A árvore de cames é o maestro silencioso da orquestra de combustão. Sem eles, o motor é apenas um pedaço de metal e combustível esperando para ser acionado. Sua função é simples na teoria, mas complexa na execução: informa às válvulas quando abrir e fechar. Esse tempo determina quanto ar entra, quanto gás de escape sai e, em última análise, quanta potência você sente ao girar o acelerador.
Na sua essência, a árvore de cames converte o movimento rotativo da cambota em movimento linear para operar as válvulas de admissão e escape. É uma dança sincronizada. A árvore de cames tem lóbulos – aquelas saliências estranhas em forma de ovo na haste. Quando o eixo gira, esses cames empurram os elevadores ou hastes de impulso, que por sua vez O formato da aba determina por quanto tempo a válvula permanece aberta e até que ponto ela sobe. Se você fizer isso errado, seu motor engasgará com o próprio escapamento ou ficará sem ar. Faça certo e você obterá eficiência, desempenho e operação suave.
Mas o “certo” depende inteiramente do que você faz com o carro. Uma árvore de cames perfeita para rastejar no trânsito a 10 rpm é um desastre a 7.000 rpm. É por isso que compreender o sincronismo da árvore de cames é fundamental para compreender o desempenho do motor.
A física do controle de válvula
Para ver por que o perfil da câmera é importante, vamos congelar o tempo. Imagine um motor funcionando a uma velocidade glacial de 10 a 20 rotações por minuto (RPM). É tão lento que leva segundos para o pistão completar o ciclo. Neste mundo hipotético, você deseja que a válvula de admissão abra exatamente quando o pistão inicia seu curso descendente (ponto morto superior ou TDC). Você o fecha quando o pistão atinge o ponto morto inferior (BDC) do curso. A válvula de escape abre e fecha no ponto morto inferior do curso de compressão depois que o pistão empurra os gases para fora.
Esta configuração funciona perfeitamente em ritmo de lesma. Mas os motores não vivem a 10 RPM. Eles vivem a 4.000, 6.000 e até 10.000 rpm.
Em altas velocidades, a física muda. Quando o pistão inicia seu curso de admissão, a mistura ar-combustível flui para dentro do cilindro. As coisas estão acontecendo rapidamente. Se você fechar a válvula de admissão no momento em que o pistão atingir o ponto morto superior, o movimento do ar irá parar. Não simplesmente para; É criada uma onda de pressão que pode realmente retornar. No entanto, se você mantiver a válvula aberta por mais um tempo, o impulso da carga que entra continuará a empurrar o ar para dentro do cilindro, mesmo que o pistão se mova de volta para o curso de compressão. Isso é chamado de eficiência volumétrica.
Rotações mais altas do motor exigem que a válvula de admissão permaneça aberta por mais tempo e seja elevada para utilizar o impulso da mistura ar-combustível que entra.
É por isso que as árvores de cames de desempenho têm perfis de cames diferentes. Eles mantêm as válvulas abertas por mais tempo e as elevam mais alto. Mas há uma compensação. Como as válvulas de admissão e escape ficam abertas simultaneamente (uma em cima da outra) por um longo período, a árvore de cames de alto desempenho faz com que o motor funcione de forma irregular em marcha lenta. É um compromisso. Uma árvore de cames fixa é sempre um compromisso porque só pode ser perfeita a uma determinada rotação do motor.
Arranjos gerais da árvore de cames
Os fabricantes de automóveis desenvolveram diferentes maneiras de organizar esses eixos para regular o fluxo de ar de forma mais eficiente. Estes termos são comumente usados em folhas de especificações e fóruns:
- SOHC (Single Overhead Cam): A árvore de cames está localizada acima das válvulas e opera tanto na admissão como no escape. É mais simples, mais leve e mais barato de fabricar.
–DOHC (Double Overhead Cam): As duas árvores de cames estão acima das válvulas.
Um controla a admissão, o outro a exaustão.
Isto permite uma afinação mais precisa, melhor fluxo de ar e limites de velocidade mais elevados.
– Vara de comando (OHV): A árvore de comando está profundamente inserida no bloco do motor.
Ele usa elevadores e hastes para acessar as válvulas do cabeçote. É um modelo mais antigo frequentemente encontrado em V8s americanos de bloco grande e é conhecido mais por seu torque e simplicidade do que por seus guinchos altos em altas rotações.
Cada configuração tem seus pontos fortes. SOHC é ótimo para durabilidade e preço diários. DOHC é a escolha para alto desempenho e eficiência. Os projetos Pushrod oferecem vantagens de tamanho e torque de baixo custo. Mas todos eles têm o mesmo problema básico: como fazer com que um componente mecânico fixo se comporte como uma variável? É aqui que entram em ação tecnologias como comando de válvulas variável, mas isso é uma história para outra hora. Por enquanto, lembre-se de que o formato desse lóbulo faz a diferença entre um carro de transporte regional e um motor de corrida.
Um mecanismo de configuração de câmera superior
Embora a terminologia aqui seja simples, muitas vezes é mal compreendida por observadores casuais. Uma configuração de came único no cabeçote (SOHC) significa que há apenas um eixo de comando no cabeçote do cilindro. A forma determina a quantidade. O motor é de 4 cilindros ou de 6 cilindros em linha? Esta é uma única árvore de cames que gira acima do cilindro. Mudar para um V-6 ou V-8 resulta em dois cabeçotes e duas árvores de cames funcionando em paralelo.
O trabalho de Cam é uma tirania mecânica. Girar. O pino pressiona o braço oscilante. Essas hastes empurram a válvula para baixo e a forçam a abrir com muita resistência. O lóbulo do came então gira e a mola da válvula retorna a válvula para sua posição hermeticamente fechada.
Esta primavera não pode ser fraca. eles devem ser muito fortes. Em altas velocidades, a válvula fecha contra a inércia. A mola deve manter todo o trem de válvulas conectado ao braço da alavanca. Quando a tensão desaparece, a válvula perde contato com o balancim. Eles lutaram ferozmente. Os resultados foram miseráveis. Desgaste extra no bico. Um gabinete destruído. Falha no motor.
正时皮带和故障成本
无论发动机使用一个凸轮还是两个凸轮，动力传输都是相同的。 曲轴驱动凸轮轴。 这种连接是通过皮带或链条实现的，通常称为正时皮带或正时链条。 这不是一个“设置好后就忘记它”的组件。 这些驱动器需要定期更换或调整。 间隔很严格。
为什么这很重要？ 因为如果正时皮带断裂，旋转就会立即停止。 凸轮轴停止。 然而,活塞仍然利用所有燃烧动量向上移动。 在许多干涉发动机设计中,活塞与打开的阀门正面相遇。 没有优雅的退出。 阀门弯曲。 活塞破裂。 维修费用超过了汽车的价值。 定期维护不是可有可无的； 这就像行驶中的汽车和镇纸之间的区别。
Como as árvores de comando duplas no cabeçote melhoram o desempenho
Um projeto de árvore de cames dupla no cabeçote (DOHC) é definido por duas árvores de cames por cabeçote. Isso significa que o motor quatro em linha tem um total de dois cames, enquanto uma configuração V6 ou V8 exigiria quatro cames. Esta arquitetura não é arbitrária. Isto é mecanicamente necessário para motores que utilizam pelo menos quatro válvulas por cilindro. Sem ligações complicadas e pouco confiáveis, um único eixo de comando não consegue encaixar lóbulos suficientes para acionar tantas válvulas.
O objetivo técnico aqui é o fluxo de ar. Aumentar o número de válvulas cria mais aberturas, permitindo que o ar entre e saia por aberturas maiores. A maior área de bombordo reduz as restrições e permite que o motor respire muito melhor do que um motor de came único. Uma melhor respiração leva diretamente a mais potência, especialmente em altas rotações. O layout DOHC permite uma sincronização precisa das válvulas, independente dos ciclos de admissão e escape, otimizando a eficiência e o desempenho.
Esta é a configuração mais comum em motores modernos que focam em desempenho e eficiência. Eles são instalados em todos os tipos de veículos, desde híbridos compactos até carros esportivos de alta rotação. A compensação é a complexidade. Mais peças móveis significam custos de fabricação mais elevados e potencialmente mais pontos de serviço ao longo da vida útil do veículo. Porém, para quem prioriza a densidade de potência, o DOHC ainda é a solução padrão.
Por que os motores Pushrod sobrevivem
A montagem final que discutiremos nesta série é o motor pushrod. Embora muitas vezes seja considerada uma tecnologia obsoleta, ainda é produzida. Fabricantes como a General Motors continuam a utilizá-lo em certas aplicações, especialmente em caminhões pesados e motores V8 de grande cilindrada.
O design da haste coloca a árvore de cames no bloco do motor e não na cabeça. As bielas ou hastes se estendem para cima para acionar as válvulas no cabeçote do cilindro. Esta ligação mecânica simples mantém o perfil do motor baixo e compacto. Um centro de gravidade mais baixo foi alcançado tornando a cabeça do cilindro menor e mais leve. Esta é uma grande vantagem ao manusear veículos grandes.
O preço é outro fator. Os motores Pushrod têm menos peças do que as configurações DOHC. Não ter duas árvores de comando por cabeçote significa menos usinagem, menos rolamentos e dinâmica de válvula mais simples. Isso significa menores custos de produção. Economias de custos significativas são possíveis para segmentos preocupados com o orçamento e para certos fabricantes de veículos comerciais.
No entanto, também existem limitações. A geometria do trem de válvulas limita a capacidade de altas rotações. As hastes podem dobrar e saltar em velocidades muito altas, fazendo com que a válvula flutue. Isso torna os motores pushrod inadequados para aplicações de alto desempenho que exigem trocas rápidas de válvulas. Eles são orientados ao torque e não focados na faixa de potência. Este modelo tem mais grunhido e sustentação graves do que gritos agudos.
Assim, embora o DOHC governe o mundo moderno em termos de eficiência e potência, os motores pushrod criam um nicho onde a simplicidade, o custo e o torque de baixo custo são mais importantes do que a excitação em altas rotações. Qual você escolhe depende inteiramente do uso pretendido do seu veículo.
Análise do sistema de putter
Você provavelmente já conhece o básico. A válvula está localizada dentro do cabeçote, acima do cilindro. Aqui, no entanto, a construção da haste difere dos layouts SOHC e DOHC. A árvore de cames não está ligada. Está enterrado dentro do bloco do motor.
Este layout muda tudo quando se trata de transferência de energia.
Este sistema usa hastes longas em vez de cones de came que empurram diretamente contra os braços oscilantes. Essas hastes passam pelo bloco e entram na cabeça para ativar o balancim. Este é um sistema de alavanca mecânica. Claro que é simples. No entanto, essa simplicidade vem acompanhada de castigo físico.
Essas hastes longas adicionam massa.
Mais massa significa mais inércia. A mola da válvula tem que trabalhar mais para regular a velocidade da válvula. Por esta razão, os motores pushrod geralmente não podem girar tão alto quanto os modelos com came suspenso. Adicionar componentes pode causar instabilidade harmônica. Uma árvore de cames à cabeça elimina a necessidade de hastes, permitindo rotações mais altas e respiração mais rápida. Esta é a principal compensação.
传动系统的耐用性
凸轮轴实际上是如何转动的？ 在大多数推杆发动机中，它由齿轮或短链条驱动。
齿轮传动在这里很常见. 它们通常比许多顶置凸轮发动机中的正时皮带更不易断裂。 如果皮带卡住或拉伸,皮带可能会折断。 齿轮只是磨削。 或者他们不这样做。 对于专为长寿和扭矩而不是峰值马力而设计的发 动机来说,耐用性是一个特性,而不是一个缺陷。
设计人员花费大量时间调整凸轮轴轮廓。 目标是改变每个阀门的正时。 正确处理进气和排气事件就是奇迹发生的地方。
接下来我们将深入研究可变气门正时如何改变游戏规则。
As montadoras estão sendo criativas no gerenciamento do sincronismo das válvulas. Não se trata apenas de abrir mais portas. A questão é quando e por quanto tempo essas portas estarão abertas. Nós cobrimos o básico. Agora estamos investigando um design estranho e maravilhoso que faz com que certos motores se comportem de maneira diferente em RPMs diferentes.
A solução Honda VTEC
A Honda não inventou o comando de válvulas variável do nada, mas ficou conhecido como VTEC. O nome vem das palavras Variable Valve Timing e Lift Electronic Control. É um híbrido eletrônico-mecânico que confere a alguns motores Honda uma personalidade diferente.
Aqui está o truque: os motores VTEC não têm apenas um perfil de came de admissão. Possui uma árvore de cames de admissão extra com balancim próprio. Esta câmera extra tem um perfil mais agressivo. Mantém a válvula de admissão aberta por mais tempo do que um came padrão.
Em baixas rotações do motor, o balancim extra fica em marcha lenta. Não está tocando em nada. O motor funciona com um perfil de came padrão mais leve para melhorar a eficiência.
Então, quando a rotação aumenta e o motor precisa de mais ar, o sistema é acionado. O pequeno pistão é preenchido com pressão hidráulica. Ele trava o balancim extra em dois outros balancins que controlam as válvulas de admissão dupla. De repente, todas as três válvulas são empurradas pelo came agressivo. A válvula permanece aberta por mais tempo. Mais fluxos de ar em picos de potência. Mecânico, barulhento e eficiente.
Avançando no tempo: o método Ferrari
Nem todo mundo quer trocar de câmera. Alguns engenheiros gostam de girá-los.
Este método pode não manter a válvula aberta por muito tempo. Em vez disso, toda a janela de tempo muda. Mais tarde a válvula abre e depois fecha. Você pode fazer isso girando o eixo de comando vários graus em relação ao virabrequim.
Vejamos a matemática. Normalmente, se a válvula de admissão abrir 10 graus antes do PMS e fechar 190 graus após o PMS, a duração total será de 200 graus. Esta é a linha de base.
Um mecanismo pode girar o came para frente enquanto ele gira. Agora a mesma válvula pode abrir *10 graus após o TDC e fechar 210 graus após o TDC. O fechamento está atrasado em 20 graus. Claro, isso ajuda na respiração em altas rotações. Porém, adiar o fechamento não é o mesmo que aumentar a duração. Em alguns casos, você pode definitivamente querer manter a válvula aberta por um longo período de tempo.
A Ferrari resolveu esse problema com um perfil de came tridimensional.
Alguns motores Ferrari não possuem lóbulos de comando uniformes. A superfície é usinada com gradiente. A outra extremidade do lóbulo tem um contorno suave e não agressivo. Na outra ponta estão perfis muito agressivos e de alto desempenho. A transição entre eles é suave.
O motor pode deslizar lateralmente toda a árvore de cames. Durante a aceleração, os atuadores hidráulicos deslocam o came de um lado para o outro. O seguidor de válvula sobe a rampa e muda de um perfil suave para um perfil agressivo. O eixo ainda gira normalmente. Mas o ponto de contato mudou. O tempo é constantemente otimizado com base na carga e na velocidade. É elegante. é complicado. É por isso que a Ferrari grita.
Futuro: Válvulas solenóides
O sistema atual é bom. No entanto, você ainda está limitado pela forma física da câmera. O que acontece se você remover a câmera completamente?
Os fabricantes estão experimentando o controle de válvula totalmente eletrônico. Imagine que cada válvula possui um solenóide. Em vez do lóbulo do came empurrar um balancim, o computador envia um sinal para o solenóide. As válvulas solenóides abrem e fecham as válvulas diretamente.
Isso permite uma variabilidade infinita. O computador pode abrir a válvula por 1 milissegundo ou 10 milissegundos. A elevação, a duração e a sobreposição podem ser ajustadas separadamente para cada cilindro e cada ciclo. Você poderia ter desempenho máximo em qualquer rpm. Não há compromisso entre suavidade ociosa e potência redline.
Muito caro. sedento de poder. é complicado.
Mas este é o fim lógico do motor de combustão interna. Até que os motores elétricos tornem a questão irrelevante.
Perguntas frequentes sobre árvore de cames
O que o sensor da árvore de cames faz?
Sensores monitoram a posição e a velocidade da árvore de cames. Esta informação é fornecida à unidade de controle do motor (ECU). A ECU usa isso para sincronizar a injeção de combustível e o ponto de ignição. Determina o tempo de ar, combustível e faísca em milissegundos.
As árvores de comando aumentam a potência?
Sim. Trocar a árvore de cames original por uma câmera de desempenho de reposição pode aumentar a potência em até 50 HP. Depende do motor. Isso depende do design do came. Depende do suporte a mods. Mas o potencial está aí.
Quais são os sinais de uma árvore de comando defeituosa?
Quando a árvore de cames falha, a luz de verificação do motor acende frequentemente. O carro dirigirá de maneira diferente. A marcha lenta difícil. A aceleração pode parecer lenta. O motor pode parar. O consumo de combustível cairá. Em casos graves, o motor pode nem dar partida.
Qual é a função da árvore de cames num motor diesel?
Esta é a mesma função de um motor a gasolina. Controla a abertura e o fechamento das válvulas. A diferença é a duração. Os motores diesel requerem uma alta taxa de compressão. Eles não se beneficiam de longas sobreposições de válvulas como os motores a gás. Portanto, a duração do came diesel é geralmente mais curta.
