O silnikach w sposób przystępny, czyli jak komuś bez wiedzy z dziedziny mechaniki samochodowej wytłumaczyć, czym jest…
Wałek rozrządu
Starając się zrozumieć zasady działania silnika spalinowego (napędzającego samochód osobowy, ciężarówkę, maszynę rolniczą, czy statek) trzeba – choćby w pewnym zakresie – zorientować się, czym jest układ rozrządu. W kolejnych artykułach będziemy tłumaczyć zawiłości działania kolejnych jego elementów, tymczasem zaczynamy od omówienia czym jest i jak działa wałek rozrządu. Zanim zaczniemy, chcemy zaznaczyć, że artykuły z serii Mechanika dla Laika kierujemy do osób, które chciałyby poszerzyć swoją wiedzę o motoryzacji, ale ich background techniczny wymaga poukładania pewnych pojęć 😉 Piszemy więc prostym językiem, żebyście nie musieli już wybałuszać oczu podczas rozmowy z mechanikami 🙂
Wałek rozrządu – jak wskazuje przynajmniej część jego nazwy – przypomina kształtem wałek, na którym umieszczone są dość charakterystyczne elementy o specyficznym, owalnym zarysie. W terminologii branżowej nazywa się je krzywkami. Spójrzcie na zdjęcie powyżej i zwróćcie uwagę na ten podłużny wałek umieszczony w dolnej części głowicy. Mniej więcej w połowie jego długości widać końcówkę urządzenia pomiarowego dotykającego elementu o asymetrycznym kształcie, skierowanego na dół. Te dwa elementy to właśnie krzywki na wałku rozrządu. Obracający się wałek za pomocą krzywek steruje otwieraniem i zamykaniem zaworów pracujących w silniku. Zawory ssące doprowadzają powietrze do komory spalania, a zawory wydechowe usuwają z niej spaliny. Obracający się wałek jest zatem jednym z elementów układu odpowiadającego za równomierne napełnianie cylindrów mieszanką paliwowo-powietrzną i odprowadzaniem spalin powstałych na skutek spalania mieszanki.
Charakterystycznym elementem wałka rozrządu (oprócz krzywek) jest również koło napędowe (koło zębate), które za pomocą łańcucha lub paska rozrządu wprawia wałek w ruch obrotowy. Choć budowa wałków obejmuje również inne, mniejsze części, to zatrzymajmy się na tym etapie. Krzywki i koło zębate są najbardziej charakterystyczne 🙂
Środowisko pracy
Podczas pracy wałek rozrządu podlega licznym obciążeniom, co wymusza na producentach dobieranie wytrzymałych materiałów w procesie konstrukcji i wytwarzania tego elementu układu rozrządu. Wałki odlewa się z żeliwa, a ich powierzchnie robocze są utwardzane i hartowane. Spotykamy również wałki wykonane ze stali. Proces ich produkcji również obejmuje utwardzanie i hartowanie powierzchni roboczych. Na rynku występują także wałki rozrządu wykonane metodą odśrodkową, które charakteryzują się tym, że ich wnętrze jest puste. Takie rozwiązanie wpływa na zmniejszenie masy tego elementu układu rozrządu (oraz wymaga mniejszej ilości materiału do jego produkcji).
Wałek rozrządu, w zależności od konstrukcji silnika, może być umiejscowiony wewnątrz głowicy lub wewnątrz bloku silnika. W wielu współczesnych jednostkach napędowych wałek (lub wałki) pracują w głowicy, wówczas w fachowej nomenklaturze do oznaczenia takiego rozwiązania wykorzystuje się symbol OHC (ang. overhead camshaft). Symbol OHV (ang. overhead valve) określa natomiast położenie wałka w bloku silnika. Doskonałym przykładem zastosowania tego drugiego rozwiązania są silniki niektórych ciężarówek i auta o amerykańskim rodowodzie, np. Jeep, Dodge i Chrysler.
Eksploatacja i weryfikacja wałka
Nieprawidłowa obsługa silnika (np. stosowanie niewłaściwego oleju silnikowego lub brak kontroli jego ubytków) w sposób oczywisty negatywnie wpływa na warunki pracy wałka rozrządu i skraca jego żywotność. Może to prowadzić do wycierania się powierzchni krzywek lub nawet do powstania ubytków w materiale, z którego krzywki są wykonane. Fatalna dla wałka rozrządu może być również kolizja tłoków z zaworami, która następuje w efekcie zerwania się paska lub łańcucha rozrządu. Oczywiście nie każde zerwanie oznacza odkształcanie się wałka, ale z pewnością weryfikacja tego elementu rozrządu po takim zdarzeniu (w tzw. silnikach kolizyjnych) pozwoli na podjęcie racjonalnej decyzji o pozostawieniu lub wymianie tego elementu. Chodzi o to, by nie doświadczyć praktykowanej niestety przez niektórych „złotej” sentencji: „klient głupi każdą ściemę kupi”. Zanim kupisz nowy wałek, posłuchaj argumentów swojego mechanika. Może okazać się, że definitywnie konieczny jest zakup, ale zdarza się też, że możliwe jest przywrócenie właściwości eksploatowanego dotychczas wałka.
Proces weryfikacji wałka obejmuje między innymi ocenę wizualną i sprawdzenie go czujnikami zegarowymi i mikrometrem. Odczyty urządzeń pomiarowych podczas obracania wałka (umieszczonego w tzw. pryzmach traserskich) pozwalają na określenie czy wysokość, na jaką unosi się „nos” krzywek ma wartości nominalne podane przez producenta. Kontrola tych wartości jest bardzo ważna, ponieważ – jak wiemy z wcześniejszych fragmentów – krzywki wałka sterują pracą zaworów. Ich odchylenia będą negatywnie wpływać na pracę silnika. Czujniki pozwalają określić także, czy wałek uległ wygięciu. Zdarza się na przykład, że na skutek awarii w silniku wałek odkształcił się. Dla przykładu, jakiś czas temu weryfikowaliśmy wałek, którego odchylenie od wartości nominalnej wynosiło 5mm. Widujemy również fragmenty żeliwa (z wałka), które „wprasowały się” w aluminium, z którego wykonana jest głowica.
Niestety, usterki się zdarzają, więc gdy przyjdzie Ci się już z nimi zmierzyć, warto mieć chociaż ogólny pogląd na sytuację 😉