Hoe nokkenassen werken

De nokkenas (klik op afbeelding om animatie te zien). Zie afbeeldingen van automotoren.

Als je het artikel Hoe automotoren werken hebt gelezen, weet je wat de kleppen zijn die het lucht / brandstofmengsel in de motor laten lopen en de uitlaatgassen uit de motor. De nokkenas maakt gebruik van lobben (genaamd nokken) die tegen de kleppen duwen om ze te openen terwijl de nokkenas draait; veren op de kleppen brengen ze terug naar hun gesloten positie. Dit is een cruciale taak en kan een grote invloed hebben op de prestaties van een motor bij verschillende snelheden. Op de volgende pagina van dit artikel kunt u de animatie zien die we hebben gemaakt om u echt het verschil te laten zien tussen een prestatienokkenas en een standaardnokkenas..

In dit artikel leert u hoe de nokkenas de motorprestaties beïnvloedt. We hebben een aantal geweldige animaties die u laten zien hoe verschillende engine-lay-outs, zoals enkele bovenliggende nokkenas (SOHC) en dubbele bovenliggende nokkenas (DOHC), echt werken. En dan zullen we een paar van de handige manieren bespreken waarop sommige auto's de nokkenas aanpassen, zodat deze efficiënter met verschillende motortoerentallen kan omgaan..

Laten we beginnen met de basis.

Basisbeginselen van de nokkenas

De belangrijkste onderdelen van elke nokkenas zijn de lobben. Terwijl de nokkenas draait, openen en sluiten de lobben de inlaat- en uitlaatkleppen in de tijd met de beweging van de zuiger. Het blijkt dat er een directe relatie is tussen de vorm van de nokkenlobben en de manier waarop de motor presteert in verschillende snelheidsbereiken..

Om te begrijpen waarom dit het geval is, stel je voor dat we een motor extreem langzaam laten draaien - met slechts 10 of 20 omwentelingen per minuut (RPM) - zodat de zuiger een paar seconden nodig heeft om een ​​cyclus te voltooien. Het zou onmogelijk zijn om een ​​normale motor zo langzaam te laten draaien, maar laten we ons voorstellen dat we dat wel zouden kunnen. Bij deze lage snelheid willen we noklobben die zo zijn gevormd dat:

• Net zoals de zuiger naar beneden begint te bewegen in de inlaatslag (het bovenste dode punt of TDC), zou de inlaatklep openen. De inlaatklep zou precies sluiten als de zuiger naar buiten komt.
• De uitlaatklep zou precies openen als de zuiger naar beneden komt (het onderste dode punt genoemd, of BDC) aan het einde van de verbrandingsslag, en zou sluiten als de zuiger de uitlaatslag voltooit.

Deze opstelling zou heel goed werken voor de motor zolang deze op deze zeer lage snelheid liep. Maar wat gebeurt er als u het toerental verhoogt? Laten we het uitzoeken.

Wanneer je het toerental verhoogt, werkt de 10 tot 20 toeren-configuratie voor de nokkenas niet goed. Als de motor draait op 4.000 tpm, openen en sluiten de kleppen 2.000 keer per minuut, of 33 keer per seconde. Bij deze snelheden beweegt de zuiger erg snel, dus het lucht / brandstofmengsel dat de cilinder binnenstroomt, beweegt ook erg snel.

Wanneer de inlaatklep opent en de zuiger zijn inlaatslag begint, begint het lucht / brandstofmengsel in de inlaatgeleider te versnellen in de cilinder. Tegen de tijd dat de zuiger de bodem van zijn inlaatslag bereikt, beweegt de lucht / brandstof met een behoorlijk hoge snelheid. Als we de inlaatklep zouden dichtslaan, zou al die lucht / brandstof tot stilstand komen en niet in de cilinder komen. Door de inlaatklep iets langer open te laten, blijft het momentum van de snel bewegende lucht / brandstof lucht / brandstof in de cilinder persen terwijl de zuiger zijn compressieslag begint. Dus hoe sneller de motor gaat, hoe sneller de lucht / brandstof beweegt, en hoe langer we willen dat de inlaatklep open blijft. We willen ook dat de klep breder opent bij hogere snelheden - deze parameter, genaamd kleplift, wordt bepaald door het noklobprofiel.

De onderstaande animatie laat zien hoe a gewone camera en een prestatie cam hebben verschillende kleptiming. Merk op dat de uitlaat (rode cirkel) en inlaat (blauwe cirkel) cycli veel meer overlappen op de prestatie-cam. Hierdoor hebben auto's met dit type nok de neiging om erg ruw stationair te draaien.

Deze inhoud is niet compatibel op dit apparaat.

Twee verschillende camera-profielen: klik op de knop onder de afspeelknop om tussen de camera's te wisselen. De cirkels geven aan hoe lang de kleppen open blijven, blauw voor inlaat, rood voor uitlaat. De klepoverlapping (wanneer zowel de inlaat- als de uitlaatkleppen tegelijkertijd open zijn) wordt aan het begin van elke animatie gemarkeerd.

Elke gegeven nokkenas zal alleen perfect zijn bij één motortoerental. Bij elk ander motortoerental zal de motor niet optimaal presteren. EEN vaste nokkenas is daarom altijd een compromis. Dit is de reden waarom autofabrikanten schema's hebben ontwikkeld om het nokkenprofiel te variëren naarmate het motortoerental verandert.

Er zijn verschillende soorten nokkenassen op motoren. We zullen het hebben over enkele van de meest voorkomende. Je hebt waarschijnlijk de terminologie gehoord:

• Enkele bovenliggende nokkenas (SOHC)
• Dubbele bovenliggende nokkenas (DOHC)
• Duwstang

In de volgende sectie zullen we elk van deze configuraties bekijken.

Schade door een zuiger die een klep raakt

Enkele bovenliggende nokkenas

Deze opstelling geeft een motor aan met één nok per hoofd. Dus als het een 4-cilinder lijnmotor of een 6-cilinder lijnmotor is, heeft hij één nok; als het een V-6 of V-8 is, heeft deze twee nokken (één voor elke kop).

De nok bedient tuimelaars die de kleppen naar beneden drukken en ze openen. Springs breng de kleppen terug naar hun gesloten positie. Deze veren moeten erg sterk zijn, want bij hoge motortoerentallen worden de kleppen heel snel naar beneden gedrukt en het zijn de veren die de kleppen in contact houden met de tuimelaars. Als de veren niet sterk genoeg zijn, kunnen de kleppen van de tuimelaars loskomen en terugspringen. Dit is een ongewenste situatie die tot extra slijtage van de nokken en tuimelaars zou leiden.

Deze inhoud is niet compatibel op dit apparaat.

Een enkele bovenliggende nokkenas

Bij motoren met enkele en dubbele bovenliggende nokkenassen worden de nokken aangedreven door de krukas, via een riem of ketting, de zogenaamde distributieriem of Tijdsketting. Deze riemen en kettingen moeten regelmatig worden vervangen of aangepast. Als een distributieriem breekt, stopt de nok met draaien en kan de zuiger de geopende kleppen raken.

De afbeelding hierboven laat zien wat er kan gebeuren als een zuiger een open klep raakt.

Dubbele bovenliggende nokkenas

Een motor met dubbele bovenliggende nokkenas heeft twee nokken per hoofd. Lijnmotoren hebben dus twee nokken en V-motoren hebben er vier. Gewoonlijk worden dubbele bovenliggende nokkenassen gebruikt op motoren met vier of meer kleppen per cilinder - een enkele nokkenas kan eenvoudigweg niet genoeg nokkenassen passen om al die kleppen te bedienen.

De belangrijkste reden om dubbele bovenliggende nokkenassen te gebruiken, is om meer inlaat- en uitlaatkleppen toe te staan. Meer kleppen betekent dat inlaat- en uitlaatgassen vrijer kunnen stromen omdat er meer openingen zijn om doorheen te stromen. Dit verhoogt het vermogen van de motor.

De laatste configuratie waar we in dit artikel op ingaan, is de pushrod-engine.

Een duwstangmotor

Pushrod-motoren

Net als SOHC- en DOHC-motoren bevinden de kleppen in een pushrod-motor zich in de kop, boven de cilinder. Het belangrijkste verschil is dat de nokkenas op een duwstangmotor zit in het motorblok, in plaats van in het hoofd.

De nok bedient lange staven die door het blok omhoog gaan en in de kop om de tuimelaars te bewegen. Deze lange stangen voegen massa toe aan het systeem, waardoor de belasting van de klepveren toeneemt. Dit kan de snelheid van duwstangmotoren beperken; de bovenliggende nokkenas, die de duwstang uit het systeem verwijdert, is een van de motortechnologieën die hogere motortoerentallen mogelijk maakten.

Deze inhoud is niet compatibel op dit apparaat.

Een duwstangmotor

De nokkenas in een duwstangmotor wordt vaak aangedreven door tandwielen of een korte ketting. Tandwielaandrijvingen zijn over het algemeen minder vatbaar voor breuk dan riemaandrijvingen, die vaak worden aangetroffen in motoren met bovenliggende nokkenas.

Een belangrijk ding bij het ontwerpen van nokkenassystemen is het variëren van de timing van elke klep. In de volgende sectie zullen we de kleptiming bekijken.

Het variabele cam-systeem dat op sommige Ferrari's wordt gebruikt

-Er zijn een aantal nieuwe manieren waarop autofabrikanten de kleptiming kunnen variëren. Een systeem dat op sommige Honda-motoren wordt gebruikt, wordt genoemd VTEC.

VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) is een elektronisch en mechanisch systeem in sommige Honda-motoren waarmee de motor meerdere nokkenassen kan hebben. VTEC-motoren hebben een extra inlaatnok met eigen wip, die deze cam volgt. Het profiel op deze nok houdt de inlaatklep langer open dan het andere nokprofiel. Bij lage motortoerentallen is deze tuimelaar op geen enkele kleppen aangesloten. Bij hoge motortoerentallen vergrendelt een zuiger de extra tuimelaar aan de twee tuimelaars die de twee inlaatkleppen bedienen.

Sommige auto's gebruiken een apparaat dat dat kan zet de kleptiming vooruit. Hierdoor blijven de kleppen niet langer open; in plaats daarvan worden ze later geopend en later gesloten. Dit doe je door de nokkenas een paar graden naar voren te draaien. Als de inlaatkleppen normaal openen op 10 graden voor het bovenste dode punt (BDP) en sluiten op 190 graden na het BDP, is de totale duur 200 graden. De openings- en sluitingstijden kunnen worden verschoven met behulp van een mechanisme dat de nok een beetje naar voren draait terwijl deze draait. De klep kan dus openen op 10 graden na BDP en sluiten op 210 graden na BDP. De klep 20 graden later sluiten is goed, maar het zou beter zijn om de duur dat de inlaatklep open staat te kunnen verlengen.

Ferrari heeft een heel nette manier om dit te doen. De nokkenassen van sommige Ferrari-motoren zijn gesneden met een driedimensionaal profiel dat varieert over de lengte van de noklus. Aan het ene uiteinde van de nokbult bevindt zich het minst agressieve nokprofiel en aan het andere uiteinde het meest agressieve. De vorm van de nok laat deze twee profielen naadloos in elkaar overvloeien. Een mechanisme kan de hele nokkenas zijdelings verschuiven zodat de klep aangrijpt op verschillende delen van de nok. De as draait nog steeds net als een gewone nokkenas - maar door de nokkenas geleidelijk lateraal te verschuiven naarmate het motortoerental en de belasting toenemen, kan de kleptiming worden geoptimaliseerd..

Verschillende motorfabrikanten experimenteren met systemen die een oneindige variabiliteit in kleptiming mogelijk maken. Stel je bijvoorbeeld voor dat op elke klep een solenoïde zit die de klep kan openen en sluiten met behulp van computerbesturing in plaats van te vertrouwen op een nokkenas. Met dit type systeem krijgt u maximale motorprestaties bij elk toerental. Iets om naar uit te kijken in de toekomst ...

Bekijk de links op de volgende pagina voor meer informatie over nokkenassen, kleptiming en gerelateerde onderwerpen.

gerelateerde artikelen

• Nokkenas Quiz
• Engine Quiz
• -Hoe automotoren werken
• Hoe overbrengingsverhoudingen werken
• Wat doet het VTEC-systeem in een Honda-motor??
• Is er een verschil tussen inline- en V-motorconfiguraties?

Meer geweldige links

• Zelfstudie over kleptiming
• Instructies voor installatie van de nokkenas
• Vervangingsintervallen van distributieriem en aanduiding van interferentie
• Animatie van nokkenas
• Animatie van Rocker Camshaft

-