Koljenasto vratilo

25. ožujka 2013.
Škola - Koljenasto vratilo
autor: AUTONET.HR 

Iz pravocrtnog u kružno

Polako se približavamo trenutku kada će naš motor stvorenu snagu predati prijenosnom sustavu. No, prije nego li se to dogodi, pravocrtno gibanje klipa moramo pretvoriti u kružno. U tome će nam pomoći koljenasto vratilo, izum čije su načelo rada poznavali još i stari Rimljani
Osnovni dijelovi koljenastog vratilaOsnovni dijelovi koljenastog vratila
Koljenasto vratilo, ili "radilica", jedna je od većih jednodjelnih komponenti motora s unutarnjim izgaranjem. Uloga koljenastog vratila je u prijenosu snage s klipova na prijenosni sustav vozila (konkretno, na mjenjačku kutiju).

A, s obzirom da se svi pogonski dijelovi prijenosa gibaju kružno, na izlaznom dijelu motora (onom dijelu koji će predati snagu, odn. moment prijenosnom sustavu) moramo na neki način dobiti upravo takvo, kružno gibanje, premda smo snagu motora dobili zahvaljujući pravocrtnom gibanju klipa (dovoljno kompliciarno i nerazumljivo objašnjenje, zar ne? :-))

Klipnjače i koljenasto vratilo (Mopar - Chrysler Group LLC)Klipnjače i koljenasto vratilo (Mopar - Chrysler Group LLC)
Izum zahvaljujući kojem se sve vrti

Koljenasto je vratilo izrađeno od jednog dijela čelika i obično je lijevano ili rjeđe, kovano te naknadno podvrgnuto strojnoj obradi kako bi se napravili dosjedi za ležajeve, otvori i kanali za podmazivanje te prednji i stražnji nastavak. Energija koja se razvija izgaranjem smjese goriva i zraka potiskuje, kao što znamo iz prošlih nastavaka Škole, klip prema DMT. Na njega je, pak, osovinom pričvršćena klipnjača koja predstavlja vezu između klipa i koljenastog vratila.

Donji dio klipnjače sastoji se od dva dijela koji čine okrugli otvor unutar kojeg se nalazi ležaj. Taj, donji dio klipnjače pričvršuje se za koljenasto vratilo na kojem se nalazi dosjed s provrtom za podmazivanje. Tako se ostvaruje gibljiva veza između klipnjače i koljenastog vratila, neophodna da bi se pravocrtno gibanje klipa, posredstvom klipnjače, prevelo u kružno gibanje koljenastog vratila.

Kovano koljenasto vratilo V8 motora (Mercedes-Benz AMG)Kovano koljenasto vratilo V8 motora (Mercedes-Benz AMG)
Na strani suprotnoj od ležajeva klipnjače nalaze se protuutezi koji osiguravaju ravnomjeran rad motora. Ovi utezi imaju zadatak uravnoteženja gibanja klipa i klipnjače čime se umiruje rad motora i omogućava sigurno razvijanje viših brzina rada (brojeva okretaja). Utezi su najčešće napravljeni u jednom dijelu, zajedno s koljenastim vratilom te su naknadno strojno obrađeni kako bi se uskladila njihova masa, no katkada su protuutezi pričvršećni vijcima.

Dakako, značajno je i pravilno podmazivanje ležajeva na dosjedima koljenastog vratila zbog velike sile koja potiskuje klip (iako se karakteristike današnjih pogonskih strojeva drastično razlikuju, tek ilustracije radi možemo reći da nekakva tipična vrijednost za benz. motore iznosi do 18.000 N).

4200
 
Klip s klipnjačom i nekoliko (dvodjelnih) ležajeva s otvorima za podmazivanje - 6,2-litrenog V8 motor LT-1 iz Corvette Stingray (General Motors)Klip s klipnjačom i nekoliko (dvodjelnih) ležajeva s otvorima za podmazivanje - 6,2-litrenog V8 motor LT-1 iz Corvette Stingray (General Motors)
Što sve koljenasto vratilo pokreće?

Na krajevima koljenastog vratila nalaze se nastavci za pričvršćivanje prigušnika vibracija, remenica, zamašnjaka itd. S prednje (uvjetno rečeno, dakako) strane motora nalazi se završetak koljenastog vratila na kojem je pričvršćen prigušnik vibracija. Radi se o ulošku s metalnim i gumenim dijelovima namijenjenom umirivanju vibracija (koje uzdužno pomiču koljenasto vratilo). Njegova je uloga prvenstveno ta da dovoljno "umiri" koljenasto vratilo kako ne bi puklo ili se na koji drugi način oštetilo uslijed preopterećenja. Također, na istom se završetku koljenastog vratila nalaze i nastavci za spajanje remenica koje pokreću pumpu za vodu, alternator, bregasta vratila i ostalo.

Također, na tzv. prednjem dijelu koljenastog vratila montiran je disk za mjerenje brzine vrtnje. Takav je disk izveden ili u obliku zupčanika ili po obodu ima rupice (udubljenja). Optički (ili magnetni) senzor koji se nalazi neposredno uz ovaj disk šalje informacije središnjem upravljačkom računalu motora o brzini pomicanja zubaca ili rupica. Taj se podatak potom preračunava u broj okretaja motora (broj okretaja koljenastog vratila) koji je jedan od temeljnih parametara potrebnih za rad elektroničkog upravljačkog sustava. Pomoću ovog podatka motor "zna" u kojem trenutku treba iskru dati svječici, kada je potrebno pokrenuti ubrizgavanje goriva itd.

Koljenasto vratilo uvijek ima jedan ležaj više nego li redni motor cilindara. U ovom slučaju riječ je o 5-cilindričnom motoru iz Mercedes-Benza 240 D (1974.) čije je koljenasto vratilo postavljeno u 6 ležajeva (Daimler AG)Koljenasto vratilo uvijek ima jedan ležaj više nego li redni motor cilindara. U ovom slučaju riječ je o 5-cilindričnom motoru iz Mercedes-Benza 240 D (1974.) čije je koljenasto vratilo postavljeno u 6 ležajeva (Daimler AG)
Na drugoj strani (uvjetno rečeno "stražnjoj" strani motora) koljenastog vratila nalazi se nastavak na koji je pričvršćen zamašnjak. Zamašnjak je okrugli metalni disk koji svojom inercijom tijekom vrtnje pokreće koljenasto vratilo preko tzv. "mrtvih točaka klipova" i praznih neradnih taktova održavajući tako stalnu brzinu vrtnje. Time se umiruju vibracije i osigurava ravnomjeran rad motora. Zamašnjak je karakterističan prema tome što na svom obodu ima raspoređene zupce koji naliježu na zupčanik elektropokretača motora.

Postoji li i priča za one "koji žele znati više?"

Posebnih "varijacija na temu" u priči o koljenastom vrartilu gotovo da i nema. Razlike su tek u broju ležajeva kojima je koljenasto vratilo pričvršćeno za blok motora te u materijalu od kojeg je izrađeno, kao i veličini protuutega. Jasno je, da se u motorima visokih karakteristika (sportski i/ili natjecateljski automobili) pokušava što više smanjiti masa pokretnih dijelova kako bi se olakšao rad i povećao najviši broj okretaja.

Takvi su motori obično opremljeni koljenastim vratilima s malim i laganim protuutezima te znatno olakšanim zamašnjakom. Dakako, pri niskim brojevima okretaja ovako će se prerađeni motor prilično tresti što se u velikoserijskim vozilima nastoji izbjeći. Još jedna varijacija današnjeg školskog sata je koljenasto vratilo V motora. Ovakvi pogonski strojevi imaju po dvije klipnjače (suprotnih klipova) spojene na jedan, prošireni, dosjed koljena. Katkada se dosjedi V motora izrađuju i kao dvostruki, s malim (ekscentričnim) razmakom radi postizanja bolje raspodjele sila.

Lancem pokretane osovine za poništenje vibracija (Saab AB)Lancem pokretane osovine za poništenje vibracija (Saab AB)
Osovine za poništavanje vibracija

Kako bi se dodatno poništile vibracije koje nastaju u radu motora s unutarnjim izgaranjem, izmišljene su osovine za poništavanje vibracija. Riječ je o izumu engleskog inženjera Fredericka W. Lanchestera iz 1904. koji će praktičnu primjenu u automobilskim motorima doživjeti mnogo desetljeća kasnije. Ovakve osovine najčešće susrećemo kod 4-cilindričnih rednih motora kod kojih se vibracije ne mogu poništiti isključivo preciznim uravnoteženjem pojedinih pokretnih dijelova motora. Naime, 4-cilindrični redni motori posebnu su problematični u pogledu vibracija stoga što kretanje klipnjača nije simetrično u odnosu na rotaciju koljenastog vratila (klipovi koji se gibaju prema DMT, odn. GMT nisu uvijek simetrični, tj. nisu jednako udaljeni od gornje ili donje krajnje pozicije).

Porsche 944 sa svojim je 2,5-litrenim motorom 'promovirao' osovine za poništavanje vibracija (Porsche AG)Porsche 944 sa svojim je 2,5-litrenim motorom 'promovirao' osovine za poništavanje vibracija (Porsche AG)
Sustav za poništavanje vibracija najčešće se sastoji od dvije osovine koje se rotiraju u suprotnim smjerovima, brzinom dvostruko većom od brzine rada motora (brzine okretanja koljenastog vratila). Na ovim se osovinama nalaze ekscentrični utezi (jednake mase) čija se inercijska reakcija (zbog suprotnih smjerova rotacije osovina) poništava na vodoravnoj ravnini, no zbraja na okomitoj. Upravo je to smjer u kojem se javljaju vibracije nastale neravnomjernim gibanjem klipova.

Očekivano, problem ovako nastalih vibracija posebno je značajan kod 4-cilindričnih motora većeg obujma (u pravilu, iznad 2000 cm3). Upravo stoga je Porsche na svom 2,5-litrenom 4-cilindričnom rednom motoru modela 944 iz 1982. primijenio dvije osovine za poništavanje vibracija koje su se okretale u suprotnim smjerovima. Bio je to jedan od prvih poznatijih primjera korištenja ovog načina rješavanja problema vibracija u automobilskom motoru. No ipak, konkretnu konstrukciju za poništavanja vibracija pomoću posebnih osovina patentirao je Mitsubishi 1975. Komercijalni naziv ove konstrukcije zvao se Silent Shaft, a bio je prvi puta primijenjen u 4-cilindrilčnim rednim motorima serije G45 (Astron 80).

Zamašnjak s oprugama za poništavanje vibracija - zamašnjak podijeljene mase (SACHS - ZF Friedrichshafen AG)Zamašnjak s oprugama za poništavanje vibracija - zamašnjak podijeljene mase (SACHS - ZF Friedrichshafen AG)
Dakako, jasno je da se s promjenom konstrukcije motora ovakve vibracije mogu poništiti i bez upotrebe osovina za smirivanje ili nekog drugog sličnog načina. Jedna od najpovoljnijih konstrukcija u tom smislu je boxer, ili motor s kutem između redova cilindara od 180 stupnjeva. Također, motori s cilindrima u V rasporedu manje su podložni ovako nastalim vibracijama, posebno oni s većim brojem cilindara. Uostalom, neki će se možda i prisjetiti anegdote u kojoj je Ferruccio Lamborghini postavio jaje na poklopac ventila svog V12 motora kako bi dokazao koliko taj stroj mirno radi. Dakako, jaje se nije niti pomaknulo :-)

Toliko o ovoj temi. A, sada, da ne pomislite kako i toga neće biti, slijedi vam ono nešto "za po doma" iliti domaća zadaća. Vaš je zadatak naučiti sve o inženjeru koji se zove Giotto Bizzarrini.

Powered by AdminMax v6 © 2005-2018 by Internet Softver Design by WEB Marketing