A 3 hengeres motor főtengelyének működési elve és gyújtási sorrendje
Az autó egy olyan kényelmi eszköz, amit a legtöbben napi rendszerességgel használunk, mégis csak kevesen vannak tisztában azzal, hogyan is működnek az egyes alkotóelemei. Lássuk hát az autó legfontosabb elemeit alapfokon, különös tekintettel a főtengelyre és annak szerepére a motor működésében.
A belsőégésű motorban végbemenő munkafolyamat során a jármű az üzemanyagot mozgási energiává alakítja. Ez leggyakrabban négy munkafázis (ütem) alatt történik. A négyütemű motorok munkafázisairól már bizonyára mindenki hallott. Ez az a bizonyos: beszívás, kompresszió (sűrítés), gyújtás és kipufogás. Ez az egész autó lelke. Ezúttal a négyütemű benzinmotorokról lesz szó, melyek működésének megértéséhez elengedhetetlen a főtengely funkciójának ismerete.
A négyütemű motor működése
A motor működésének alapja a dugattyúk mozgása a hengerekben, amelyet a főtengely alakít át forgó mozgássá. Nézzük meg röviden a négy ütemet, melyek során ez a folyamat végbemegy:
1. Ütem - Beszívás
Az első ütemben a dugattyú lefelé mozog a hengerben. Ezalatt a vezérműtengely elfordul, a bütyke pedig kinyitja a szívószelepet, ezzel utat engedve az üzemanyag-levegő keverékének a hengerbe. A keverék előállításáért a karburátor (más néven porlasztó) felel, ami a folyékony üzemanyagot permetté alakítja, hogy minél jobban elkeveredhessen az oxigénnel. Ezt az egyveleget szívja be a rendszer a hengertérbe. Amikor a dugattyú eléri az alsó holtpontot, a vezérműtengely elfordulása bezárja a szívószelepet. Ekkor a dugattyú fölötti hengertér már teljesen feltöltődött a benzin-levegő keverékkel. Ettől a pillanattól kezdődik a második ütem.
2. Ütem - Kompresszió (sűrítés)
Mivel a szelepek zárva vannak, az előző ütemben beszívott benzin-levegő keverék nem tud kiáramlani a hengerből. A főtengely forgása felfelé tolja a dugattyút a hengerben, ennek következtében a dugattyú a fölötte lévő keveréket összepréseli (sűríti). Amint a dugattyú ismét eléri a felső holtpontot, kezdődik a harmadik ütem.
Főtengely technológiák háromhengeres motorokhoz
3. Ütem - Gyújtás
Egy-két pillanattal azelőtt, hogy a dugattyú a felső holtpontot elérné, a gyújtógyertya szikrája begyújtja az összepréselt keveréket, ami rendkívül gyorsan elég. Az égés során a gázok hirtelen kitágulnak és a keletkező óriási nyomása a dugattyút fentről lefelé löki a hengerben. Ezt nevezzük terjeszkedésnek (expanziónak). A négy ütem közül ebben az egyben végez a motor hasznos munkát.
4. Ütem - Kipufogás
Miután a dugattyú eléri az alsó holtpontot, ismét felfelé indul a hengerben. Ekkor nyit a kipufogószelep, és a dugattyú kitolja maga előtt a kipufogócsőbe a keverék elégetése során keletkezett égésterméket. Mikor a dugattyú ismét eléri a felső holtpontot, bezáródik a kipufogószelep, kinyílik a szívószelep, és az egész folyamat kezdődik elölről.
Tehát a négy ütemből a harmadik a legfontosabb, hiszen ekkor történik a tényleges munkavégzés. Miután a gyújtógyertya szikrája meggyújtotta a benzin-levegő keveréket, a hirtelen kitáguló gázok lefelé lökik a dugattyút a hengerben. Ez a mozgás a hajtókar segítségével elforgatja a főtengelyt. Így alakítja át a motor az üzemanyagot forgómozgássá, ami a főtengelyről a sebességváltón keresztül jut el az autó meghajtott kerekeihez.
A főtengely szerepe és felépítése
A sokak által csak főtengelyként emlegetett alkatrésze a belső égésű motornak azon alkotóelemek közé tartozik, melyeket gyakran emlegetnek a köznyelvben is, a műszaki hátterükről azonban jellemzően keveset tudnak. A forgattyústengelyt szokás úgy is emlegetni, mint a belső égésű motor legfontosabb egysége, működésének stabilitása pedig szinte minden más azt körülvevő alkatrészre hatással. A belső égésű motorban a forgattyústengelyen, majd a tengelykapcsolón keresztül jut el a nyomaték a hajtáshoz.
A főtengely formáját elsősorban a motor hengereinek száma, működési módja és a gyújtási sorrend határozza meg. Különösen a 3 hengeres motorok esetében, ahol a kiegyensúlyozás és a sima járás biztosítása kiemelt fontosságú, a főtengely kialakítása kulcsfontosságú. A gyakran térbeli elrendezésű forgattyúk rendkívül tagolttá és komplikált felépítésűvé teszik a tengelyt, melynek ágyazásáról, olajozásáról, tömegkiegyenlítéséről és csatlakozási lehetőségéről, azaz a tengelyvégek kialakításáról is gondoskodni kell.
A Felicia története és fejlesztése
A főtengelyre ható erők
A belső égésű motor forgattyústengelyének elsődleges igénybevételei alapvetően a motor működéséből adódó periodikus gáz- és tömegerőkből származnak. Bonyolulttá teszi a figyelembevételüket, hogy ezek nem csak a forgattyús tengely minden pontján, hanem annak minden helyzetében is különbözőek. A főtengelyre ható gázerők annak fényében változnak, ahogyan a tengely elfordulási szöge is változik. Ebből következően a gázerőkből átalakítandó munkavégző nyomaték mértéke is változik. Ez a holtpontokban pontosan nullával egyenlő, a főtengelyt terhelő csúcsérték azonban többszörösen meghaladja a motor névleges nyomatékát.
Belátható tehát, hogy a motor üzeme során a forgattyústengely rendszeresen a motor átlagos teljesítményéhez képest lényegesen nagyobb igénybevételnek van kitéve. Ezen túl extra igénybevétel származik még a tömegerőkből, különösen nagy fordulatszámú motorok esetén, ráadásul a tengely rugalmas behajlása miatt a lendkeréktől még a pörgettyűhatás járulékos nyomatéka is terheli. Statikai szempontból a forgattyústengely egy több helyen csapágyazott, határozatlan tartó.
A főtengely gyártása
A szerkezeti elem gyártása annak dizájnjától, az pedig a méretétől függ. Teljesen más technológiát igényel a kis kétütemű, egyhengeres motor vagy a sokforgattyús nagy, lassú fordulatszámú dízelmotor főtengelyének előállítása. Ahogy korábban említettük, a különböző gyártási módszerek azonos kezdeti paraméterek mellett is eltérő forgattyústengelyeket fognak eredményezni. A dizájnt és a geometriai paramétereket alapvetően meghatározzák az aktuális gyártástechnológia korlátai.
A legegyszerűbb, egyúttal legköltségesebb eljárás a lefejtő- vagy forgácsolási eljárás, amikor tömör, hengeres rúdból alakítják ki a tengelyt. Nem csak hatalmas anyag- és időveszteséggel jár, hanem az anyag teherbíró képessége szempontjából is komoly hátrányt jelent a forgácsoláskor átvágott szálak miatti szilárdságcsökkenés.
Az öntés az előző technológia ellenpólusa. A folyamat lényegesen gyorsabb és jobb anyagkihasználási aránnyal bír. Az öntött tengely csapjai már utómunkálás nélkül is jó futási tulajdonságokkal bírnak, ráadásul az ellensúlyokat sem kell utólag felerősíteni. A harmadik megoldás a süllyesztékes kovácsolás, mely egy igen kedvelt megoldás a síkban lévő forgattyústengelyek gyártásánál. Kisebb járműmotoroknál a 0,45-0,5% széntartalmú, 8-900 MPa-ra nemesíthető ötvözetlen acél alkalmazása gyakori.
Legrand biztosíték típusok áttekintése
Fontos művelet a forgattyústengely hőkezelése, mely lehet közbenső vagy végső feszültségmentesítés, nemesítés még a tengely nyers állapotában, vagy felületi keményítés a tengely végleges méretre való megmunkálása előtt.
Sűrítési arány
A motor teljesítményét és hatékonyságát jelentősen befolyásolja a sűrítési arány. Ez azt mutatja meg, hogy a dugattyú lefelé mozgása során a hengerbe beszívott üzemanyag-levegő keveréket a sűrítés során eredeti térfogatának hányad részére nyomja össze a felfelé haladó dugattyú, mielőtt a gyújtógyertya szikrája berobbantaná azt. Ha például a keveréket a dugattyú eredeti méretének nyolcadrészére sűríti, akkor 8:1-es sűrítési arányról beszélünk.
Gyújtási sorrend és vibrációcsökkentés
3 stroke engine
Azt a sorrendet, ahogy a gyújtógyertyák a motor egyes hengereiben meggyújtják az üzemanyag-levegő keverékét gyújtási sorrendnek nevezzük. A megfelelő sorrendért a gyújtáselosztó felel, ami a megfelelő pillanatban juttatja el az elektromos jelet a gyújtógyertyákhoz a motor működése során. Egy soros elrendezésű motornál a hengereket általában elölről hátrafelé haladva számozzák. Így a legmagasabb számú henger az lesz, amelyik oldalon a váltó a motorhoz csatlakozik.
Ha a gyertyák sorban egymás után (például 1-2-3 egy 3 hengeres motornál) adnák a szikrát, akkor a dugattyúk egymás utáni löketeinek köszönhetően a motor nagyon egyenetlenül járna és igen komoly mértékű vibráció lépne fel. Ezért egy többhengeres motorban, így a 3 hengeresek esetében is, a vibrációt a gyújtási sorrend megváltoztatásával igyekeznek minimálisra csökkenteni. A főtengely kialakítása és a gyújtási sorrend szinkronizálása biztosítja a motor egyenletesebb járását és a vibrációk elkerülését, hozzájárulva ezzel a motor élettartamához és a vezetési komforthoz.