میل بادامک چگونه کار می کند؟

اگر مقاله "چگونه موتور ماشین کار می کند؟"را خوانده باشید،می دانید که سوپاپ ها اجازه می دهند مخلوط هوا-سوخت به موتور وارد شود و همچنین دود خارج شود.میل بادامک از برجستگی هایی (به نام بادامک) استفاده می کند که هنگام چرخیدن،سوپاپ ها را می فشارد تا باز شوند،در حالی که فنرهای روی سوپاپها،آنها را به موقعیت بسته باز می گرداند.این یک کار حیاتی است،که می تواند تاثیرات بسزایی روی عملکرد موتور در سرعتهای مختلف داشته باشد.در صفحه بعدی این مقاله,شما می توانید انیمیشنی که برای نشان دادن تفاوت بین میل بادامک استاندارد و میل بادامک برتر ساخته شده است را مشاهده کنید.

میل بادامک

در این مقاله،خواهید آموخت که میل بادامک چگونه عملکرد موتور را تحت تاثیر قرار می دهد.ما انیمیشن هایی داریم که نشان می دهند که چگونه موتور هایی با طرح بندی متفاوت،مثل تک میل بادامک و دو میل بادامک ،کار می کنند.سپس به سراغ راه هایی می رویم که بدان وسیله ماشین ها میل بادامک خود را به گونه ای تنظیم می کنند که بیشترین بازده را در سرعت های مختلف داشته باشد.

مهمترین قسمت هر میل بادامک بر جستگی های آن است.هنگامی که میل بادامک می چرخد،برجستگی ها متناسب با پیستون ها،سوپاپ ها را بالا و پایین می کنند.برای این منظور،رابطه مشخصی بین برجستگی بادامک ها و نحوه عملکرد موتور در سرعت های مختلف وجود دارد.

برای درک چنین موضوعی فرض کنید که موتور بسیار آهسته کار می کند-در ١٠الی ٢٠دور در دقیقه(RPM)-که به پیستون در طی کردن هر سیکل چند ثانیه وقت می دهد.البته واقعاً به کار انداختن ماشین در این سرعتی غیر ممکن است.در این سرعت کم،ما نیاز داریم که بادامک ها به گونه ای قرار گرفته باشند که:

١-همین که پبستون در مرحله مکش شروع به پایین رفتن می کند نقطه مرده بالا(Top dead center,TDC)بایستی سوپاپ ورودی باز باشد.زمانی که پیستون به پایین می رسد،سوپاپ بایستی بسته شود.

٢-سوپاپ خروج بایستی در زمان نقطه مرده پایین(bottom dead center,BDC)که همان انتهای مرحله احتراق است،باز شوند و در زمانی که پیستون مرحله تخلیه را طی کرد،باید بسته شوند.این مرحله باید بسیار مرتب تا زمانی که موتور با این سرعت کار می کند،تکرار شود.اما چه اتفاقی می افتد زمانی که  دور موتورافزایش می یابد؟خواهیم دید

زمانی که شما دور موتور را می افزایید،تنظیمات ١٠الی ٢٠rpm دیگر خوب کار نمی کند .اگر موتور در ٤٠٠٠ rpm باشد،سوپاپ ها در هر دقیقه ٢٠٠٠بار باز و بسته می شوند ویا 33 بار در هر ثانیه.در این سرعت،پیستون خیلی سریع حرکت می کند وهمچنین مخلوط هوا-سوخت نیز به سرعت وارد سیلندر می شود،زمانی که سوپاپ ورودی باز می شود و پیستون مرحله مکش را آغاز می کند مخلوط هوا-سوخت شروع به شتاب گرفتن برای ورود به سیلندر می کند. زمانی کی پیستون به پایین مرحله مکش می رسد ،مخلوط هوا-سوخت با سرعت زیاد در حال حرکت است،اگر بخواهیم سوپاپ ورودی را به شدت ببندیم،تمامی هوا و سوخت متوقف می شود و وارد سیلندر نمی مشوند.اگر سوپاپ ورود برای لحظه ای بیشتر باز باشد،تکانه هوا-سوخت که با سرعت در جریان است,به فشار آوردن روی پیستون در ابتدای مرحله تراکم ادامه می دهد.پس هر چه سریع تر موتور حرکت کند،سریع تر مخلوط هوا-سوخت حرکت می کند و ما زمان بیشتری را لازم داریم تا سوپاپ ورودی باز بماند.همچنین می خواهیم که در سرعت های بالا تر سوپاپ پهن تر باز شود.این ویژگی که ترفیع سوپاپ نام دارد،با مشخصات برجستگی بادامک ها امکان پذیر است.

انیمیشن زیریک بادامک معمولی و یک بادامک برتر را نشان می دهد که تنظیم سرعت متفاوتی دارند.توجه کنید که مرحله تخلیه(دایره قرمز)و مکش(دایره آبی)در سوپاپ برتر به میزان بیشتری بر روی یکدیگر قرار می گیرند.به همین دلیل،ماشین هایی با این شکل بادامک در زمان توقف بسیار بد و خشن کار می کنند.

هر کدام از میل بادامک ها در یک دور موتور خاص خوب کار می کنند.در بقیه سرعت ها موتور با تمام قدرت خود کار نمی کند.به هر حال،یک "میل بادامک ثابت"همواره ارجح بوده است.به همین دلیل است که خودرو سازان برنامه هایی را برای تنوع دادن به پروفیل بادامک ها متناسب با سرعت ماشین در دست بررسی دارند.

میل بادامک ها در موتور های مختلف متنوعند.ما در مورد متعارف ترین انها صحبت خواهیم کرد.احتمالاً اصتلاحات زیر را شنیده اید:

·     تک میل بادامک        Single Overhead Cam (SOHC)

·     دو میل بادامک           Double Overhead Cam(DOHC)

·     میل فشاری        Pushrod

اجازه دهید با تک میل بادامک شروع کنیم.

تک میل بادامک

در این چیدمان موتور دارای یک میل بادامک به ازای هر سرسیلندر است.پس اگر موتور مورد نظر یک موتور ٤ یا ٦ سیلندر تک خط باشد ،یک میل بادامک، و اگر V-6 یا V-8 باشد،٢ عدد خواهد داست.(یکی برای هر سرسیلندر)

بادامک ها بازوهایی را که به سوپاپ ها متصل است به کار می اندازند."فنر" ها سوپاپ ها را به وضعیت بسته اولیه باز می گردانند.این فنر ها بایستی بسیار قوی باشند زیرا در سرعت های بالا با سرعت بسیار زیاد به پایین فشرده خواهند شد و این فنرها هستند که باید بازوها را به بادامک چسبیده نگه دارند.اگر قدرت فنرها زیاد نبود،ممکن بود بازوی سوپاپها از بادامک جدا شود و در این صورت این وضعیت باعث فرسودگی مضاعف بازوها می شود.

عکس پایین وضعیتی را نشان می دهد که پیستون به یک سوپاپ باز برخورد کرده است.

آسیب ناشی از برخورد پیستون با سوپاپ

دومیل بادامک

موتورهای دومیل بادامک دارای دو میل بادامک به ازای هر سرسیلندر می باشند.پس موتور های یک خط دارای دو میل بادامک و موتورهای V-شکل دارای چهار میل بادامک می باشند ومعمولاًسیستم دو میل بادامک برای موتورهایی کاربرد دارد که دارای تعداد چهار یا بیشتر سوپاپ به ازای هر سیلندر می باشند.در واقع یک میل بادامک نمی تواند به اندازه کافی برجستگی روی خود جا دهد تا بتواند این تعداد سوپاپ را به کار بیندازد.

ایده اصلی استفاده از دومیل بادامک برای اینست که بتوان از سوپاپ های ورود و خروج بیشتری بهره جست.سوپاپ های بیشتر بدان معناست که گازهای ورودی و خروجی به دلیل وجود فضای بیشتر برای عبور،راحت تر جریان پیدا می کنند .این امر موجب افزایش قدرت موتور می شود.

میل فشاری(Pushrod)

همانند موتورهای SOHC  و DOHC ,در موتور های میل فشاری سوپاپ ها در سرسیلندر واقع شده اند.تفاوت اساسی اینست که میل بادامک ها به جای اینکه درسرسیلندر جاسازی شده باشند،در خودِ بلوک موتور جای دارند.

یک موتور میل فشاری

بادامک ها میله های بلندی را که از بلوک ِموتور تا سرسیلندر امتداد پیدا کرده اند و به منظور فشردن بازوهای سوپاپ ها استفاده می شوند را به حرکت در می آورند.این میله ها یک اضافه بار برای سیستم محسوب می شوند،که باعث افزودن نیروی مازاد بر نیاز به فنر سوپاپ ها می شوند.این مشکل باعث محدود شدن سرعت این گونه موتور ها می شود،موتورهایی که میل بادامک در سرسیلندر دارند،با حذف استفاده از میله های بلند،یکی از تکنولوژی هایی است که امکان ساخت موتور های پرسرعت را می دهند.

یک موتور میل فشاری

میل بادامک در موتور های میل فشاری معمولاً با یک چرخ دنده یا زنجیر کوچک به حرکت در می آیند.چرخ دنده ها معمولاً کمتر مستعد شکستگی می باشند.

تنظیم سوپاپ متغیر

چندین روش جدید وجود دارد که میل بادامک ها قادرند برنامه زمانی ِ سوپاپ ها را تغییر دهند.سیستمی که بر روی تعدادی از موتور های Honda استفاده شده است Variable Valve Timed and lift Electronic Control,VTEC نام دارد. VTECیک سیستم مکانیکی-الکترونیکی است که به موتور اجازه می دهد که چندین میل بادامک داشته باشد.موتور های VTECیک بادامک مکش ِاضافه به همراه سوپاپ مخصوص آن دارند.پروفیل منحصر به فرد این بادامک ها موجب می شود که سوپاپ مکش ِ اضافه مدتِ بیشتری باز بماند.دردور موتورهای پایین،این بادامک به سوپاپی وصل نیست.اما در دورهای بالا یک پیستون،بازوی سوپاپ اضافه را به بادامک مربوطه قفل می کند.برخی اتومبیل ها از وسیله ای استفاده می کنند که زمان بندی سوپاپ را پیش می اندازد.این وسیله سوپاپها را طولانی تر باز نگه نمی دارد،بلکه در عوض،آن را دیرتر باز کرده و دیر تر می بندد.برای اینکار،میل بادامک را چند درجه جلو تر از حد معمول خود می چرخانیم.اگر سوپاپ مکش در حالت عادی ١٠درجه قبل از نقطه مرده بالا (TDC)باز شود ودر ١۹٠ درجه بعد از TDC بسته شود،کل مدت باز بودن سوپاپ ٢٠٠درجه است.زمان باز و بسته شدن سوپاپ ها را  می توان با استفاده از مکانیزمی که میل بادامک را چند درجه ای به جلو می چرخاند، جابجا کرد.  پس ممکن است سوپاپ ١٠ درجه بعد از TDCباز شود و ٢١٠درجه بعد از آن بسته شود.٢٠درجه دیرتر بسته شدن سوپاپ ها بسیار عالیست،ولی به هر حال ما بایستی سعی کنیم که مدت زمانی که سوپاپ مکش باز است را افزایش دهیم.

Ferrari یک ایده واقعاً زیبا را برای این کار در اختیار دارد.میل بادامک در بعضی از ماشین های Ferrari به صورت پروفیل سه بعدی برش داده شد اند که برجستگی بادامک در طول میل بادامک تغییر می کند.برجستگی بادامک در یک سمت بزرگتر از سمت دیگر آن است که شیب ملایمی این دو پروفیل را به هم متصل کرده است.یک مکانیزم می تواند کل میل بادامک را در امتداد محور خود جابجا کند تا اینکه بازوی سوپاپ با بخش های مختلف بادامک در تماس باشد.این میل بادامک هنوز هم مانند میل بادامک های عادی می چرخد ولی اگر آنرا به آرامی در امتداد محور متناسب با سرعت و بار خودرو جابجا کنیم،می توانیم زمان بندی سوپاپ را بهینه کنیم.

یک میل بادامک قابل تغییر که در بعضی مدل های فراری استفاده شده

بسیاری از کارخانجات تولیدی ِ خودرو در حال انجام تحقیقات بر روی سیستم هایی هستند که بتوان تحت آنها به تغیّر نامحدود در زمان بندی سوپاپ ها دست یافت.برای مثال، تصور کنید که سوپاپ ها یک سیملوله به دور خود دارد که می تواند به جای استفاده از میل بادامک، توسط کامپیوتر اداره شود.با این سیستم،شما قادر به دریافت بیشترین بازده از موتور در هر دور موتوریخواهید بود.وسیله ای که می تواند چشم انداز آینده باشد