Z archiwum ŚM: Układ rozrządu – jak szwajcarski zegarek. Numer 6/1996

I rzeczywiście, o ile z wyko­naniem rozrządu do małej jed­nocylindrówki poradziłby sobie być może zdolny technik, to napęd zaworów sportowego czterocylindrowca z szesnasto­- czy dwudziestozaworową gło­wicą stanowi nie lada problem dla całych zespołów inżynie­rów. 

Dzieje się tak dlatego, że ogromne znaczenie dla osiągów i żywotności silnika mają nie tylko rozmieszczenie wałków rozrzą­du i liczba zaworów na cylin­der, ale również fakt, jak szybko otwierają się i zamykają zawory, jak duży jest ich skok, jakie są fazy rozrządu czy wreszcie – na ile zmieniają się drgania w ukła­dzie dolotowym, w zależności od obrotów i charakterystyki roz­rządu. Dodajmy do tego jeszcze, że z kolei to wszystko jest uzależ­nione od masy zaworów, kon­strukcji sprężyn zaworowych, wartości luzu roboczego ele­mentów rozrządu i sztywności poszczególnych części, a zoba­czymy, na ile skomplikowanym układem jest rozrząd czterosu­wowego silnika spalinowego. 

Nie można także zapomi­nać, że do charakterystyki roz­rządu trzeba dopasować prze­bieg zapłonu i skład mieszan­ki napędowej, a wszystkie ele­menty układu należy wykonać z jednorodnego materiału, za­chowując powtarzalność para­metrów. Zwłaszcza ten ostatni czynnik ma ogromne znacze­nie, przecież żadna dźwigienka, krzywka, tak jak żaden popy­chacz czy zawór nie mogą od­biegać jakością od innych i po­winny mieć taką samą masę. 

Na dodatek rozrządom sta­wiane są wykluczające się wza­jemnie wymagania (jak naj­szybsza wymiana ładunku w cylindrze, sztywność, lek­kość, szybkobieżność, trwałość, prostota konstrukcji i obsługi, niskie koszty wytwarzania). Zaprojektowanie takiego „dzi­woląga” to, jak widać, droga przez mękę. Szwajcarski zega­rek wydaje się być przy tym mechanizmem pokroju młotka i kowadła. 

Wielu z nas ingeruje samo­dzielnie w układ rozrządu, ale sprowadza się to zazwyczaj tylko do regulacji luzu zawo­rowego. Nie wszyscy jednak podchodzą do tej czynności z należytą pieczołowitością, za­pominając, że mają do czynie­nia z niezmiernie precyzyjnym mechanizmem. Luz zaworowy to nic innego jak uwzględnie­nie rozszerzalności cieplnej materiałów. Uzależniony jest nie tylko od rodzaju silnika, ale również od typu rozrządu i użytych do jego budowy ma­teriałów. 

Ponieważ precyzyjne oblicze­nia teoretyczne w tym przypad­ku są niezmiernie trudne, pro­ducenci ustalają luz zaworowy metodą doświadczalną. Musi być on wystarczająco duży, by zawory szczelnie się zamykały i jak najmniejszy, by zapobiec nadmiernej hałaśliwości i innym niekorzystnym zjawiskom. Zbyt duże luzy zaworowe są bowiem przyczyną spadku mocy (prze­sunięcie faz rozrządu) i dodatko­wych sił udarowych, zmniejsza­jących żywotność elementów. Chodzi tutaj głównie o odskaki­wanie zaworów, powodujące wybijanie przylgni zaworowych i gniazd w głowicy. 

Warto wiedzieć, że zmniejsze­nie luzu zaworowego o 0,1 mm powoduje w fazie nagrzewania silnika zwiększenie kąta otwarcia zaworów aż o 10%. Badania wykazały, że z samego zwięk­szenia tego kąta nie płyną prak­tycznie żadne korzyści. Co praw­da moc wzrasta o ok. 3%, ale w zakresie średnich obrotów wartość momentu obrotowego spada o ok. 10%! Maleje siła na­cisku popychacza na krzywkę, o ok. 25%, i jest to w zasadzie je­dyne korzystne w tych warun­kach zjawisko.

Siły między krzywką a popy­chaczem są największe podczas biegu jałowego jednostki napędo­wej przy maksymalnym otwar­ciu zaworu i sięgają nawet 800 N. Z kolei zwiększenie luzu zaworo­wego w stosunku do założonego przez konstruktorów o 0,1 mm zwiększa co prawda ciśnienie sprężania o ok. 10% (nieco lepsze osiągi w zakresie niskich obro­tów), ale powoduje przy tym zwiększenie hałasu i nierówno­mierność wolnych obrotów. 

W tym ostatnim przypadku w grę wchodzą procesy zacho­dzące między przylgnią zaworu a gniazdem zaworowym. Precy­zyjna regulacja luzu ma zatem ogromne znaczenie dla prawi­dłowej pracy silnika. Wystarczy powiedzieć, że zwiększenia luzu zaworowego o 20% nie wykryje nawet fachowe ucho, choć pro­cesy spalania w cylindrze już przebiegają wadliwie. 

Niektóre motocykle mają automatyczną regulację luzu zaworowego, opartą zazwyczaj na elementach hydraulicznych. Można zadać sobie pytanie, dlaczego nie stosuje się ich po­wszechnie, wszak znaczna to ulga dla użytkownika (nie ma konieczności okresowej regula­cji) i gwarancja precyzyjnego działania rozrządu. Prawda jak zwykle leży pośrodku. 

Po pierwsze, hydraulicznych ele­mentów regulujących luz za­worowy nie powinno się stoso­wać w silnikach osiągających obroty rzędu 6-7 tys. obr/min. Powyżej tej wartości nadmiar oleju ma zbyt mało czasu, by opuścić komorę regulatora i zawór zamyka się z pewnym opóźnieniem. Są w tym wzglę­dzie wyjątki (Honda CBX 750 F), ale zazwyczaj hydrauliczną re­gulację luzu stosuje się w mo­tocyklach o charakterze tury­stycznym. 

Czasami kontakt z rozrzą­dem jest spowodowany chęcią przywrócenia mocy zdławione­mu silnikowi naszego jedno­śladu. Pojawiają się przy tym określenia „ostre” lub „łagod­ne” wałki rozrządu. Chodzi tutaj oczywiście o kształt krzy­wek, które w „ostrej” wersji zapewniają szybsze otwieranie i zamykanie zaworów oraz naj­bardziej korzystne w powiąza­niu z nimi czasy rozrządu. W konsekwencji wzrasta moc jednostki napędowej, chociaż sam układ rozrządu pozostaje oczywiście bez zmian. 

Różne systemy napędu zawo­rów dobiera się w zależności od konstrukcji silnika i stawianych mu wymagań. W wysokoobroto­wych, wielocylindrowych jed­nostkach napędowych z dwoma wałkami rozrządu w głowicy króluje napęd bezpośredni, w którym krzywka uderza bez­pośrednio w szklankowy popy­chacz zamontowany na trzonku zaworu. Taki układ ma wiele za­let, obok dużej szybkobieżności i małych sił bezwładności trzeba podkreślić dużą sztywność me­chanizmu. Problemy sprawia jednak kłopotliwa regulacja za­worów za pomocą specjalnych płytek (nierzadko zachodzi ko­nieczność demontażu wałków rozrządu) oraz duże naciski mię­dzy krzywką a popychaczem (wymagane są najwyższe gatun­kowo materiały). 

Podobne zalety, choć nie w takim już wymiarze, mają układy z jednostronnymi dźwi­gienkami zabierakowymi. Przy zastosowaniu dźwigienek dwu­stronnych (nazywanych żartobli­wie huśtawkami) znacznie spa­da szybkobieżność i znacz­nie wzrastają siły bezwładności. Jednak przy jednym wałku w głowicy układ z dwustronnymi dźwigienkami okazuje się wręcz niezastąpiony. 

Osobny rozdział to układy rozrządu z pośrednim napę­dem zaworów. Wałek rozrzą­du w bloku silnika, długie laski popychaczy i dwustronne dźwi­gienki mają małą sztywność, dużą masę i jeszcze mniejszą szybkobieżność (zazwyczaj w silnikach do 7000 obr./min). W zasadzie układ taki uchodzi za anachronizm, jednak w nie­których przypadkach, gdy od osiągów silnika ważniejsza jest jego zwarta budowa i prostota konstrukcji, pośredni napęd oddaje nieocenione wręcz usługi. Proszę bowiem zauważyć, że w silnikach widlastych czy bokserach jeden wałek roz­rządu przy pomocy odpowied­niej liczby popychaczy jest w stanie obsłużyć dwa, cztery, a nawet sześć cylindrów. Z ko­rzyścią dla kosztów wytwarza­nia, bowiem laski popychaczy czy dźwigienki są znacznie tań­sze i prostsze technologicznie niż wałki rozrządu.

Trzeba jeszcze wspomnieć o układzie desmodromowym, hołubionym po dziś dzień przez włoskie Ducati, a zastosowanym po raz pierwszy przez firmę De­lage w 1912 r. Wymuszanie za­mknięcia zaworu krzywką, co jest charakterystyczne dla tego systemu, eliminuje problemy z bezwładnością sprężyn zawo­rowych (duża szybkobieżność), zapewnia maksymalne przy­spieszenia zaworów i niezwykłą precyzję czasów rozrządu. Znacznie wyższe koszty pro­dukcji układów desmodromo­wych są przyczyną ich małej popularności, konstruktorzy wolą już sukcesywnie ulepszać tradycyjne systemy. Warto jed­nak spojrzeć na sportowy doro­bek stajni Ducati, by przekonać się, jakie korzyści płyną z zastosowania systemu „Desmo”.

Napęd samych wałków przez lata powierzano zębatym lub rolkowym łańcuchom, przy czym w silnikach rzędowych montowano je na środku jed­nostki napędowej. Było to nie­korzystne nie tylko ze względu na czynności obsługowe (pod­czas wymiany trzeba rozmon­tować praktycznie cały silnik), ale również od strony termicz­nych warunków pracy. Prze­niesienie napędu wałków roz­rządu na prawą lub lewą stro­nę jednostki napędowej, po­wszechnie ostatnio praktyko­wane, znacznie ułatwia obsłu­gę i pozwoliło wyrównać odle­głości między cylindrami (za­chowanie równowagi cieplnej). 

Łańcuchy królują w napę­dach rozrządów, bowiem mi­mo głośnej pracy są bardzo ży­wotne. Nierzadko wytrzymują one przebieg silnika do napra­wy głównej. Taką wytrzymało­ścią nie mogą się poszczycić stosowane w niektórych moto­cyklach paski zębate z tworzy­wa sztucznego (Ducati, Honda Gold Wing i ST 1100, Cagiva Elefant), prawdą jest jednak, że pracują one znacznie ciszej. 

Dawniej, zwłaszcza w kon­strukcjach angielskich, stoso­wano do napędu wałków roz­rządu wałki królewskie. Taki układ, zapewniający bardzo precyzyjne sterowanie czasa­mi rozrządu i niezwykle trwały, jest jednak zbyt drogi we współczesnym systemie wiel­koseryjnej produkcji. Wyma­gające bardzo dużej dokładno­ści wykonania i wysokiej pre­cyzji montażu, wały królewskie z towarzyszącymi im przekład­niami zastąpiono z czasem pro­stymi w produkcji i znacznie tańszymi łańcuchami. 

Wydawałoby się, że powie­dzieliśmy o rozrządzie wszystko, a ogrom rozmaitych czynników i rozwiązań konstrukcyjnych wpływających na jego pracę przyprawia o zawrót głowy. Nic bardziej mylnego. W grę wcho­dzą jeszcze inne sprawy, które wymagają uwzględnienia przy tworzeniu tej misternej kon­strukcji. Okazuje się na przy­kład, że nie tylko sprężyna jest elementem sprężystym w ukła­dzie napędu zaworów. 

W zasadzie żadna część nie jest idealnie sztywna. Spręży­stość pozornie sztywnych elementów sprawia na przykład, że rzeczywiste wzniosy zaworów odbiegają niekiedy od założo­nych. Z tego samego powodu różnice w czasach rozrządu mogą sięgać nawet 40 stopni ! Znacznie pogarsza to pracę sil­nika, a drgania, w które wpada rozrząd z powodu sprężystości wałków rozrządu, popychaczy i dźwigienek, obniżają żywot­ność elementów (wspomniane wcześniej odskakiwanie zawo­rów od gniazd). 

Analizując powyższe rozwa­żania nasuwają się dwa wnioski. Po pierwsze, musimy być wdzięczni losowi, że nasz kon­takt z rozrządem sprowadza się do stosunkowo prostych czynno­ści obsługowych. Po drugie, trzeba pamiętać, że dbałość o prawi­dłowe luzy zaworowe zapewni nam nie tylko maksymalną moc i minimalne zużycie paliwa na­szego jednośladu, ale również znacznie wyższą trwałość wielu części silnika i cichszą jego pra­cę. I pomyśleć, że to wszystko za­leży od setnych części milimetra i całego mnóstwa mechaniczno-­materiałowych subtelności. Jak w szwajcarskim zegarku.