Mecanismul de distributie

Mecanismul de distributie are rolul de a asigura schimbul de gaze in cilindrul motorului, adica realizarea evacuarii gazelor arse de la ciclul precedent si admisia gazelor proaspete pentru noul ciclu motor.

Componenta mecanismului de distributie este urmatoarea:

1. mecanismul de transmitere a miscarii de la arborele cotit la arborele de distributie: roti dintate (de curea), lant (curea), intinzator, role sau patine de conducere;
2. arborele de distributie (axa cu came);
3. tacheti, (tije impingatoare), culbutori, supape.

1. Mecanismul de transmitere a miscarii

Exista mai multe solutii de transmitere a miscarii de la arborele cotit la arborele de distributie: curea dintata, lant, angrenaje cu roti dintate

In figura 1 se prezinta cateva variante constructive de mecanisme de antrenare cu lant in care: a) lant simplu cu intinzator hidraulic si contrapatina, b) lant dintat (Morse) solutie British Leyland, c) lant dublu solutie British Leyland 1 - roata dintata a axului cu came, 2 - roata dintata intermediara, 3 - roata dintata a arborelui motor, 4 - intinzatoare hidraulice, 5 - contrapatine.

Acest tip de mecanism ofera avantajul ca este sigur in functionare, incarcarea arborilor este redusa, randament ridicat (0,86 0,98), transmite puteri mari dar este zgomotos mai ales atunci cand lungimea lantului este mare. De asemenea, toate elementele au nevoie de ungere.

Spre deosebire de mecanismul cu lant, pentru diminuarea substantiala a zgomotului, se utilizeaza mecanismul cu curea dintata ca in figura 2.

In cazul antrenarii cu curea dintata componenta este urmatoarea: 1 - fulie montata pe arborele cotit; 2 - fulie montata pe arborele de distributie; 3 - intinzator de curea; 4 - fulie pentru antrenarea unui arbore care nu face parte din mecanismul de distributie (in cazul din figura 2 este vorba despre un arbore care antreneaza pompa de combustibil si ruptor-distribuitorul); 5 - curea dintata. Dezavantajul principal al acestei solutii constructive este faptul ca in timpul functionarii cureaua se poate rupe (datorita fenomenelor de imbatranire, suprasarcini, oboseala, atacul diferitelor substante, in special hidrocarburi, sau calitatea materialelor folosite precum si a tehnologiei de fabricare necorespunzatoare). Ruperea curelei de distributie reprezinta o defectiune grava deoarece miscarea supapelor nu mai este corelata cu pozitia pistonului si acesta, de cele mai multe ori, loveste una sau mai multe supape ramase deschise. In urma impactului supapa se deformeaza, ghidul supapei crapa iar uneori si piesele mecanismului motor au de suferit. Totusi, pentru motoarele mici se prefera aceasta solutie de antrenare deoarece este simpla, silentioasa, usoara, functioneaza la turatii mari si nu necesita ungere. Pentru o functionare sigura, cureaua dintata de distributie trebuie inlocuita periodic in functie de indicatiile producatorului.

Motoarele mari si cele solicitate mai intens sunt echipate cu sisteme de antrenare cu lant.

Intinderea curelei sau lantului se face cu ajutorul intinzatorului care poate fi cu arc (mai ales la curea dintata) sau hidraulic (la lant). Intinzatorul compenseaza o parte din uzuri si impiedica oscilatiile ramurii libere a curelei sau a lantului. Din acest motiv se monteaza pe aceasta ramura.     Ramura activa este ramura care este trasa de fulia (sau roata de lant) de pe arborele cotit (in figura 2 este ramura care coboara) iar ramura libera este "impinsa" de fulia (sau roata de lant) de pe arborele cotit (in figura 2 este ramura care urca).

Rotile de lant sau de curea sunt fixate pe arbori prin intermediul unor pene. Pe roti si pe carcase se gasesc semne de pozitionare a arborilor la montajul lantului sau curelei de distributie. Daca nu se respecta indicatiile producatorului cu privire la montarea corecta a distributiei atunci motorul nu porneste sau functioneaza necorespunzator si chiar se pot produce defectiunile care apar si la ruperea curelei.

2. Arborele de distributie

Este denumit si arbore cu came sau axa cu came. Aceste denumiri vin de la faptul ca pe acest arbore sunt prelucrate came. Fiecare cama corespunde unei supape si comanda deschiderea si inchiderea acesteia. In figura 3 sunt prezetate partile componente ale unui arbore de distributie montat in capul chiulasei.

- roata de lant;

- fixare axiala a arborelui;

- cama;

- arborele de distributie (zona neprelucrata);

- fus palier;

- carcasa.

Arborii de distributie sunt realizati din otel (prin matritare) sau fonta (prin turnare). Principala solicitare la care sunt supusi este strivirea care duce la uzarea camei pe zona de ridicare si pe varf. Zonele camei sunt prezentate in figura    

I - varful camei;

II - zona de ridicare a camei;

III - zona de preluare a jocurilor;

r₀ - cercul de baza al camei;

A A' - sector din cercul de baza al camei unde nu se produce ridicarea supapei;

h_max - inaltimea maxima de ridicare.

Uzarea camei duce la modificarea fazelor de distributie (vezi ARHIVA articolul "Propulsia autovehiculelor". In acel articol explicam fazele de distributie astfel:" supapele de admisie si evacuare se deschid inainte de terminarea cursei pistonului spre punctul mort superior (pentru S.A.) si respectiv punctul mort inferior (pentru S.E). Acest lucru se numeste avans la deschidere a supapei de admisie si respectiv evacuare in scopul de a asigura o deschidere cat mai mare a supapelor in momentul inceperii cursei de admisie respectiv evacuare. Similar, la inchiderea supapelor exista o intarziere care se numeste intarziere la inchiderea supapei de admisie respectiv evacuare. In acest caz se doreste utilizarea inertiei gazelor pentru umplerea respectiv golirea cilindrului. Decalajele (avansurile la deschidere si intarzierile la inchidere a supapelor) formeaza fazele de distributie si se exprima in "grade rotatii arbore cotit" (RAC) fata de punctul mort cel mai apropiat."

Tachetii, tijele impingatoare, culbutorii, supapele

In contact direct cu cama se afla tachetul sau in unele situatii culbutorul. In figura 5 sunt prezentate elementele mecanismului de distributie cu arbore de distributie amplasat in bloc (a) sau cu arbore de distributie amplasat in capul chiulasei (b):

- arbore de distributie;

- tachet;

- tija impingatoare;

- culbutor;

- supapa;

- arc de supapa.

Dupa cum se poate observa, in cazul cand arborele de distributie este amplasat in capul chiulasei, mecanismul este mai simplu. Acest fapt reprezinta un avantaj mai ales pentru faptul ca poate fi crescuta turatia maxima datorita maselor mai mici care se afla in miscare. In figura 6 sunt prezentate cateva solutii constructive de actionare a supapelor.

Piesele mecanismului de distributie sunt amplasate in zone ale motorului cu temperaturi diferite. De asemenea aceste piese sunt realizate din materiale diferite care au coeficienti de dilatare diferiti. Din acest motiv este nevoie ca pentru inchiderea sigura a supapelor sa existe un joc, numit joc termic, care sa fie reglat la montaj. Jocul termic se regleaza in concordanta cu prescriptiile producatorului si este masurat intre coada supapei si culbutor sau intre cama si culbutor (tachet) sau in alt loc in functie de solutia constructiva a motorului.

In figura 6 se pot vedea doua sisteme de reglaj al jocului termic si anume: a) joc termic reglat prin surub si contrapiulita si masurat intre coada supapei si culbutor "j" iar in b) reglajul se face cu ajutorul pastilelor amovibile (care se pot schimba) de grosimi diferite iar jocul termic se masoara intre pastila si cama. Reperele din figura sunt: j - jocul termic; 2 - contrapiulita de asigurare; 3 - surubul de reglaj; pastila amovibila din (b) este marcata cu negru.

Jocul se masoara cu ajutorul unui set de lame calibrate a caror grosime este inscrisa pe fiecare lama in parte (figura 7). Uneori se intampla ca dupa reglaj sa se auda in continuare zgomotul specific provocat de jocul termic incorect reglat. Acest fenomen se datoreaza uzurii supapei sau/si a culbutorului ca in figura 8. In aceasta situatie lama calibrata masoara un joc "1" iar in realitate jocul este mai mare "2". In acest caz trebuie corectat profilul piesei uzate (supapa sau culbutor). Pentru a se realiza un reglaj automat si continuu al jocului termic, la motoarele mici si medii, s-au
introdus tachetii hidraulici. Acestia functioneaza fara joc si isi adapteaza lungimea in timpul functionarii.

In figura 9 se exemplifica doua variante de tacheti hidrauluici. Acestia reduc uzurile camelor si reduc socurile din timpul functionarii.

Supapa este ultima in lantul cinematic al mecanismului de distributie. Ea este compusa din: taler (partea cu diametrul cel mai mare care se afla in camera de ardere), tija sau coada supapei care culiseaza prin ghidul de supapa. La capatul tijei sunt prelucrate unul sau mai multe canale in care se fixeaza sigurantele de supapa (galetii). In figura 10 sunt aratate cateva supape.

Pentru a exemplifica modul in care sunt montate supapele in chiulasa se prezinta in figura 11. o sectiune prin chiulasa unui motor cu supape in V si camere emisferice: in care:

1 - supapa, 2 - manseta de etansare, 3 - platoul inferior al arcului, 4 - ghidul supapei, 5 - chiulasa, 6 - biela, 7 - bolt, 8 - piston, 9 - camasa cilindrului, 10 - scaunul supapei, 11 - arcul supapei, 12 - platoul superior, 13 - semiconuri de fixare.

Cum functioneaza acest mecanism: cama, comandata de arborele de distributie, se deschide coborand talerul spre piston. Desigur pistonul se gaseste la o distanta la care nu intra in contact cu supapa. Dupa ce cama trece de inaltimea maxima incepe inchiderea acesteia sub actiunea arcului care a fost comprimat la deschidere. Partea care se deplaseaza (supapa, platoul superior, sigurantele de supapa si o parte din arc) are o anumita masa. Dupa cum se cunoaste, "masa este masura inertiei" si deci trebuie tinut cont de ea. Inertia acestui grup poate limita turatia motorului prin faptul ca supapele nu se inchid la timp (raman in urma camei). Din acest motiv unele constructii sunt prevazute cu doua arcuri la fiecare supapa. Aceasta masura micsoreaza si lungimea arcului si a supapei si deci rezulta mase mai mici la forte elastice mari. Sensul de de infasurare al celor doua arcuri este invers pentru ca spirele sa nu se intrepatrunda. Dupa cum am precizat, talerul supapei se afla in camera de ardere. Acest lucru determina solicitarea ridicata a supapelor la temperaturi relativ mari (vezi figura 12).

Supapa de admisie are un regim termic mai redus datorita faptului ca, in timpul cand este deschisa, tija si talerul sunt "spalate" de aerul (sau gazele) reci care patrund in motor. La supapa de evacuare fenomenul se petrece in alt mod, adica, atunci cand aceasta este deschisa, gazele arzand "spala" talerul si tija acesteia. Diferenta de aproape 400 ^oC este semnificativa si din acest motiv, la unele motoare,    proiectantii prevad materiale diferite pentru supapele de admisie si evacuare. Se pot lua chiar si masuri constructive pentru reducerea temperaturii supapelor de evacuare. Astfel se poate mari lungimea ghidului de supapa sau se fac tijele supapelor tubulare. In interior se introduc substante solide (cristale sau pulberi) care au punct de topire redus. De obicei se introduc: sodiu, azotat de sodiu sau azotat de potasiu. Cand substanta introdusa se topeste, lichidul format se misca in interiorul tijei si astfel evacueaza mai rapid caldura de la taler spre tija si de aici la ghidul de supapa care, la randul sau, o transmite spre instalatia de racire.

Tot pentru uniformizarea solicitarilor termice supapele se invart in timpul functionarii (exceptie fac supapele cu ecran care echipeaza unele motoare Diesel care sunt mai putin solicitate termic). Temperatura cea mai ridicata din motor se gaseste in zona aflata intre supapele de admisie si supapele de evacuare (aceasta zona poarta numele de "puntea supapelor"). Ar insemna ca daca supapele nu s-ar roti atunci talerele lor sa se dilate mai mult inspre aceasta zona. Fenomenul se produce atunci cand supapele se gripeaza in ghid sau cand apar uzuri la coada supapei si la piesa care o antreneaza. Ca urmare, supapa isi pierde capacitatea de etansare si uneori crapa. In figura 13 se poate observa distributia temperaturilor la o supapa de evacuare. Dar cum se invart supapele ? Exista mai multe posibilitati: utilizarea unui mic dispozitiv cu bile si plan inclinat intre cama sau culbutor si supapa sau chiar prelucrarea patinei culbutorului cu o anumita inclinatie (1^o 3^o) care duce la invartirea supapei. Rotirea supapei este benefica si pentru uzura dintre talerul supapei si scaunul acesteia precum si pentru uzura dintre culbutor si tija sau dintre tija si ghidul de supapa.

Scaunul de supapa este un element inelar realizat dintr-un material (otel) rezistent la temperatura si la uzura. De obicei acest otel este aliat cu mangan si se numeste "stelit". Inelul este presat in chiulasa si apoi este prelucrat astfel incat sa asigure etansarea cat mai buna.

In figura 14 se ilustreaza o sectiune prin chiulasa si scaunul de supapa. 1 - chiulasa; 2 - scaun de supapa montat; 3 - zona de etansare. Este esentiala realizarea etansarii intre talerul supapei si scaunul de supapa. Pentru acest lucru la fabricare se prelucreaza simultan atat scaunul cat si ghidul supapei (se asigura coaxialitatea acestora) iar apoi, dupa montarea supapei, se face o rodare a supapei pe scaunul acesteia cu ajutorul unei paste abrazive. Tehnologiile moderne, prin precizia pe care o pot realiza, elimina aceasta ultima operatie atat la fabricare cat si la reparare.

Ghidul supapei are forma de bucsa si se preseaza in chiulasa. Are rolul de a conduce (ghida) supapa in miscarea ei alternativa. Figura 15 ilustreaza cateva variante constructive de ghiduri de supapa. Partea cea mai delicata o reprezinta jocul dintre supapa si ghid. Pentru evacuarea caldurii din tija supapei jocul trebuie sa fie mic dar acest lucru poate duce la griparea celor doua elemente mai ales la incalzirea supapei de evacuare. Daca jocul este prea mare atunci caldura se elimina mai greu, supapa nu mai este bine condusa si prin interstitiul liber se poate absorbi ulei in galeria de admisie si se aici in cilindru, unde arde. Pentru a preveni acest ultim fenomen se etanseaza tija de ghid cu o manseta de etansare (se mai numeste si "simering de supapa"). Oricum jocurile dintre tija si ghidul supapei au valori cuprinse in intervalul 0,005 0,012 mm.

Tija impingatoare apare numai la motoarele care au arborele de distributie plasat in blocul motor. Rolul ei este de a transmite miscarea de la tachet la culbutor (vezi figura 5.a).

La capetele tijelor sunt prelucrate cuple sferice care intra in legatura cu piesele conjugate. Pentru a reduce masele inertiale si pentru a mari rezistenta la flambaj tijele se fac, uneori, sub forma tubulara. Tija impingatoare este si o piesa de siguranta. Astfel aceasta se deformeaza (incovoiere) atunci cand supapa sau culbutorul se gripeaza, fara sa produca alte pagube. Fiind tratata termic numai la capete, corpul tijei se poate indrepta cu usurinta deoarece este tenace (la solicitari se poate deforma relativ mult inainte de a se rupe).

Culbutorul este de fapt o parghie oscilanta articulata in diverse puncte ca in figurile 17 si 18.

In figura 17 avem: 1 - culbutor; 2 - arc de mentinere a culbutorului pe articulatie; 3 - carcasa arborelui de distributie; 4 - arborele de distributie; 5 - surubul de reglaj al jocului termic; 6 - arcurile supapei; 7 - ghidul de supapa; 8 - supapa; 9 - chiulasa; cu culoarea rosie este evidentiat jocul termic si zona de masurare al acestuia.

In figura 18 avem: 1 - culbutor; a, b, c - solutii de prindere a culbutorului; d - montajul culbutorului pe axul culbutorilor.

In zona culbutorului se realizeaza reglajul jocului termic. La unele motoare culbutorii sunt realizati din tabla ambutisata (vezi figura 18. c).

Axul culbutorilor este de obicei tubular si prin acesta este adus ulei sub presiune pentru ungerea pieselor mecanismului de distributie. Pe ax sunt asamblati culbutorii prin intermediul unor bucsi sau rulmenti. Pentru mentinerea pozitiei culbutorilor in dreptul supapelor pe care le actioneaza, pe ax, intre culbutori sunt montate arcuri.