Vačkové hriadele sú súčasťou strojárstva po stáročia. Ich počiatky siahajú až do 3. storočia pred Kristom. V Helenistickom období boli použité u vodou hnaných automatov. Od týchto čias prešli dlhú cestu a stali sa súčasťou mnohých zariadení.
Pre našich čitateľov budú pravdepodobne podstatnejšie tie, používané v spaľovacích motoroch. Slúžia k prenosu rotačného pohybu kľukového hriadeľa na vratný translačný pohyb ventilov, ktoré zabezpečujú výmenu obsahu pracovného priestoru valca.
Na čo slúži vačkový hriadeľ? – Náhľad k základom
Vačkový hriadeľ rotuje v bloku motora a zvyčajne je poháňaný rozvodom od kľukového hriadeľa. Sú na ňom umiestnené jednotlivé vačky, ktoré zabezpečujú pohyb rozvodového mechanizmu. Pohyb vačky sa prenáša na zdvíhadlo trecím alebo valivým kontaktom. Počas otáčania jednotlivé vačky otvárajú a zatvárajú sacie a výfukové ventily v závislosti na polohe piesta, ktorá umožňuje nasávanie a výfuk zmesi.
Veľmi dôležitý je profil výbežku vačky. Tvar profilu výbežku musí zabezpečiť najvhodnejšie plnenie valca, teda zdvih ventilu musí byť čo najväčší. Táto vlastnosť sa nazýva plnosť vačky. Podľa priebehu zrýchlenia vytváraného profilom vačky ich delíme na spojité a nespojité. Spojité vačky z matematického hľadiska prezentujú spojitú funkciu.
Tvar profilu vačky závisí od požadovaných vlastností a má výrazný vplyv na výkon motora, obzvlášť pri vyšších otáčkach. Úpravcovia vačiek závodných automobilov upravujú, brúsia, výbežky vačiek tak, aby ventily zostali otvorené dlhšie pre udržanie prietoku vzduchu pri vyšších otáčkach.
Vačky na hriadeli môžu byť špecificky upravené pre správne časovanie ventilov vzhľadom na pohyb piesta. Časovanie vačkového hriadeľa môže byť v predstihu, čím získame vyšší točivý moment pri nižších otáčkach, prípadne oneskorené pre zabezpečenie väčšieho výkonu vo vyšších. Možno teda povedať, že obe možnosti menia priebeh výkonových charakteristík v celom spektre otáčok.
Profil výstupku vačiek upravuje časovanie ventilu. Vykonávanie činností časovania a veľkosť zdvihu sú dôležitými parametrami pri vysokovýkonných motoroch, ktoré majú menšie možnosti dodatočných úprav.
Odborník z renomovanej spoločnosti COMP Cams zaoberajúcej sa úpravou vačkových hriadeľov, sa vyjadril, že je jednoduchšie upravovať priebeh krútiaceho momentu použitím upravenej vačky v pretekárskom motore, pretože šírka spektra využívaných otáčok je v týchto motoroch omnoho menšia ako v sériových automobiloch. Ak vačku upravuje na mieru pre konkrétne úzke spektrum otáčok, je výsledok výraznejší a ľahšie pozorovateľný.
Niečo, čo môže fungovať vynikajúco v 1800kg automobile do bežnej prevádzky, nemusí byť vhodné do 1300kg pretekárskeho auta. Pri výbere z dostupných upravených vačiek je dôležité prihliadať na aplikáciu a nie len na kompresný pomer a veľkosť motora. Voľba nevhodnej vačky príliš nezníži výkon, avšak zhorší priebeh krútiaceho momentu. Je preto nevyhnutné vziať do úvahy hmotnosť, použitie a rozsah využívaných otáčok vozidla.
Pre nás, Európanov, menej známy Smokey Yunick, legendárna postava scény NASCAR, tvrdil, že pretekár si musí vybudovať vzťah so spoločnosťou upravujúcou vačkové hriadele ak chce byť úspešným na trati. Bolo podľa neho podstatné, aby jazdci komunikovali s týmito spoločnosťami a držali sa ich. Firmy totiž investovali mnoho prostriedkov, aby zaistili vývoj vačky k danej aplikácii a vďaka mnohoročnému výskumu a vývoju sa stali odborníkmi vo veľmi špecifickej technickej oblasti.
Počiatok
Trocha k histórii. Konštruktéri motorov boli informovaní o časovaní vačiek a jeho vplyve na výkon motora už na začiatku 20 storočia.
Roku 1908 inžinieri Fordu podrobne skúmali motor modelu N (predchodca slávneho modelu T). Spoločnosť porovnávala vačku 205/217 (trvanie sania a výfuku) s vačkou 210/224. Vačka s kratším trvaním bola oneskorená o 0,5° a druhá o 3,5°. Vačka s dlhším trvaním produkovala vyšší výkon, avšak kratšia poskytovala lepší priebeh momentu, vďaka čomu bola uvedená do produkcie.
Tento počin môžeme považovať za zlomový okamih, kedy inžinieri pochopili význam a dôležitosť profilov vačiek a vplyv časovania. Nasledujúce desaťročia boli honom za výkonom. Ed Winfield sa často považuje za otca závodných vačiek. Podľa mnohých významných osobností z radov závodných inžinierov bol otcom pretekárskeho automobilového priemyslu.
Ak ste v tej dobe boli jedným zo šťastlivcov, ktorí mali Winfieldov karburátor, vačkový hriadeľ alebo hlavu valcov boli ste veľkým zvieraťom. Ak ste boli šťastlivcom natoľko, že ste mali všetky uvedené diely, pravdepodobne ste boli účastníkom najbližšej Indy 500.
Začiatky úpravcov vačkových hriadeľov
Winfieldova rodina bola finančne dobre zabezpečená a mladý Ed presvedčil jeho matku, úspešnú realitnú agentku v LA, aby kúpila používanú valcovú brúsku. Winfield upravil zariadenie tak, aby na ňom mohol brúsiť výstupky vačiek. Prvé brúsenia prebehli na vačkových hriadeľov modelov T. Upravené hriadele mali byť vhodné na okruhy, preteky mimo asfaltu a aj pre v tej dobe bežné klopené drevené dráhy. Ponúkal dva druhy profilov, polovičný pretekársky a pretekársky. Krátko na to sa rozhodol vytvoriť profil, ktorý by zapadol medzi uvedené typy a nazval ho trištvrťová závodná vačka.
Winfield bol vyučený Harrym Millerom, jedným z najznámejších výrobcov pretekárskych automobilov. Harrym postavené automobily vyhrali Indy 500 9krát a jeho motory ďalšie 3 razy. Ed sa učil obrábať diely motorov v Millerovej dielni. V týchto skromných začiatkoch sa mu podarilo vytvoriť svoje vlastné šablóny vačkových hriadeľov a učil ostatných. Povráva sa, že Winfieldovi učni vytvorili takmer všetky spoločnosti zaoberajúce sa úpravami vačkových hriadeľov.
Jednou z mála výnimiek bol Pierre Louis Betrand, priateľom známy ako „Pete“. Stavba pretekárskych áut a pretekanie sa stali jeho vášňou. V 1930 odcestoval do Kalifornie so závoďákom na prívese. Po niekoľkých nehodách zavesil helmu na klinec.
Aby zostal v blízkosti pretekov začal upravovať vačky pre miestnych. Stal sa Winfieldovým konkurentom. Po nečakanej smrti, jeho zamestnanec Clayton ‘Clay’ Smith odkúpil spoločnosť a premenoval ju na Clay Smith Cams.
Rozmach úpravcov
Väčšina z najznámejších výrobcov vačiek spolu s ich dodávateľmi surových materiálov vznikali na prelome 40 a 50 rokov a sídlili prevažne v južnej Kalifornii. O dekádu neskôr zažili tieto spoločnosti neuveriteľný rast. Niektoré z nich sa rozdelili, prípadne zamestnanci vytvorili svoje vlastné.
Trh s upravenými vačkovými hriadeľmi kopíroval veľké zmeny. Od samotných začiatkov, cez explóziu éry musclecars až k moderným efektívnym automobilom. Od burácajúcich 20. rokov sa zmenilo len málo. Zlepšili sa materiály a zefektívnili výrobné postupy, ale vačkové hriadele sa stále podobajú prvotným, závodným upraveným Winfieldom. Aj keď sú na prvý pohľad podobné, v súčasnosti je omnoho náročnejšie vybrať vačkový hriadeľ pre vysokovýkonný motor.
Zamestnanec spoločnosti Crane Cams, Chase Knight vysvetľuje: „V pretekoch je mnoho premenných, ako napríklad špecifické pravidlá jednotlivých skupín, traťové obmedzenia, podmienky povrchu trate, rozdielne motory a odlišné konfigurácie automobilu. Všetky tieto parametre je potrebné zvážiť pri výbere vačkového hriadeľa.“
Autor: Marián Halač; Zdroj+foto: LSXTV.com
One thought on “Vačkový hriadeľ. Minulosť, súčasnosť, budúcnosť – časť I.”