Paskirstymo velenas arba paskirstymo velenėlis yra vidaus degimo variklio komponentas, diktuojantis vožtuvų atidarymo ir uždarymo laiką, variklio darbo metu.
Šis besisukantis velenas yra būtinas norint užtikrinti tinkamą variklio įsiurbimo ir išmetimo vožtuvų atsidarymo bei užsidarymo momentą, tam kad variklio dujų paskirstymo sistema veiktų optimaliai.
Paskirstymo veleno panaudojimo istorija
Paskirstymo velenas jau nuo XIX amžiaus pabaigos atlieka esminį vaidmenį vidaus degimo varikliuose. 1876 m. Nicolaus Otto sukūrė pirmąjį praktišką keturtaktį variklį su skirstomuoju velenu, kuris valdė vožtuvų atsidarymo laiką. Toks patobulinimas leido varikliams veikti efektyviau, tiksliai kontroliuojant įsiurbimo ir išmetimo ciklus. Bėgant metams paskirstymo veleno konstrukcijos išsivystė nuo paprastų plokščių paskirstymo velenų iki sudėtingesnių ritininių skirstomųjų velenų, kurie galėjo sumažinti komponentų trintį ir dėl to atsirandanti aukštą jų nusidėvėjimą.
Paskirtis ir funkcija
Variklyje paskirstymo velenas valdo įsiurbimo ir išmetimo vožtuvų veikimą. Jam besisukant, veleno kumšteliai - skirtingo lygio iškilimai palei veleno ilgį - spaudžia vožtuvų kėliklius arba stūmiklius, taip atidarydami vožtuvus. Tai leidžia oro ir kuro mišiniui patekti į degimo kamerą, o degimo ciklo metu susidariusias išmetamąsias dujas pašalinti per išmetimo kolektorių. Preciziškas dujų reguliavimas yra labai svarbus variklio darbo efektyvumui ir jo generuojamai galiai.
Dažniausiai paskirstymo velenas sinchronizuojamas su alkūniniu velenu naudojant paskirstymo diržo arba grandininę pavarą, tačiau pasitaiko ir kitokių sprendimų, tarkime krumplinė pavara. Toks velenų koordinavimas užtikrina, kad stūmokliai ir vožtuvai judėtų darniai, išvengiant variklio pažeidimų ir išlaikant sklandų variklio veikimą.
Pagrindinis šios sistemos elementas, paprastai vadinamas hidrauliniu stūmikliu, sąveikauja su paskirstymo velenėliu tiesiogiai arba per vožtuvo svirtelę. Hidraulinio stūmiklio veikimas yra paremtas kontroliuojamu alyvos srautu tarp aukšto ir žemo slėgio kamerų. Tipinis hidraulinis stūmiklis susideda iš korpuso (1), kurio viduje slankioja plunžeris (2), kurio veikimas paremtas atbuline spyruokle (3). Kai vožtuvo svirtelė nespaudžia plunžerio galvutės, atbulinė spyruoklė (3) pakelia jį į viršų. Variklio alyva iš žemo slėgio kameros (slėgis 2-3 atm.) per vienos krypties rutulinį vožtuvą (4) užpildo aukšto slėgio kamerą (6). Tarpas tarp vožtuvo svirtelės ir paskirstymo velenėlio kumštelio panaikinamas.
Vožtuvo svirtelė iš vienos pusės yra paremta vožtuvo stūmiklio plunžerio, o iš kitos pusės - vožtuvo koto. Paskirstymo velenėlio kumštelio nuspaudžiama svirtelė stumia variklio vožtuvą į apačią. Varikliui įkaitus, variklio vožtuvas, veikiamas temperatūros, pailgėja. Šis pailgėjimas turi būti kompensuotas pažeminant vožtuvo svirtelės atramos tašką (t. y. pakeičiant hidraulinio stūmiklio ilgį). Priešingu atveju variklio vožtuvo galvutė negulės savo lizde - vožtuvas bus ne iki galo uždarytas. Kai vožtuvo svirtelė spaudžia plunžerio galvutę, alyva išstumiama iš hidraulinio stūmiklio aukšto slėgio kameros (6) per kalibruotą išleidimo plyšį (8).
Stūmiklių blokavimo rezultatas ir šio fakto pasekmės parodytos nuotraukose (1-3 nuotraukos).
Paskirstymo mechanizmų tipai
Paskirstymo velenėliai būna keleto skirtingų tipų, pritaikytų skirtingoms variklių konstrukcijoms. Taip pat varikliuose naudojami ir skirtingi paskirstymo sistemų tipai. Dažniausiai sutinkami yra šie:
- Vieno skirstomojo veleno mechanizmas (SOHC - single over-head cam): SOHC tipo paskirstymo mechanizmas naudoja vieną skirstomąjį veleną cilindro galvutėje, kiekviename cilindrų bloke, kuris valdo tiek įsiurbimo, tiek išmetimo vožtuvus. Tokio tipo techninis sprendimas yra paprastas, pigus ir ekonomiškas.
- Dviejų skirstomųjų velenų mechanizmas (DOHC - double over-head cam): DOHC tipo paskirstymo mechanizmai, kaip ir galima spręsti iš pavadinimo, jau naudoja du atskirus skirstomuosius velenus cilindrų galvutėje, kiekviename cilindrų bloke - vieną įsiurbimo vožtuvams ir vieną išmetimo vožtuvams. Ši konfigūracija leidžia tiksliau valdyti vožtuvo atidarymo laiką, leidžia išgauti didesnį našumą ir pasiekti didesnį efektyvumą, ypač aukštesniam variklio sūkių diapazone.
- Stūmiklinis-svirtelinis vožtuvų mechanizmas (push-rod): šio tipo paskirstymo mechanizmas yra kitoks nei OHC tipo varikliuose, kadangi skirstomasis velenas yra virš variklio galvutės, o variklio bloke. Čia skirstomojo veleno judesį vožtuvams perduoda stūmikliai ir vožtuvų svirtelių mechanizmas. Toks variklio dizainas yra kompaktiškesnis ir dažniausiai naudojamas didesniuose, sunkesniuose varikliuose, pasižymi ilgaamžiškumu ir paprastumu.
- Kintamo vožtuvų atidarymo laiko valdymo mechanizmas (Variable Valve Timing): šio tipo dujų paskirstymo mechanizmas įvairių papildomų sistemų pagalba gali reguliuoti vožtuvų atsidarymo laiką, todėl varikliai naudojantys tokį mechanizmą yra gerokai efektyvesni ir ekonomiškesni. Tokių sistemų pavyzdžiai yra gerai žinomi VVT, VTEC, VANOS ir t.t. Ir nors tai yra skirtingų automobilių gamintojų sistemos veikiančios skirtingu principu, iš esmės visos jos reiškia tą patį - kintamą vožtuvų atidarymo laiką (Variable Valve Timing).
- Be veleninės vožtuvų valdymo sistemos (camless): šios sistemos nenaudoja tradicinių velenų vožtuvų valdymui - vietoj jų naudojami elektromagnetiniai vožtuvai (solenoidai), kurie valdo dujų išmetimo ir įsiurbimo vožtuvus. Ši technologija leidžia be apribojimų keisti vožtuvo atidarymo laiką, pakėlimo aukštį ir trukmę, todėl žymiai pagerėja dujų paskirstymo efektyvumas ir ženkliai sumažinamas išmetamųjų teršalų kiekis. Šios sistemos vis dar kuriamos bei tobulinamos, todėl naudojamos ribotai, nors jos, panašu, yra dujų paskirstymo technologijos ateitis ir su laiku pakeis tradicines vožtuvų valdymo sistemas. Tokių sistemų pirmtakas yra kompanija Koenigsegg ir jų FreeValve tehcnologija.
Dažniausi gedimai ir jų priežastys
Paskirstymo veleno ir su juo susijusios problemos, turinčios įtakos bendram variklio funkcionalumui, gali pasireikšti keliais būdais:
- Kumštelių nusidėvėjimas: dėl nuolatinės trinties ir nepakankamo tepimo ilgainiui kumšteliai nusidėvi. Dėl to sumažėja vožtuvo pakėlimas ir vožtuvo atidarymo laiko tikslumas, o tai gali lemti pastebimą variklio našumo sumažėjimą.
- Guolių (įdėklų) problemos: paskirstymo veleno guolių būklė taip pat gali pablogėti dėl tepimo trūkumo arba alyvos užteršimo. Kai guoliai susidėvi, skirstomasis velenas gali būti netinkamai išcentruotas, ko pasėkoje atsiranda kalenimas ar stuksenimas. Taip pat tai gali būti rimtesnių variklio pažeidimų priežastis, ar net sąlygoti visišką variklio sustojimą.
- Paskirstymo komponentų gedimai: laiku nepakeitus paskirstymo diržo arba grandinės, kuri sinchronizuoja skirstomąjį veleną su alkūniniu velenu, ji gali nutrūkti. Nutrūkus paskirstymo diržui arba grandinei, prarandamas sinchronizavimas, dėl to vožtuvai susiliečia su stūmokliais, dažnai apgadindami vienas kitą ir taip visiškai sugadina variklį.
- Netinkamas montavimas: Jei skirstomasis velenas arba su juo susiję komponentai sumontuoti netinkamai, galimas netolygus susidėvėjimas arba mechaniniai pažeidimai. Kad paskirstymo velenas veiktų efektyviai, labai svarbu jį tinkamai sumontuoti, o tą gali padaryti tik kvalifikuotas autoservisas.
Kuro ir oro mišinio slėgis iš degimo kameros per ne iki galo uždarytą vožtuvą perkeliamas į paskirstymo velenėlio kumštelius ir veikia juos 1000 - 1500 kG jėga. Tokia jėga nuplėšia apsauginį alyvos sluoksnį, esantį tarp svirtelės (arba stūmiklio) ir paskirstymo velenėlio kumštelio. Dėl to šie elementai sąveikauja „sausai“, todėl labai staigiai kyla jų temperatūra ir abu elementai labai greitai dyla. Tokiomis sąlygomis dirbanti sistema - paskirstymo velenėlis - hidraulinis stūmiklis / vožtuvo svirtelė - visiškai sudyla automobiliui nuvažiavus vos 100 km.
Paskirstymo velenėlio kumšteliu ir su jais sąveikaujančių svirtelių / hidraulinių stūmiklių priešlaikinis sudilimas dažniausiai pasireiškia automobiliuose, kurių varikliai yra ypač jautrūs laikinai tepimo stokai. Visų pirma, tai visi „Ford“ 1,3-1,6 (CVH), 1,8 (CVH) TD varikliai bei „Opel“ 1,3 OHC arba 1,6 (16 DA) varikliai.
Esant vadinamajai „chilled cast iron“ (liejimas esant vietiniam aušinimui) medžiagai / technologijai, šios reikšmės gali siekti atitinkamai 44 HRC (snapelis) ir 35 HRC (cilindrinė dalis). Labai svarbi sąlyga yra ta, kad tarpusavyje sąveikaujanti pora (kumštelis ir svirtelė / stūmiklis) būtų tinkamai parinkta. Kad ir kaip keista, bet paskirstymo velenėliai, pagaminti pagal „chilled cast“ technologiją, nepasižymi kietesniu kumštelių paviršiumi.
Ką daryti norint išvengti priešlaikinio paskirstymo velenėlio kumštelių sudilimo? Be to, reikia atsiminti, kad, pvz., stūmiklio galvutė, sąveikaujanti su velenėlio kumšteliu, turi sferinį paviršių, kurio minimalus spindulys yra apie 1250 mm. Tokia abiejų elementų konstrukcijos užduotis - sukurti stūmiklio plunžerio sukamąjį judesį darbo metu tam, kad jis nesiliestų su kumšteliu nuolat tuo pačiu tašku.
Techninė priežiūra ir aptarnavimas
Kad variklis veiktų sklandžiai ir išvengtumėte paskirstymo velenų susidėvėjimo ar kitų problemų, bei vožtuvų valdymo sistemos gedimų, laikykitės tam tikrų variklio priežiūros rekomendacijų:
- Alyvos keitimas: Reguliarus alyvos keitimas užtikrina, kad paskirstymo velenas ir jo komponentai išliks gerai sutepti - geras tepimas sumažina trintį ir susidėvėjimą, prailgina skirstomojo veleno tarnavimo laiką.
- Naudokite kokybišką alyvą ir filtrus: visada naudokite automobilio gamintojo rekomenduojamą alyvą atsižvelgdami į jos specifikaciją, bei aukštos kokybės alyvos filtrus. Kokybiška alyva padeda išlaikyti optimalų tepimą ir neleidžia teršalams pažeisti skirstomojo veleno ir kitų variklio komponentų.
- Paskirstymo diržo / grandinės keitimas: norint išlaikyti tinkamą skirstomojo veleno sinchronizavimą su alkūniniu velenu, būtina automobilio gamintojo rekomenduojamais intervalais pakeisti paskirstymo mechanizmo pavarą - diržą arba grandinę, kad būtų išvengta galimo paskirstymo mechanizmo išsiderinimo ir dėl to sekančio variklio pažeidimo.
Kruopščiai išanalizuoti paskirstymo velenėlio susidėvėjimo priežastis. Visų pirmą, būtina patikrinti vožtuvų darbo tinkamumą (ar jie nėra sugedę) bei tepimo sistemą (kartu su alyvos siurbliu, vožtuvu ir t.t.). Vengti pakartotinio susidėvėjusių hidraulinių elementų montavimo. Sutepti paskirstymo velenėlio kumštelius specialia priemone, kurios konsistencija kaip sutirštintos alyvos. Patikrinti paskirstymo velenėlio sukimosi laisvumą idėklų lizduose. Taip galima išvengti gana dažnai pasitaikančios situacijos, kai velenėlis dirba svyruodamas dėl lizdų ašių nesutapimo. Montuojant naujus hidraulinius stūmiklius, įspausti jų plunžerius apie pusę eigos (2-3 mm). Laikytis tinkamos variklio paleidimo procedūros. Atlikę visus anksčiau nurodytus veiksmus, 90 % atvejų išvengsime pakartotinio paskirstymo velenėlio gedimo.
| Tipas | Aprašymas |
|---|---|
| Krumplinė pavara | Tarp alkūninio veleno ir skirstymo velenų jėga perduodama įstrižakrumpliais cilindriniais krumpliaračiais. |
| Grandinine pavara | Jėga perduodama žvaigždutėmis ir vienaeile arba dvieile ritinine grandine. Privalumai: nesunku perduoti sukimo momentą, kai atstumas tarp alkūninio ir skirstymo velenų didelis; ta pačia grandine galima sukti du skirstymo velenus ir pagalbinius agregatus. |
| Krumplinio diržo pavara | Būdingi ir grandinės, ir diržinės pavaros privalumai: maža masė, tylus darbas, pigi gamyba, nereikalingas tepimas. Krumplinis diržas turi būti mažai tąsus, atsparus tempimui, lankstus, atsparus tepimo priemonių poveikiui ir drėgmei. |
| Karališkasis velenas | Jei skirstymo veleno pavarai keliami didžiausi reikalavimai (pvz., maža masė ir tikslus vožtuvų darinėjimas esant dideliam sūkių dažniui), skirstymo velenas sukamas dviem kūginių krumpliaračių poromis ir velenu. |