Forrás : Belsőégésű Motorok Tervezése című könyv

A VEZÉRMŰTENGELY. BÜTYÖKKIALAKITÁSOK.

A belsőégésű motor szelepeit, bármilyen vezérlési rendszerű a motor, a vezérműtengelyen (bütyköstengely) kialakított bütykök mozgatják. Kivéve persze, hogyha kényszervezérelve vannak a szelepek, de ezt a szelepvezérlési megoldást manapság már nem nagyon alkalmazzák.

A vezérműbütyök kialakításával szembeni követelmények

A vezérműtengelyen kialakított bütykök teszik lehetővé a dugattyú (forgattyústengely) helyzetéhez viszonyított pontos szelepműködtetést. A bütyökkialakításokat (bütyökprofilokat) három szempont határozza meg alapvetően:

- a szelep nyitási és zárási pontja
- a megkívánt szelepemelkedési magasság
- a szelepnyitáskor és -záráskor fellépő gyorsulások.

1. A szelepek nyitása és zárása nem az ütemek kezdetén és végén, hanem a holtpontok előtt, ill. után történik. Az eltérések okai a gázdinamikai hatások. A különböző motoroknál szokásos vezérlési szögeket az 1. táblázat tartalmazza.

2. Adott vezérlési szögeknél elsősorban a legnagyobb szelepemelkedési magasságtól () függ a bütyök alapkörsugarának, ill. a vezérműtengely átmérőjének a nagysága. Túl hegyes vagy lapos bütyökformát nem lehet alkalmazni. Himbás vagy emelőkaros rendszereknél lehetőség van módosító áttétel alkalmazására, így a bütyök emelési magassága kisebb lehet, mint a szelepé.

3. A bütyök egyik legfontosabb feladata, hogy a működtető mechanizmus révén - a nyitvatartási időn belül - megfelelő sebességgel nyissa, ill. zárja a szelepet. Itt a szempontok a következők

A henger töltése szempontjából lehetőleg minél nagyobb átömlési keresztmetszeteket kell szabaddá tenni. Ennek érdekében az a cél, hogy a szelep nagy sebességgel nyíljon, hogy a rendelkezésre álló idő alatt a szelep minél magasabbra emelkedjen. Ugyanakkor a nyitási és zárási sebességnek nem szabad túl nagynak lennie, mert nagy gyorsulások, és emiatt nagy tömegerők lépnek fel, amelyek a vezérlést végző alkatrészeket terhelve, azokat károsíthaják és a vezérlőmechanizmus belengését is előidézhetik. A két, egymásnak ellentmondó szempont között kell kompromisszumot keresni, tehát olyan bütyökprofilt alkalmazni, amely nagy átáramlási "időkeresztmetszetet" hoz létre, elviselhető gyorsulások mellett. Mivel a szelepemelkedés ütemét a vezérmű-bütyökprofil és a vele kapcsolódó emelőtalp, -himba, -kar (sima, domború, görgős) együtt határozzák meg, vizsgálatuk is csak együtt lehetséges. A bütyökkialakításnak ezenkívül olyannak kell lennie, hogy a szükséges szelephézagot is biztosítsa.

Bütyökprofil-kialakítások

Az alapvető szimmetrikus bütyökformákat a 4. ábrán tüntettük fel, amelyeknél a jelölések alapkörsugár

4. ábra Vezérlőbütyök alaptípusai
a) tangenciális; b) domború oldalú, körívbütyök; c) homorú oldalú vezérlőbütyök-profilok

A felsorolt jellemzők általában összetartozó paraméterek, megváltoztatásukkal az emelés jellege is változik.

- a tangenciális bütyköt nagyobb vezérlési szögek esetén - pl. turbófeltöltéses dízelmotornál - alkalmazzák. A bütyökcsúcs körívét az alapkörrel egyenes oldal köti össze, ezért csak görgős emelővel alkalmazható. (Sima talppal végtelen nagy gyorsulások lépnének fel!) Körív alakú érintkezőfelületű lengőkarral is alkalmazható. Különösen nagy vezérlési szögeknél (szelepösszenyitás; öblítés) egyik változata, a meredek szögű tangenciális bütyök is szóba jöhet.

- a körívekből álló, ún. harmonikus bütyök-profil (b) ábra) elnevezése onnan származik, hogy sík emelőtalp alkalmazásával a foronomiai görbék egyenletei harmonikus (szinusz, koszinusz-) görbékből állnak. Általánosan alkalmazott forma. Továbbfejlesztett változatainál a bütyökoldal, R sugár helyett, több különböző sugarú közös érintőjű körívekből áll.

- a homorú oldalú körívbütyök lassú fordulatszámú, nagy vezérlési szögű, nagy vezérlési időkeresztmetszetet biztosító bütyök (c) ábra). Csak görgős emelővel használható. Manapság már nem alkalmazzák.

Az emelés mozgástörvényei

Minden - geometriai méreteivel adott - bütyökprofil esetében a vele érintkező (általa mozgatott) emelőtalp alakjának ismeretében az emelés, az emelési sebesség és gyorsulás egyenletei a bütyök elfordulási szögének függvényében meghatározhatók. Ezek a számítások olykor hosszadalmasak, ilyenkor gyorsabb az útgörbe megszerkesztése, és ebből grafikus differenciálással a sebesség- és gyorsulásgörbe meghatározása.

Az egyenletek a síktalppal érintkező harmonikus-bütyöknél a legegyszerűbbek. A 5. ábra abban a helyzetben ábrázolja a bütyköt, amikor az érintkezési pont az emelési görbe inflexiós helyzetének felel meg.

5. ábra

Jellemző a bütyökre a legnagyobb pozitív és negatív gyorsulások hányadosa, amelyet a geometriai viszonyok határoznak meg. Célszerű, hogy ez az érték megfelelő legyen, mert a túl nagy nyitógyorsulás a vezérműrészeket nagyon igénybe veszi. Ha az érték túl alacsony, akkor a negatív inerciaerőket a szeleprugó már nem tudja legyőzni és a vezérműrészek elválhatnak egymástól.

Ez szokott előfordulni akkor is amikor nem megfelelő a vezérműtegely és a szeleprugók párosítása, és nagy fordulaton a szelepek szinte csak "lebegnek". Se arra nincs idő, hogy zárni lehessen rendesen őket, se az ébredő tömegerőket nem képesek legyőzni a szeleprugók, ilyenkor, hogyha a szelepek késnek a vezérléshez képest, jobb esetben csak "szögletesre" kopik a vezérműtengely, rosszabb esetben akár össze is gubancolódhatnak a szelepek a dugattyúval, illetve az égéstér kialakításától függően akár egymással is.

Különleges bütyökprofilok

Az eddig tárgyalt bütyöktípusok közös sajátossága és egyben hátránya, hogy a nyitás pillanatában a gyorsulás dt=0 idő alatt éri el a legnagyobb gyorsulási értéket. Az inflexió helyén ugyancsak végtelen rövid idő alatt vált előjelet. Emiatt a szelep nyitásánál egy ún. nyitólökés lép fel, amely az egymással érintkező vezérműrészeket dinamikusan igénybe veszi. Záráskor pedig ütésszerűen éri el a szelep a szelepülést és az idő előtt kiverheti. Nem kisebb problémát jelent a gyorsulás előjelváltásánál fellépő hirtelen erőhatás változás a szeleprugó szempontjából.

Ezeket a kellemetlen hatásokat csökkenteni lehet a bütyökoldal átmeneti körívekkel való kiképzésével (6. ábra). Az átmeneti ívek szaporításával a bütyökemelés hirtelen gyorsulásváltozásai csökkenthetők.

6. ábra
Átmeneti íves körívbütyök a) profilkialakítása; b) mozgásdiagramjai

A dinamikai hatások radikálisan csökkenthetők az ún. lökésmentes bütyök alkalmazásával. Ennek a gyorsulásgörbéje folyamatos, nincs szakadása. A 7. ábrán ezt szaggatott vonallal jelöltük. Az ábrán látjuk az ún. előnyitás, azaz a szelephézag megszüntetésének a görbéit is.

Lényegesen eltér egymástól a hagyományos és a lökésmentes bütyökprofil tervezése.

7.ábra Különböző típusú vezérműbütyök mozgásdiagramjai	A hagyományos bütyök - amint ezt láttuk - geometriailag egyszerű, körívekből álló profil. Előnye, hogy viszonylag könnyen számítható a gyorsulása. A gyorsulás jellege azonban olyan, hogy az sztochasztikus erőhatást, kellemetlen rugó- és szeleplengéseket okozhat.
	Ezeknél a bütyköknél mindig alkalmaznak egy előnyitási szakaszt, amellyel a szelephézag megszűnésének pillanatában (bütyöktalp érintkezés) az emelési sebesség állandó (a = 0). A nyitás kezdetén a sebesség csak mérsékelten nő, hogy nyitólökés ne keletkezhessen.

Mivel emiatt kezdetben az emelési görbe is nagyon lapos, a gyakorlatban nehéz pontosan meghatározni a szelepnyitási és -zárási szögeket. Ezért pl. egyes motorgyárak nem is ezeket írják elő, hanem egy adott - könnyen ellenőrizhető - szelepemelkedéshez (rendszerint 1 mm) rendelik a nyitási és a zárási értékeket. Az emelési görbe ismeretében a bütyökprofil ugyancsak matematikai úton vagy szerkesztéssel határozható meg. A profil kontúrvonalát - az alkalmazott emelőtalp profiljától függően - az érintési pontok összege adja meg. Ennek az eljárásnak a lényegét szemléltetjük a 8. ábrán, ahol egy görgős emelőtalppal ellátott lökésmentes bütyökprofil szerkesztésének a vázlatát látjuk.

8. ábra
Bütyökprofil megszerkesztése adott emelési (h) görbéből, ahol
a bütyökprofilt meghatározó érintési pontok, r az emelőtalpgörgő sugara

Ma már gyakran alkalmazzák az aszimmetrikus profilú bütyköket is. Ezzel elérhető, hogy a szelep lassabban (kisebb gyorsulással) ül vissza a szelepfészekbe, így annak kiverődése elmarad. A használat során megkopott bütyökfelület nem javítható. A legkisebb alaki eltérés is,amely a szelepemelésben alig jelent eltérést, a szeleprugóra nézve már jelentősen megváltozott igénybevételt jelent.

A vezérmű-bütyökpárokat (szívó- és kipufogó-) a vezérműtengelyen helyezkedik el. A bütyökpárokat a 1. ábra alapján kb. 100...110°-kal elékelve képezik ki, míg a bütyökpárok a gyújtási távolságnak megfelelően helyezkednek el a hengerek gyújtási sorrendjének megfelelően. A rendszerint kovácsolt vagy öntött kivitelű tengely bütykeit hőkezelik (keményítik) és pontos méretre köszörülik. A csapágyak átmérője - szerelési okból - a bütyök méreténél nagyobb. A csapágyak számát és a tengely átmérőjét úgy kell meghatározni, hogy a tengely lehajlása a 0,05 mm-t ne lépje túl. A bütyök és az emelőtalp közötti feszültséget ellenőrizni kell.