Wałki rozrządu – budowa i działanie

Wałki rozrządu

Czym jest tak naprawdę wałek rozrządu? Jakie ma on zadania oraz wymagania? Na co zwrócić uwagę podczas kupna, w jaki sposób opisywane są parametry wałka rozrządu oraz co one dla nas tak naprawdę znaczą? Odpowiedzi na te pytania w artykule.

Za co odpowiedzialny jest wałek rozrządu i czym tak naprawdę jest? Otóż służy on przede wszystkim do sterowania pracy zaworów (zarówno ssących, jak i wydechowych), ich otwierania i zamykania. Oprócz tego pośredniczy w olejeniu silnika oraz może napędzać aparat zapłonowy, pompę oleju, paliwa lub pompę wtryskową.

Układy zawieszenia w samochodach osobowych

Te czynności są wykonywane za pomocą – nazwijmy to – układu wirujących dźwigni, bo tym właśnie są główne elementy budowy wałka rozrządu – krzywki. Ich kształt oraz rozmieszczenie decydują o czasie otwarcia zaworu. W silniku czterosuwowym zawory wydechowy i ssący otwierają się raz na dwa obroty wału korbowego. Jasno więc wynika, że wałek rozrządu musi obracać się o połowę wolniej.

Budowa wałka rozrządu

Typowy wałek rozrządu składa się zazwyczaj z zakończenia przedniego, które służy do jego napędu, krzywek, czopów łożyskowych, mimośrodów i czasem koła zębatego, które może służyć do napędu różnych mechanizmów silnika. Środek wałka jest często przewiercany dla zmniejszenia wagi lub w celu umożliwienia przepływu oleju do smarowania łożysk.

Zmiana seryjnego umiejscowienia akumulatora – wpływ na wyważenie samochodu

W silnikach rzędowych przeważnie na jeden cylinder przypadają dwie krzywki – jedna dla zaworu ssącego, druga dla zaworu wydechowego. Obecnie coraz więcej silników jednak ma po 4 lub 5 zaworów na cylinder. Stosuje się wówczas rozgałęźniki dźwigniowe bądź po prostu drugi wałek rozrządu – jeden dla zaworów ssących, drugi dla zaworów wydechowych.

Dwa wałki rozrządu łożyskowane na głowicy

Najczęściej w starszych konstrukcjach można spotkać się z łożyskowaniem wałka rozrządu w kadłubie silnika. Obecnie w większości przypadków w silnikach rzędowych wałek jest umieszczony na głowicy. Zmniejsza to liczbę części i masę ruchomych elementów rozrządu, a także obniża głośność pracy. W silnikach widlastych – zależnie od położenia wałka rozrządu – może być zastosowany jeden (na dole silnika pomiędzy widłami cylindrów) lub dwa, a nawet cztery przy górnym rozmieszczeniu.

Wałek rozrządu w V8 Chevroleta

Mówiąc o warunkach pracy wałka rozrządu, trzeba wziąć pod uwagę duże siły tarcia, jakimi są obciążone powierzchnie między krzywkami a popychaczami oraz między czopami (miejsca, gdzie wał jest podpierany) a łożyskami. Kolejnymi siłami działającymi na ten wał są siły gnące i skręcające w wyniku nacisku popychaczy oraz oddziaływania mechanizmów przez niego napędzanych. Takie środowisko pracy wymaga doboru odpowiednich materiałów i technologii wytwarzania. Czopy i krzywki powinny być dostatecznie twarde, natomiast rdzeń miękki i elastyczny.

Wałki rozrządu

Wałki rozrządu są przeważnie kute lub odlewane. Ze stali niskostopowych oraz węglowych wałki są odkuwane, a następnie ich powierzchnie robocze krzywek, czopów i mimośrodów podlegają procesowi nawęglania i hartowania. W przypadku zastosowania żeliwa sferoidalnego lub stopowego wałki są odlewane, a następnie hartowane. Krzywki i mimośrody są hartowane powierzchniowo do głębokości ok. 2-7 mm. Wałki rozrządu mogą być także wykonywane z rury ciągnionej na zimno – powierzchnie pod czopy są utwardzane i szlifowane, a kute krzywki umieszcza się na wale poprzez wprasowanie.

Amortyzatory – rola w pojeździe i eksploatacja

Na koniec przypatrzymy się jeszcze bliżej krzywkom. Ich zarys ma bardzo istotny wpływ na pracę rozrządu. Decyduje on o szybkości i czasie otwierania oraz zamykania zaworów, ich przyspieszeniu, a co za tym idzie – także o siłach bezwładności działających na składowe elementy rozrządu. Można wyróżnić trzy główne rodzaje zarysu krzywek: styczna, harmoniczna i syntetyczna. Wszystkie zostały przedstawione na poniższym rysunku.

Rodzaje krzywek

Pora na omówienie parametrówm jakie opisują wałek rozrządu, a tak naprawdę krzywki znajdujące się na nim. Są to przede wszystkim: wznios zaworu i czas otwarcia zaworu.

Wznios zaworu jest przeważnie podawany w milimetrach (w Europie). To wysokość, na jaką nos krzywki unosi szklankę popychacza, co odpowiada odległości od czubka nosa do teoretycznej podstawy okręgu, na którym opiera się profil krzywki. Trzeba zaznaczyć, że wznios krzywki nie zawsze odpowiada skokowi zaworu. W przypadku stosowania dźwigienek zaworowych, zależnie od ich współczynnika (powyżej 1,0), zawory mogą być podnoszone na większą wartość niż ta, która wynikałaby z długości ramienia krzywki. Należy także uwzględnić luz zaworowy, wynoszący przeważnie od 0,05 mm do 0,5 mm.

Schemat układu rozrządu

Czas otwarcia zaworu jest wyrażany w stopniach obrotu wału korbowego i dotyczy on przekroczenia pewnej wartości wzniosu, od której mierzony jest czas otwarcia zaworu, aż do zamknięcia, czyli ponownego przekroczenia tej samej wartości. Brzmi nieco zawile, ale postaram się to wyjaśnić najprościej, jak potrafię.

Otóż w idealnych warunkach zawór powinien się otwierać w momencie osiągnięcia górnego martwego położenia tłoka (GMP), a zamykać w dolnym martwym położeniu (DMP). W takim przypadku wał korbowy wykonuje obrót o 180o i taki też byłby czas otwarcia zaworu. Jednak ani gazy wylotowe, ani mieszanka paliwowo-powietrzna nie mają niestety takich zdolności, aby w jednej chwili znaleźć się w komorze spalania lub ją równie szybko i błyskawicznie opuścić. Dlatego też zawory otwierają się nieco wcześniej niż następuje GMP i zamykają nieco później od osiągnięcia DMP.

W ten sposób doszliśmy do wyodrębnienia kątów otwarcia ssania i zamknięcia ssania (lub wydechu, zależnie od rozpatrywanego zaworu). Pierwszy z nich określa kąt, na ile przed osiągnięciem GMP położenia tłoka rozpoczyna się proces otwierania zaworu. Drugi z nich określa kąt, na ile po osiągnięciu DMP położenia tłoka zakończy się proces zamykania zaworu. Przykładowo, zawór dolotowy otwiera się 36o przed GMP położenia tłoka, a zamyka 52o po osiągnięciu DMP przez tłok. Dodając te wartości do 180o, osiągnie się czas otwarcia zaworu – w tym przypadku będzie on wynosić 268o.

Schemat układu rozrządu

Wiadomo już, co oznaczają dane parametry, które określają charakterystykę krzywek w wałku rozrządu. Jak je interpretować? Czy zawsze więcej znaczy lepiej? Dlaczego każdy wałek rozrządu o czasie otwarcia zaworów np. 270o nie jest taki sam? Tutaj zaczynają się tak zwane: „reklamowane czasy otwarcia”, którymi posługują się producenci. Otóż sam czas otwarcia niewiele nam powie, jeśli nie wiadomo, od którego momentu jest on liczony (jakiej wartości wzniosu zaworu), o czym pisałem na samym początku w definicji.

Przeważnie czas otwarcia zaworu podaje się dla wzniosu od 0 mm do 0,5 mm. Rozbieżność jest zatem – jak widać – bardzo duża, biorąc pod uwagę fakt, że mieści się w zakresie luzu zaworowego. Wznios zaworu w tych granicach ma więc tak naprawdę niewielkie znaczenie, ponieważ przepływ mieszanki będzie bardzo znikomy. Dopiero porównanie wałków przy większych wartościach wzniosu ma sens.

Poniżej dla przykładu na dwa wałki rozrządu, jeden wyprodukowany przez Peugeot Sport, a drugi przez Cat Cams. Oto specyfikacja:

Porównanie wałków rozrządu

W sklepie oba wałki można znaleźć na tej samej półce z czasem otwarcia zaworów 300o/299o. Jak widać, jednak parametry przy wzniosie równym 1 mm różnią się już o 11o. Zawór w przypadku wałka Cat Cams otwiera się szybciej i dlatego będzie on rozwiązaniem, którego poszukujemy dla naszego silnika.

Omówiliśmy parametry oraz to, skąd biorą się ich wartości. Wyjaśnijmy jeszcze kwestię, czy więcej znaczy lepiej. Można kupić wałek rozrządu o takiej charakterystyce krzywek, które zapewnią większy wznios i dłuższy czas otwarcia zaworu, co powinno spowodować oczywisty przyrost mocy. A jednak nie zawsze. Gdzie znajdują się ograniczenia?

Dźwigienki zaworowe

Oczywiście w konstrukcji silnika oraz przeznaczeniu. Zajmijmy się najpierw pierwszym aspektem. Większy wznios zaworów pozwoli na przepływ większej ilości mieszanki paliwowo-powietrznej. Należy jednak pamiętać, że ogranicza nas denko tłoka, którego zawór dotykać nie powinien. Zwiększenie skoku zaworu wiąże się także ze zwiększeniem jego przyspieszenia, z jakim się porusza. Zawór musi w końcu pokonać dłuższą drogę, ale w takim samym czasie bądź nawet krótszym (zależnie od charakterystyki krzywki). Większe przyspieszenia powodują większe siły bezwładności. Zawór nie będzie już osiadał na gnieździe tak łagodnie, co może prowadzić do wybijania się przylgni zaworowych w gnieździe i na zaworze, a nawet urywania się grzybków zaworowych w skrajnych przypadkach.

Nie można też przesadzić z czasem otwarcia zaworów. Niepisany podział wśród firm tuningowych wyróżnia trzy typy wałków rozrządu – sportowe, rajdowe, wyczynowe. Tak naprawdę tylko pierwszy z nich nadaje się do codziennej dynamicznej jazdy w ruchu miejskim. Wszystkie wałki rozrządu, które mają na celu podnieść moc silnika, charakteryzują się tym, że powodują szersze otwieranie się zaworu, na dłużej i szybciej. W języku potocznym mówi się wtedy o „ostrych wałkach”.

Poniżej porównanie dwóch wałków. Po lewej – wałek rozrządu o czasie otwarcia zaworów 241o przy wzniosie 0,05 cala, a po prawej typowo wyczynowy wałek rozrządu o czasie otwarcia zaworów 296o przy takim samym wzniosie.

Porównanie wałków rozrządu

Jakie są w takim razie następstwa dłuższego otwarcia zaworów? Na pewno zwiększone zużycie paliwa. Jako że procesy otwierania i zamykania się zaworów nakładają się na siebie, świeża mieszanka paliwowo-powietrzna wypycha spaliny z cylindra. Poprawia to dynamikę silnika w górnym zakresie obrotów, ale duża ilość mieszanki nie jest spalana, co wpływa na czystość spalin. Im „ostrzejszy” wałek rozrządu, tym samochód gorzej pracuje na wolnych obrotach. Można zapomnieć o elastyczności. Silnik doskonale sprawuje się w górnych partiach obrotów, a te przecież są używane w samochodach przeznaczonych do sportu. Po mieście w końcu nie jeździ się przez cały czas powyżej 4-5 tys. obr/min.

Samochód terenowy – podstawy [część 2]

Szybszy i dłuższy czas otwarcia zaworu skraca czas styku zaworu z gniazdem. Okres, w którym zawór oddaje ciepło. Skracając czas oddawania ciepła przez grzybek do gniazda, podnosi temperaturę zaworu, a to może skutkować ich nadpaleniem i tym samym nieszczelnością.

Należy więc postawić sobie na początku pytanie, do jakich celów posłuży samochód. Do jazdy na co dzień czy do wyścigów? Wybór odpowiedniego wałka w pierwszym rodzaju samochodu będzie zatem zawsze kompromisem. Zmianie wałka rozrządu towarzyszy także ustawienie kąta wyprzedzenia zapłonu i przeprogramowanie seryjnego komputera. Zależnie od rodzaju zastosowanego wałka mogą być potrzebne kolejne modyfikacje.

W niektórych przypadkach należy zamontować także nowe elementy współpracujące jak popychacze, dźwignie zaworowe lub płytki. Czasem wymagana jest nawet obróbka kanałów dolotowych i wylotowych w głowicy oraz wytrzymalsze zawory i tłoki. Jeśli nie ma się wystarczającej wiedzy na ten temat, zawsze trzeba zwrócić się do specjalisty, który zależnie od potrzeb klienta postara się dobrać odpowiedni wałek rozrządu dla silnika.

Regulamin komentowania

  • mate

    Artykuł fajny, można było wspomnieć o różnicach w wałkach do silników wolnossących i tych z turbo.

  • tomek

    Ciekawie opisane. Czytając o strukturze i materiałach z których się je wykonuje oraz sposobie wykonywania czułem się jak na wykładzie:) tak się składa że studiuję mechanikę i budowę maszyn dlatego z przyjemnością czytam takie artykuły. duży plus oby więcej takich tekstów.

    • milosz

      jak na ćwiczeniach z materiałoznawstwa, a MIBM studiuję również ja – dobrze czytać coś co się rozumie typu nawęglanie, hartowanie itd itp- i z nieopisaną przyjemnością czytam podobne artykuły.

      • dawid

        Ja również studiuje MiBM – metaliczne materiały konstrukcyjne, mechanika, wytrzymałość materiałów. Przyjemnie się czyta coś co się rozumie. Bardzo ciekawe, oby więcej.

        • a00

          Oj wielu nas. Ukończyłem mibm

  • http://s@k.pl esse

    super tekst. Miło poczytać jakąś fachową wypowiedź a nie tylko marketingowe bla bla. W ogóle dzisiaj chyba ogłoszę dzień fachowych tekstów. Kilka chwil temu czytałem niemniej ciekawy artykul o komputerach pokładowych: link

  • czarek1197

    Dobry tekst, jeszcze brakuje tylko w tym art zagadnienia związanego ze zmiennymi fazami rozrządu:)
    pozdrawiam

  • marek

    zmienne fazy rozrzadu byly juz wczesniej:) fajny art, zwlaszcza 2 czesc o wplywie parametrow krzywki na prace silnika

  • Kacper

    Artykuły techniczne są u mnie jak najbardziej mile widziane :) fajnie by było jeszcze poczytać o zmiennych fazach rozrządu tak jak czarek pisze.

  • sebso

    nie ma wałków rozrządów! W technice nie ma takiego pojęcia jak wałek!
    Wał rozrządu! polecam zaglądnąć do poważnej literatury (np. S.Lufta)

    • http://autokult.pl/author/szymon-witkowski Szymon Witkowski

      Ależ oczywiście, że jest. Polecam zajrzeć raczej do literatury technicznej, aniżeli poważnej. Ot pierwsza z brzegu wzięta przeze mnie książka “Projektowanie węzłów i części maszyn” Kurmazów. Pojęcia wałka przewija się w wielu działach, chociażby o tolerancjach wymiarowania.
      Mogę takich przykładów mnożyć.

      Nie przyjmuj wszystkiego co Ci mówią na studiach (akurat strzelam, że tak jest) a priori. To że jeden fanatyczny profesor tak sobie umanił, nie znaczy że tak jest naprawdę.

      • sebso

        akurat L. Kurmaz to kiepski przykład. Co do ostatniego zdania, myślę że tak właśnie było w twoim przypadku. Wałek rozrządu to nie fachowa nazwa, używana właśnie przez dziennikarzy i podawana dalej. Podobnych przykładów jest bardzo wiele: katalizator np. możesz napisać mi co to jest? tak się przecież potocznie mówi na reaktor katalityczny

      • sebso

        a jeszcze o najważniejszym bym zapomniał: blok silnika- buhaha

        • unito

          ha.. odkąd słyszę o reaktorze katalitycznym zawsze go nazywali katalizator :)
          sebso – to że nazwiesz wszystko jak z dobrego według ciebie podręcznika nie znaczy ze coś dobrego z tego wynika, chocby dlatego że na takim blogu ktory czytują entuzjasci jak ja nikt tego nie zrozumie, albo nie wszystko!

    • http://blogsilnika.blogspot.com/ kwahoo

      Idąc dalej nie ma czegoś takiego jak głowica. Może być tylko łbica, bo tylko człowiek zasługuje na to by mieć głowę, a wszystko inne ma łeb;)

      • Grado

        Święte słowa. Jak to wogóle brzmi? “Głowica silnika”. Łbica to ejst to ;)

    • Adam

      To tak samo jak nie ma jajek tylko są jaja ale tym sie niech zajmuja poligloci i tak każdy wiedzi o co chodzi a slowo wał to kazdy juz podświadomie myśli o korbowym lub napedowym.

    • Krzysiek

      W polskiej literaturze technicznej używa się zamiennie terminów “wał rozrządu” i “wałek rozrządu”. Świadczy o tym używanie tych terminów zarówno przez akademików jak i przemysł. Np. prof. Sławomir Luft (m.in. Członek Komisji Rewizyjnej Polskiego Towarzystwa Naukowego Silników Spalinowych) w ważnym opracowaniu akademicko-podręcznikowym “Podstawy budowy silników” używa faktycznie określenia “wał rozrządu”, ale prof. Tadeusz Rychter, autor wielu monografii, a także wielokrotnie wznawianych podręczników dla techników mechanicznych i samochodowych, “Budowa pojazdów samochodowych”, WSiP, używał terminu “wałek rozrządu”. Producent części do silników Firma Świątek z Bydgoszczy, czołowy polski producent elementów układu rozrządu używa w swoich katalogach i dokumentach technicznych określenia “wałek rozrządu”. Są to w zasadzie synonimy. Wałek brzmi trochę lepiej w kontekście całego silnika, gdyż współpracuje z wałem korbowym, który jest od niego o wiele większy i masywniejszy.

  • unito

    czy to nie jest tak jak z auto i samochód, brzmi inaczej a znaczy to samo, sebso – jak to jest ? dziwny jest ten świat LOL

    • http://blogsilnika.blogspot.com/ kwahoo

      Tak ciągnąć ten dziwny temat:)
      automobil == samochód, turbosprężarka == turbozespół, turbina gazowa == silnik turbospalinowy, ale auto != samochód, turbina != turbosprężarka, spalanie != zużycie paliwa

      legenda:
      == równoznaczny
      !=nierównoznaczny

    • sebso

      unito powiedział: czy to nie jest tak jak z auto i samochód, brzmi inaczej a znaczy to samo, sebso – jak to jest ? dziwny jest ten świat LOL

      dla mnie to jest określenie tej samej rzeczy. przykro mi że ty tego nie wiesz. A kolektor i reaktor katalityczny to dwa różne pojęcia. poza tym nie chodzi mi o to by każdy używał prawidłowego nazewnictwa. Ale jeśli pisze się artykuł na blogu motoryzacyjnym i pisze go osoba mająca o tym pojęcie (a nie streszcza inne artykuły zastanawiając się o co chodzi), powinna to robić fachowo. Takie moje zdanie. Nikt się z nim zgadzać nie musi.

  • bop

    Do autora: czytając ten artykuł (ciekawy- moje uznanie) trafiłem na błąd, otóż wspominając z czego wykonuje się wałki rozrządu jest napisane, że z “rury ciągnionej na zimno. Otóż z rur raczej się ich nie wykonuje tylko z prętów. Mam nadzieje ze nie obrażam i jeszcze raz podziwiam, że jeszcze chce się komuś pisać ciekawe artykuły.

  • daniel

    SUHAJCIE POWIEDCIE MI WAL KORBOWY WARZY 15 KILO MAM W RENKU KLUCZ DYNAMETRYCZNY ILE MAM USTAWIC RZEBY ZACZOL SIE OBRACAC W SILNIKU CIASNO PASOWANYM O BARDZO NISKIEJ TOLERANCI