Konstruktionsmetoden är vanligtvis antingen smide, maskinbearbetning (med hjälp av en metallsvarv eller fräsmaskin), gjutning eller hydroformning. Olika typer av stålstänger kan användas, ett exempel är EN40b. Vid tillverkning av en kamaxel av EN40b kommer kamaxeln också att värmebehandlas genom gasnitrering, vilket förändrar materialets mikrostruktur. Det ger en ythårdhet på 55-60 HRC som är lämplig för användning i högpresterande motorer.

Ventilenhetens utformningRedigera

De flesta tidiga förbränningsmotorer använde sig av en cam-in-block-layout (t.ex. överliggande ventiler), där kamaxeln är placerad i motorblocket nära botten av motorn. I takt med att motorhastigheterna ökade under 1900-talet blev motorer med enkel överliggande kamaxel (SOHC) – där kamaxeln är placerad i cylinderhuvudet nära toppen av motorn – allt vanligare, följt av motorer med dubbel överliggande kamaxel (DOHC) på senare år.

Valvhusets utformning definieras enligt antalet kamaxlar per cylinderbank. En V6-motor med totalt fyra kamaxlar (två per cylinderbank) brukar därför kallas en motor med dubbla överliggande kamaxlar, även om de i vardagligt tal ibland kallas ”fyrkammarmotorer”.

I en motor med överliggande ventiler trycker kamaxeln på en stötstång som överför rörelsen till motorns överdel, där en gungbräda öppnar insugs- eller utloppsventilen. För OHC- och DOHC-motorer driver kamaxeln ventilen direkt eller via en kort vipparm.

DrivsystemRedigera

En exakt kontroll av kamaxelns position och hastighet är av avgörande betydelse för att motorn ska fungera korrekt. Kamaxeln drivs av vevaxeln antingen direkt, vanligtvis via en tandad tandrem i gummi eller en rullkedja i stål (så kallad timing chain). Ibland har också kugghjul använts för att driva kamaxeln. I vissa konstruktioner driver kamaxeln även fördelaren, oljepumpen, bränslepumpen och ibland servostyrningspumpen.

Ett alternativ som användes i början av OHC-motorerna var att driva kamaxeln/kamaxlarna via en vertikal axel med koniska kugghjul i varje ände. Detta system användes till exempel i Peugeot och Mercedes Grand Prix-bilar från tiden före första världskriget. Ett annat alternativ var att använda en trippelexcentric med kopplingsstänger; dessa användes på vissa motorer konstruerade av W.O. Bentley och även på Leyland Eight.

I en tvåtaktsmotor som använder en kamaxel öppnas varje ventil en gång för varje rotation av vevaxeln; i dessa motorer roterar kamaxeln med samma hastighet som vevaxeln. I en fyrtaktsmotor öppnas ventilerna bara hälften så ofta; således sker två hela rotationer av vevaxeln för varje rotation av kamaxeln.

PrestandaegenskaperRedigera

DurationEdit

Nockaxelaxelns duration bestämmer hur länge insugs-/utgasventilen är öppen, och är därför en nyckelfaktor för hur mycket effekt en motor producerar. En längre duration kan öka effekten vid höga motorvarvtal (RPM), men detta kan dock komma med en motprestation i form av mindre vridmoment som produceras vid låga RPM.

Durationsmätningen för en kamaxel påverkas av hur mycket lyft som väljs som start- och slutpunkt för mätningen. Ett lyftvärde på 1,3 mm (0,050 tum) används ofta som ett standardmätningsförfarande, eftersom detta anses vara mest representativt för det lyftområde som definierar det varvtalsområde där motorn producerar toppeffekt. Effekt- och tomgångsegenskaperna hos en kamaxel med samma varaktighetsvärde som har bestämts med hjälp av olika lyftpunkter (t.ex. 0,006 eller 0,002 tum) kan skilja sig mycket från en kamaxel med en varaktighet som bestämts med hjälp av lyftpunkter på 0,05 tum.

En sekundär effekt av ökad varaktighet kan vara ökad överlappning, som bestämmer hur länge både insugnings- och avgasventilerna är öppna. Det är överlappningen som påverkar tomgångskvaliteten mest, eftersom den ”genomblåsning” av insugningsladdningen omedelbart tillbaka ut genom avgasventilen som sker under överlappningen minskar motorns verkningsgrad och är störst vid låga varvtal. I allmänhet ökar en ökning av en kamaxels duration vanligtvis överlappningen, om inte lobe Separation Angle ökas för att kompensera.

LiftEdit

Namaxelns lyft bestämmer avståndet mellan ventilen och ventilsätet (dvs. hur långt öppen ventilen är). Ju längre ventilen höjer sig från sitt säte desto mer luftflöde kan tillhandahållas, vilket ökar den producerade kraften. Högre ventillyft kan ha samma effekt av ökad toppeffekt som ökad duration, utan de nackdelar som orsakas av ökad ventilöverlappning. De flesta motorer med överliggande ventiler har ett rockerförhållande som är större än ett, och därför är avståndet som ventilen öppnar (ventillyftet) större än avståndet från toppen av kamaxelns lobe till bascirkeln (kamaxellöftet).

Det finns flera faktorer som begränsar den maximala lyftmängden som är möjlig för en viss motor. För det första för en ökad lyftning ventilerna närmare kolven, så en alltför stor lyftning kan leda till att ventilerna träffas och skadas av kolven. För det andra innebär ökad lyftning att det krävs en brantare kamaxelprofil, vilket ökar de krafter som krävs för att öppna ventilen. Ett relaterat problem är ventilflytning vid höga varvtal, där fjäderspänningen inte ger tillräcklig kraft för att antingen hålla ventilen efter nocken vid dess topp eller förhindra att ventilen studsar när den återvänder till ventilsätet. Detta kan vara ett resultat av en mycket brant upphöjning av kamloben, där kamföljaren separerar från kamloben (på grund av att ventilsystemets tröghet är större än ventilfjäderns stängningskraft), vilket gör att ventilen är öppen längre än vad som var tänkt. Valve float orsakar en effektförlust vid höga varvtal och kan i extrema situationer resultera i en böjd ventil om den träffas av kolven.

TimingEdit

Den tidsmässiga inställningen (fasvinkeln) av kamaxeln i förhållande till vevaxeln kan justeras för att förflytta motorns effektband till ett annat varvtalsområde. Att flytta fram kamaxeln (flytta den före vevaxelns timing) ökar vridmomentet vid låga varvtal, medan att flytta tillbaka kamaxeln (flytta den efter vevaxeln) ökar effekten vid höga varvtal. De nödvändiga förändringarna är relativt små, ofta i storleksordningen 5 grader.

Moderna motorer som har variabel ventilstyrning kan ofta justera kamaxelns timing för att passa motorns varvtal vid varje given tidpunkt. På så sätt undviker man den ovan nämnda kompromiss som krävs när man väljer en fast kamstyrning för användning vid både högt och lågt varvtal.

SkärvseparationsvinkelRedigera

Skärvseparationsvinkeln (LSA, även kallad kärvcentreringsvinkel) är vinkeln mellan insugningsnockornas mittlinje och avgasnockornas mittlinje. En högre LSA minskar överlappningen, vilket förbättrar tomgångskvaliteten och insugningsvakuumet, men om man använder en bredare LSA för att kompensera för överdriven duration kan effekten och vridmomentet minska. I allmänhet är den optimala LSA för en viss motor relaterad till förhållandet mellan cylindervolym och insugningsventilarea.

Underhåll och slitageRedigera

Många äldre motorer krävde manuell justering av rockers eller stötstänger för att bibehålla rätt ventilspänning när ventilsystemet slits (i synnerhet ventilerna och ventilsätena). De flesta moderna bilmotorer har dock hydrauliska lyftare som automatiskt kompenserar för slitage, vilket eliminerar behovet av att justera ventilspelet med jämna mellanrum.

Glidfriktionen mellan kamens yta och den kamföljare som åker på den kan vara betydande. För att minska slitaget vid denna punkt är både kam och följare ythärdade, och moderna motoroljor innehåller tillsatser som minskar glidfriktionen. Nockaxelns nockar är vanligen något avsmalnande och ventillyftarnas ytor något välvda, vilket gör att lyftarna roterar för att fördela slitaget på delarna. Ytorna på kam och följare är utformade för att ”slitas in” tillsammans, och därför bör varje följare stanna vid sin ursprungliga kamnockslob och aldrig flyttas till en annan lobe. Vissa motorer (särskilt de med branta kamaxelaxlar) använder rullstudsar för att minska glidfriktionen på kamaxeln.

Namaxlarnas lager är, i likhet med vevaxelns lager, glidlager som är tryckmatade med olja. Lagren för överliggande kamaxlar har dock inte alltid utbytbara skal, vilket innebär att hela cylinderhuvudet måste bytas ut om lagren är defekta.

AlternativRedigera

Förutom den mekaniska friktionen krävs det en avsevärd kraft för att öppna ventilerna mot det motstånd som ventilfjädrarna ger. Detta kan uppgå till uppskattningsvis 25 % av en motors totala effekt vid tomgång, vilket minskar den totala effektiviteten.

Följande alternativa system har använts i förbränningsmotorer:

• Desmodromiska ventiler, där ventilerna stängs positivt av en kam och ett hävstångssystem i stället för av fjädrar. Detta system har använts på olika Ducatti tävlings- och landsvägsmotorcyklar sedan det introducerades på 1956 års Ducati 125 Desmo tävlingsmotorcykel.
• Kamlösa kolvmotorer, som använder elektromagnetiska, hydrauliska eller pneumatiska manöverdon. Användes för första gången i turboladdade Renault Formel 1-motorer i mitten av 1980-talet och är tänkt att användas för landsvägsbilar i Koenigsegg Gemera.
• Wankelmotor, en roterande motor som varken använder kolvar eller ventiler. Framför allt användes den av Mazda från 1967 års Mazda Cosmo till dess att Mazda RX-8 lades ned 2012.