Кіріспе

Қарқынды қозғалтқыш клапандарын іске қосу механизмі. Жалпы механикалық тұрғыдан алғанда, "десмодромикалық" сөзі әртүрлі бағытта іске қосу үшін әртүрлі басқару құралдарына ие механизмдерді білдіреді. Десмодромикалық клапан – бұл кері қозғалтқышқа арналған, әдеттегі серіппеге қарағанда, камера және рычаг жүйесімен міндетті түрде жабылатын клапан. Типикалық төрт тактілі қозғалтқыштың клапандары циклдің басында ауа-отын қоспасын цилиндрге жіберіп, циклдің соңында пайдаланылған газдарды шығарады. Дәстүрлі төрт тактілі қозғалтқышта клапандар камера арқылы ашылады және серіппемен жабылады. Десмодромикалық клапанның екі камерасы және екі іске қосу құрылғысы бар, бұл серіппесіз сенімді ашылуы мен жабылуын қамтамасыз етеді.

Этимология

Бұл сөз грек тіліндегі desmos ([[wikt:δεσμός, "байлау" немесе "тоғау") және dromos ([[wikt:δρόμος, "жол" немесе "бағыт") сөздерінен шыққан. Бұл клапандардың үнемі кемпіршік білігіне "байланысқан" болуының ерекше ерекшелігін көрсетеді.

Идея

Жалпы клапандық пружиналық жүйе жоғары жылдамдықта жұмыс істемейтін және аз күтімді қажет ететін, көптеп өндірілетін дәстүрлі қозғалтқыштар үшін жеткілікті. Десмодромалық жүйенің бастапқы даму кезеңінде клапан пружиналары металлдың шаршауынан үзілуіне байланысты қозғалтқыштың жұмысын шектеуші маңызды фактор болды. 1950 жылдары жаңа вакуумды балқыту процестері клапан пружиналарындағы металлдан қоспаларды жоюға көмектесті, осылайша олардың қызмет ету мерзімі мен тиімділігін арттырды. Дегенмен, көптеген пружиналар 8000 айналымнан жоғары тұрақты жұмыс істегенде де бұзылуға ұшырады. Десмодромалық жүйе осы мәселені пружинаның қажеттілігін толығымен жою арқылы шешу үшін жасалған. Сонымен қатар, максималды айналымдар саны артқан сайын, клапанның "жүзуіне" (valve float) жол бермеу үшін пружина күшінің артуы қажет, бұл үлкен пружиналарға (пружина массасының және демек, инерцияның артуымен), камераның (cam) созылуына (пружинаны қысу үшін энергия қажеттілігінен қозғалтқыш қуатын жоғалтуға) және барлық жылдамдықтардағы бөлшектердің тозуына әкеледі – бұл мәселелер десмодромалық механизммен шешіледі.

Әдеттегі клапан жүйелерімен салыстыру

Қазіргі заманғы қозғалтқыштарда жоғары айналымдарда клапан пружинасының бұзылуы көбінесе шешілген. Дезмодромиялық жүйенің басты артықшылығы – жоғары айналымдарда клапанның «жүзуінің» алдын алу. Дәстүрлі пружиналы клапанды басқару жүйесінде, қозғалтқыш айналымдары артқан сайын, клапанның инерциясы поршень жоғарғы өлі нүктеге (ЖӨН) жеткенге дейін пружинаның оны толығымен жабу мүмкіндігін жеңіп алады. Бұл бірнеше проблемаға әкелуі мүмкін. Біріншіден, клапан жану басталғанға дейін толығымен орнына оралмайды. Бұл жану газдарының ертерек шығуына мүмкіндік береді, нәтижесінде цилиндрдегі қысым төмендеп, қозғалтқыштың қуаты күрт төмендейді. Бұл клапанды қыздырып, оның деформациялануына және апаттық бұзылуға әкелуі мүмкін. Екіншіден, ең зияндысы – поршень клапанмен соқтығысып, екеуі де зардап шегеді. Пружиналы клапанды қозғалтқыштарда клапанның «жүзуіне» қарсы дәстүрлі шешім – пружиналарды нығайту. Бұл клапанның отыру қысымын арттырады (клапанды жабық ұстап тұратын статикалық қысым). Бұл жоғары қозғалтқыш айналымдарында жоғарыда аталған клапанның «жүзуін» азайтуға көмектеседі. Бірақ бұл барлық клапан механизмдеріне түсетін күшті арттырады, сондай-ақ үйкелісті, температураны және тозуды күшейтеді. Көктемді қысуға жұмсалған барлық энергия көктем босағанда қайта қалыптасатындықтан, бұл қуатты төмендетпейді. Дезмодромиялық жүйе пружиналы клапандардың кейбір кемшіліктерін болдырмайды, себебі ол қатаң пружиналарды қысумен байланысты жоғары жүктемелерге ұшырамайды. Дегенмен, ол клапанның инерциясын жеңуі керек, ал бұл қозғалмалы бөлшектердің массалық таралуына байланысты. Дәстүрлі клапанның пружинамен бірге тиімді массасына симметриялы пружиналар үшін пружинаның жартысы және барлық пружина ұстағышының массасы кіреді. Ал десмодромиялық жүйе әр клапан үшін екі тіреуқолдың инерциясын ескеруі керек, сондықтан бұл артықшылық конструктордың шеберлігіне байланысты. Тағы бір кемшілік – тіреуқолдар мен камералар арасындағы жанасу нүктесі. Конвенциялық клапандық жүйелерде роликті иінтіректерін пайдалану салыстырмалы түрде оңай, бірақ бұл қозғалмалы массаны айтарлықтай арттырады. Дезмодромиялық жүйеде ролик тіреуқолдың бір жағында қажет болады, бұл оның инерция сәтін күрт арттырып, «тиімді масса» артықшылығын жояды. Сондықтан DESMO жүйелері көбінесе камера мен тіреуқол арасындағы сырғу үйкелісімен күресуге мәжбүр, демек, тозу жоғары болуы мүмкін. Ducati тіреуқолдарының көпшілігіндегі жанасу нүктелері осы тозуды азайту үшін қатты хромдалған. Тағы бір кемшілік – гидравликалық клапан бос жүрісін реттеушілерді десмодромиялық жүйеге енгізудің қиындығы, сондықтан клапан бос жүрісін жиі реттеу қажет. Сонымен қатар, әр клапан үшін екі рет реттеу қажет – біреуі ашылу, екіншісі жабылу үшін. Алайда, жоғары айналымды көптеген қозғалтқыштарда дәстүрлі пружиналы клапанды жүйелерде гидравликалық бос жүріс реттеушілерді пайдалану сирек, сондықтан олар да клапан бос жүрісін мезгіл-мезгіл тексеруді және реттеуді қажет етеді.

Кемшіліктер

Клапанды қозғалтқыштың динамикасын компьютер арқылы талдау мүмкін болғанға дейін, десмодромиялық жетек қозғалтқыштың айналу жиілігі артуымен нашарлайтын мәселелерге шешім ұсынғандай көрінді. Сол кезден бері, камералардың көтерілу, жылдамдық, үдеу және серпілу қисықтары компьютерде модельделіп, камера динамикасы күткендей емес екенін көрсетті. Дұрыс талдау жасағанда, клапанды реттеу, гидравликалық иінтіректер, итергіш таяқтар, тербеліс қолдар және, ең бастысы, клапанның қалқып кетуі десмодромиялық жетексіз ескі мәселелерге айналды. Бүгінде көптеген автомобильдердегі қозғалтқыштар жоғары орналасқан камераларды пайдаланады, камерадан клапанға дейінгі ең қысқа, ең жеңіл және ең серпімсіз жолды қамтамасыз ету үшін жалпақ иінтіректі итермелейді, осылайша итергіш таяқтар мен тербеліс қолдар сияқты серпімді элементтерден аулақ болады. Компьютерлер клапандық механизмдердің үдеуін өте дәл модельдеуге мүмкіндік берді. Сандық есептеу әдістері кең қолжетімді болғанға дейін, үдеуді анықтау үшін камераның көтерілу профилін екі рет дифференциалдау қажет болды – бір рет жылдамдық үшін, екінші рет үдеу үшін. Бұл көптеген шу тудыратындықтан, екінші туынды (үдеу) пайдасыз дәлдікке ие болды. Компьютерлер лифт қисығының үшінші туындысы – серпілу қисығынан интегралдауға мүмкіндік берді, ол кез келген лифт профилін беру үшін реттелетін тік сызықтар тізбегінен тұрады. Серпілу қисығын интегралдау тегіс үдеу қисығын, ал үшінші интеграл – негізінен идеалды лифт қисығын (камера профилін) береді. Мұндай камералар, көбінесе бұрынғы «суретшілер» жасағандарына ұқсамайды, клапан шуын (қалқып кетуін) жойды және клапан механизмінің серпімділігіне назар аударды. Бүгінде көптеген камералар айна (симметриялық) профильдерге ие, клапандарды ашқанда және жапқанда бірдей оң және теріс үдеумен жұмыс істейді. Дегенмен, кейбір жоғары айналымды (қозғалтқыш айналымдары бойынша) қозғалтқыштар клапандарды жылдам ашу және оларды орындықтарына жұмсақ орналастыру үшін асимметриялық камера профильдерін қолданады, бұл тозуды азайтады. Сонымен қатар, өндіріс көліктері 1940 жылдардың соңынан бері асимметриялық камера профильдерін қолданып келеді, мысалы, 1948 жылғы Ford V8 моделінде осыған ұқсас дизайн болған. Бұл қозғалтқышта сору және шығару профильдерінің екеуі де асимметриялық болды. Асимметриялық кәмшафттардың қазіргі заманғы қолданылуына Cosworth компаниясының 2.3 литрлік «crate» қозғалтқыштары жатады, олар 280-ден астам а.к. күшіне жету үшін агрессивті профильдерді пайдаланады. Асимметриялық камера клапандарды ашуын немесе жабуын мүмкіндігінше баяулатады, жылдамдық иілген камера мен жалпақ иінтіректің арасындағы Герцтік контакттық кернеуімен шектеледі, осылайша клапан, иінтірек және серіппе сияқты қозғалмалы бөліктердің біріктірілген массасының бақыланатын үдеуін қамтамасыз етеді. Десмодромиялық жетекпен салыстырғанда, әр клапанға екі камера қолданылады, олардың әрқайсысы жеке тербеліс қолмен (иінтіректі иінтіректермен) жабдықталған. Клапанның максималды үдеуі камера мен иінтірек арасындағы сыртқы қабықшаның кернеуімен шектеледі, сондықтан қозғалатын масса мен камераның контактілік аймағы реттеледі. Ең жоғары қаттылық пен ең төменгі контактілік кернеуді стандартты жалпақ иінтіректер мен серіппелермен қамтамасыз етуге болады, олардың көтерілу және жабылу кернеуі серіппе күшіне тәуелді емес; екеуі де серіппе жүктемесі ең аз және контактілік радиус ең үлкен болатын базалық шеңберде пайда болады. Десмодромиялық камералардың иілген (жетек) иінтіректердің сол көтерілу профилі үшін жалпақ иінтіректерге қарағанда жоғары контактілік кернеуін тудырады, осылайша көтерілу және жабылу жылдамдығын шектейді. Стандартты камералармен кернеу нөлдік жылдамдықта бұрылу кезінде (қозғалтқышты іске қосу) толық көтерілгенде ең жоғары болады және клапанның инерциялық күші серіппе қысымына қарсы күшейе отырып, жылдамдықпен төмендейді, ал десмодромиялық камера нөлдік жылдамдықта (серіппелердің болмауында) жүктемесіз болады, оның жүктемесі толығымен инерциялық, сондықтан жылдамдықпен артады. Оның ең үлкен инерциялық кернеуі ең кіші радиусына түседі. Екі әдістің де үдеу күштері кинетикалық энергиядан туындайтын жылдамдықтың квадратымен пропорционалды. Клапанның қалқып кетуі талданды және оның себебі көбінесе серіппелердегі резонанс екені анықталды, бұл орамдар арасында серпінді қысым толқындарын тудырды, мысалы, Slinky сияқты. Жоғары жылдамдықты фотосуреттер көрсеткендей, белгілі бір резонанстық жылдамдықтарда клапан серіппелері бір немесе екі ұшында контактіні жойды, клапан жабылу кезінде камераға соқтығысқанша қалқып кетті. Осы себепті бүгінде кейде үш концентрлі клапан серіппесі бірінің ішіне енгізіледі; олардың күші жоғары болмаса да (ішкілерінің маңызды серпімділік константасы болмаса), сыртқы серіппедегі тербелістерді азайту үшін демпфер ретінде қызмет етеді. Тербелісті серіппе массасын шешудің ерте мысалы – Norton Manx қозғалтқыштарында қолданылған «тышқан тұзағы» немесе «шашқырық» серіппесі болды. Олар резонанстан сақтады, бірақ цилиндр басшаларының ішіне орналастыру қиын болды. Резонансқа ұшырамайтын клапан серіппелері прогрессивті болып келеді, олар өз пішініне байланысты «ұялы серіппелер» деп аталатын өзгергіш биіктікте немесе өзгергіш диаметрде оралған. Бұл серіппелердегі белсенді орамдар саны соққы кезінде өзгереді, серіппе қысылғанда немесе ұялы серіппедегідей, жоғарғы диаметрі кішкентай орамдар қатаңдайды, орамдар тығыз оралған соң белсенді емес болады. Екі механизм де серіппе күші мен оның қозғалмалы массасы соққымен өзгеретіндіктен резонансты азайтады. Серіппе дизайнындағы осы жетістік клапанның қалқып кетуін жойды, десмодромиялық клапан жетегіне бастапқы түрткі болды.

Мысалдар

Белгілі мысалдарға сәтті Mercedes Benz W196 және Mercedes Benz 300 SLR жарыс машиналары, сондай-ақ ең көп таралған заманауи Ducati мотоциклдері жатады. Десмодромалық клапандары бар Ducati мотоциклдері көптеген жарыстар мен чемпионаттарда жеңіске жетті, оның ішінде 1990 жылдан 1992 жылға дейін, 1994–96 жылдарда, 1998–99, 2001, 2003–04, 2006, 2008 және 2011 жылдардағы Супербайк әлем чемпионаттарында. Ducati-дің Гран-при мотоцикл жарыстарына қайта оралуы GP3 (Desmosedici) мотоциклындағы 990 см³ десмодромикалық V4 қозғалтқышымен қамтамасыз етілді, ол бірнеше жеңіске жетті, соның ішінде 2006 жылы Испанияның Валенсия қаласында өткен 990 см³ MotoGP жарысында бірінші және екінші орындарды иеленді. 2007 жылы 800 см³ дәуірінің басталуымен олар әлі де спорттағы ең қуатты қозғалтқыштар болып саналады және Кейси Стонерді 2007 жылғы MotoGP Чемпионатына, ал Ducati-ді GP7 (Desmosedici) мотоциклімен конструкторлар чемпионатына жеткізді.