Eixo de comando - Camshaft
Uma árvore de cames é um objeto giratório - geralmente feito de metal - que contém cames pontiagudos , que convertem o movimento rotacional em movimento recíproco. As árvores de cames são usadas em motores de combustão interna (para operar as válvulas de admissão e exaustão), sistemas de ignição controlados mecanicamente e controladores de velocidade de motores elétricos antigos. As árvores de cames nos automóveis são feitas de aço ou ferro fundido e são um fator chave na determinação da faixa de RPM da faixa de potência de um motor .
História
A árvore de cames foi descrita em 1206 pelo engenheiro islâmico Al-Jazari . Ele o empregou como parte de seus autômatos, máquinas de aumento de água e relógios de água , como o relógio do castelo .
Entre os primeiros carros a utilizar motores com uma única árvore de cames à cabeça estavam o Maudslay desenhado por Alexander Craig e lançado em 1902 e o Marr Auto Car desenhado pelo nativo de Michigan Walter Lorenzo Marr em 1903.
Motores de pistão
Em motores a pistão , o eixo de comando é usado para operar as válvulas de admissão e escape . A árvore de cames consiste em uma haste cilíndrica percorrendo o comprimento do banco de cilindros com uma série de cames (discos com lóbulos de came salientes ) ao longo de seu comprimento, um para cada válvula. Um lóbulo de came força a abertura de uma válvula pressionando a válvula, ou algum mecanismo intermediário, enquanto ela gira. Enquanto isso, uma mola exerce uma tensão puxando a válvula em direção à sua posição fechada. Quando o lóbulo atinge seu maior deslocamento na haste de pressão, a válvula está completamente aberta. A válvula é fechada quando a mola a puxa para trás e o came está em seu círculo básico.
Construção
As árvores de cames são feitas de metal e geralmente são sólidas, embora às vezes sejam usadas árvores de cames ocas. Os materiais usados para uma árvore de cames são geralmente:
- Ferro fundido: comumente usado na produção de alto volume, os eixos de comando de ferro resfriado têm boa resistência ao desgaste, pois o processo de resfriamento os endurece. Outros elementos são adicionados ao ferro antes da fundição para tornar o material mais adequado para sua aplicação.
- Tarugo de aço: quando um eixo de comando de válvulas de alta qualidade ou produção de baixo volume é necessário, os fabricantes de motores e de eixo de comando escolhem o tarugo de aço. Este é um processo muito mais demorado e geralmente mais caro do que outros métodos. O método de construção é geralmente forjamento , usinagem (usando um torno de metal ou fresadora ), fundição ou hidroformação . Diferentes tipos de barras de aço podem ser usados, sendo um exemplo a EN40b. Na fabricação de uma árvore de cames da EN40b, a árvore de cames também será tratada termicamente por meio de nitretação a gás , o que altera a microestrutura do material. Proporciona uma dureza superficial de 55-60 HRC , adequada para uso em motores de alto desempenho.
Layouts de Valvetrain
A maioria dos primeiros motores de combustão interna usava um layout de cam-in-block (como válvulas no alto), onde o eixo de cames está localizado dentro do bloco do motor perto da parte inferior do motor. Os primeiros motores de cabeça chata localizam as válvulas no bloco e o came atua diretamente nessas válvulas. Em um motor com válvula suspensa, que veio depois, o seguidor de came (levantador) transfere seu movimento para as válvulas na parte superior do motor por meio de uma haste e uma alavanca de balancim. À medida que as velocidades do motor aumentaram ao longo do século 20, motores de árvore de cames à cabeça simples (SOHC) - onde a árvore de cames está localizada dentro da cabeça do cilindro perto da parte superior do motor - tornaram-se cada vez mais comuns, seguidos por motores de árvore de cames à cabeça dupla (DOHC) nos anos mais recentes . Observe que muitos motores industriais e automotivos modernos continuam a usar o projeto de válvula no alto (com o came montado baixo no bloco do motor), que permite uma altura geral mais baixa do motor do que um projeto de came no cabeçote semelhante.
O layout do conjunto de válvulas é definido de acordo com o número de árvores de cames por banco de cilindros. Portanto, um motor V6 com um total de quatro eixos de comando (dois por banco de cilindros) é normalmente referido como um motor de eixo de comando duplo no cabeçote , embora coloquialmente sejam às vezes referidos como motores de " comando quádruplo".
Em um motor com válvula suspensa, o eixo de comando pressiona uma haste que transfere o movimento para o topo do motor, onde um balancim abre a válvula de admissão / escape. Para motores OHC e DOHC, o eixo de comando opera a válvula diretamente ou por meio de um balancim curto.
Sistemas de acionamento
O controle preciso da posição e da velocidade do eixo de comando é extremamente importante para permitir que o motor opere corretamente. O eixo de comando é acionado universalmente com exatamente metade da velocidade do virabrequim, seja diretamente, geralmente por meio de uma correia dentada de borracha ou de uma corrente de rolos de aço (denominada corrente de distribuição ). As engrenagens também têm sido usadas ocasionalmente para acionar a árvore de cames. Em alguns projetos, o eixo de comando também aciona o distribuidor , a bomba de óleo , a bomba de combustível e, ocasionalmente, a bomba de direção hidráulica. Em aplicações de serviço severas, como tratores agrícolas, motores industriais, motores de aeronaves movidos a pistão, caminhões pesados e motores de corrida, eixos de comando de engrenagens são comuns, devido à sua simplicidade mecânica e longa vida útil.
Uma alternativa usada nos primeiros dias dos motores OHC era acionar o (s) eixo (s) de comando (s) por meio de um eixo vertical com engrenagens cônicas em cada extremidade. Este sistema foi, por exemplo, usado nos carros Peugeot e Mercedes Grand Prix anteriores à Primeira Guerra Mundial . Outra opção era usar um excêntrico triplo com bielas; estes foram usados em certos motores projetados pela WO Bentley e também no Leyland Eight .
Em um motor de dois tempos que usa um eixo de comando de válvulas, cada válvula é aberta uma vez para cada rotação do virabrequim; nesses motores, o eixo de comando gira na mesma velocidade do virabrequim. Em um motor de quatro tempos , as válvulas são abertas apenas pela metade; assim, duas rotações completas do virabrequim ocorrem para cada rotação do eixo de comando.
Características de desempenho
Duração
A duração da árvore de cames determina por quanto tempo a válvula de admissão / escape fica aberta, portanto, é um fator chave na quantidade de potência que um motor produz. Uma duração mais longa pode aumentar a potência em altas rotações do motor (RPM), no entanto, isso pode vir com a compensação de menos torque sendo produzido em baixas RPM.
A medição da duração de um eixo de comando é afetada pela quantidade de sustentação escolhida como ponto inicial e final da medição. Um valor de elevação de 0,050 pol (1,3 mm) é frequentemente usado como um procedimento de medição padrão, uma vez que é considerado o mais representativo da faixa de elevação que define a faixa de RPM na qual o motor produz potência de pico. As características de potência e inatividade de uma árvore de cames com a mesma classificação de duração que foi determinada usando diferentes pontos de levantamento (por exemplo 0,006 ou 0,002 polegadas) podem ser muito diferentes de uma árvore de cames com uma duração avaliada usando pontos de levantamento de 0,05 polegadas.
Um efeito secundário do aumento da duração pode ser a sobreposição aumentada , que determina o período de tempo que as válvulas de admissão e exaustão ficam abertas. É a sobreposição que mais afeta a qualidade da marcha lenta, na medida em que o "sopro" da carga de admissão de volta pela válvula de escape que ocorre durante a sobreposição reduz a eficiência do motor e é maior durante a operação em baixa rotação. Em geral, aumentar a duração do eixo de comando normalmente aumenta a sobreposição, a menos que o Ângulo de separação do lóbulo seja aumentado para compensar.
Uma pessoa leiga pode facilmente localizar uma árvore de cames de longa duração observando a ampla superfície onde a came empurra a válvula aberta para um grande número de graus de rotação da cambota. Isto será visivelmente maior do que o relevo mais pontiagudo da árvore de cames do que é observado em árvores de cames de menor duração.
Elevar
A elevação da árvore de cames determina a distância entre a válvula e a sede da válvula (ou seja, quão aberta a válvula está). Quanto mais longe a válvula se levanta de sua sede, mais fluxo de ar pode ser fornecido, aumentando assim a potência produzida. A elevação mais alta da válvula pode ter o mesmo efeito de aumentar a potência de pico como o aumento da duração, sem as desvantagens causadas pelo aumento da sobreposição da válvula. A maioria dos motores de válvula suspensa tem uma razão de balancim maior que um, portanto, a distância que a válvula abre (a elevação da válvula ) é maior do que a distância do pico do lóbulo do eixo de comando ao círculo básico (o levantamento do eixo de comando ).
Existem vários fatores que limitam a quantidade máxima de elevação possível para um determinado motor. Em primeiro lugar, aumentar a elevação traz as válvulas para mais perto do pistão, de modo que a elevação excessiva pode fazer com que as válvulas sejam atingidas e danificadas pelo pistão. Em segundo lugar, o aumento da elevação significa que é necessário um perfil de árvore de cames mais íngreme, o que aumenta as forças necessárias para abrir a válvula. Um problema relacionado é a flutuação da válvula em alta RPM, onde a tensão da mola não fornece força suficiente para manter a válvula seguindo o came em seu ápice ou evitar que a válvula salte quando retornar à sede da válvula. Isso pode ser resultado de uma elevação muito acentuada do lóbulo, onde o seguidor do came se separa do lóbulo do came (devido à inércia do tubo da válvula ser maior do que a força de fechamento da mola da válvula), deixando a válvula aberta por mais tempo do que o pretendido. A flutuação da válvula causa perda de potência em altas RPM e em situações extremas pode resultar em uma válvula entortada se for atingida pelo pistão.
Cronometragem
O tempo (ângulo de fase) do eixo de comando em relação ao virabrequim pode ser ajustado para mudar a faixa de potência de um motor para uma faixa de RPM diferente. Avançar o eixo de comando (mudando-o para a frente da sincronização do virabrequim) aumenta o torque de baixa RPM, enquanto retardar o eixo de comando (mudando-o para depois do virabrequim) aumenta a potência de alta RPM. As mudanças necessárias são relativamente pequenas, geralmente na ordem de 5 graus.
Os motores modernos que possuem válvula de distribuição variável muitas vezes são capazes de ajustar a sincronização da árvore de cames para se adequar à rotação do motor a qualquer momento. Isso evita o compromisso acima exigido ao escolher um sincronismo de came fixo para uso em RPM alto e baixo.
Ângulo de separação do lóbulo
O ângulo de separação do lóbulo (LSA, também chamado de ângulo da linha central do lóbulo ) é o ângulo entre a linha central dos lóbulos de admissão e a linha central dos lóbulos de exaustão. Um LSA mais alto reduz a sobreposição, o que melhora a qualidade da marcha lenta e o vácuo de admissão; no entanto, usar um LSA mais amplo para compensar a duração excessiva pode reduzir as saídas de potência e torque. Em geral, o LSA ideal para um determinado motor está relacionado à relação entre o volume do cilindro e a área da válvula de admissão.
Manutenção e desgaste
Muitos motores mais antigos exigiam o ajuste manual dos balancins ou hastes de comando para manter a folga correta da válvula à medida que a válvula se desgasta (em particular as válvulas e as sedes das válvulas). No entanto, a maioria dos motores automotivos modernos possui elevadores hidráulicos que compensam automaticamente o desgaste, eliminando a necessidade de ajustar a folga da válvula em intervalos regulares.
O atrito deslizante entre a superfície do came e o seguidor de came que se desloca sobre ele pode ser considerável. Para reduzir o desgaste neste ponto, o came e o seguidor são ambos superficiais endurecidos e os óleos de motor modernos contêm aditivos para reduzir o atrito de deslizamento. Os lóbulos do eixo de comando são geralmente ligeiramente cônicos e as faces dos elevadores da válvula ligeiramente abauladas, fazendo com que os elevadores girem para distribuir o desgaste nas peças. As superfícies do came e do seguidor são projetadas para "desgastar" juntas e, portanto, cada seguidor deve permanecer com seu lóbulo de came original e nunca ser movido para um lóbulo diferente. Alguns motores (particularmente aqueles com lóbulos da árvore de cames íngremes) usam tuchos de roletes para reduzir o atrito deslizante na árvore de cames. Se a elevação de uma árvore de cames for aumentada ou as rotações operacionais por minuto de um motor forem aumentadas, pode ser necessário aumentar a pressão da mola da válvula também, para manter o contato físico do elevador com a árvore de cames.
Os rolamentos das árvores de cames, semelhantes aos da cambota, são rolamentos lisos alimentados por pressão com óleo. No entanto, os rolamentos do eixo de comando de válvulas nem sempre têm carcaças substituíveis, caso em que toda a cabeça do cilindro deve ser substituída se os rolamentos estiverem com defeito.
Alternativas
Além do atrito mecânico, uma força considerável é necessária para abrir as válvulas contra a resistência fornecida pelas molas das válvulas. Isso pode chegar a cerca de 25% da produção total de um motor em marcha lenta.
Os seguintes sistemas alternativos foram usados em motores de combustão interna:
- Válvulas desmodrômicas , onde as válvulas são fechadas positivamente por um sistema de came e alavanca em vez de molas. Este sistema tem sido usado em várias motocicletas de corrida e de estrada da Ducatti desde que foi introduzido na Ducati 125 Desmo de 1956 .
- Motor a pistão sem cames , que usa atuadores eletromagnéticos, hidráulicos ou pneumáticos. Usado pela primeira vez em motores turboalimentados da Renault de Fórmula 1 em meados da década de 1980 e previsto para uso em carros de estrada no Koenigsegg Gemera .
- Motor Wankel , um motor rotativo que não usa pistões nem válvulas. Mais notavelmente usado pela Mazda desde o Mazda Cosmo de 1967 até o Mazda RX-8 foi descontinuado em 2012.
Sistemas de ignição do motor
Em sistemas de ignição mecanicamente cronometrados, um came separado no distribuidor é engrenado para o motor e opera um conjunto de pontos de disjuntor que acionam uma faísca no momento correto do ciclo de combustão.
Controladores de velocidade do motor elétrico
Antes do advento da eletrônica de estado sólido , os controladores do eixo de comando eram usados para controlar a velocidade dos motores elétricos . Um eixo de comando, acionado por um motor elétrico ou pneumático , foi usado para operar os contatores em sequência. Por este meio, resistores ou comutadores foram ligados ou desligados do circuito para variar a velocidade do motor principal. Este sistema foi usado principalmente em unidades múltiplas elétricas e locomotivas elétricas .
Veja também
Referências