Krótka historia paska rozrządu

27 Lis 2013

ENGINEW historii samochodu wiele, z pozoru niezbyt spektakularnych, rozwiązań technicznych odegrało ważną rolę. Doskonałym przykładem jest pasek rozrządu – dziś element standardowy, który jednak 40 lat temu był techniczną nowinką.

 Napęd rozrządu przy użyciu paska zębatego znajdujemy dziś w tak wielu pojazdach, że można powiedzieć, iż jest to rozwiązanie całkowicie typowe. Jednak kiedyś sytuacja wyglądała zupełnie inaczej, z prostego zresztą powodu. Takiego mianowicie, że w samochodach pasek rozrządu pojawił się dopiero we wczesnych latach siedemdziesiątych, gdy wreszcie na tyle udało się go dopracować, iż można mu było powierzyć niezwykle odpowiedzialne zadanie jakim jest przekazywanie napędu z wału korbowego do wałka (wałków) rozrządu. Wcześniej rolę tę powszechnie spełniał łańcuch, rzadziej – zestawy kół zębatych, sporadycznie zaś – wałek królewski.

Krok po kroku

Pierwsze paski wytwarzano z polichloroprenu (CR). Mankamentem tego materiału była jego mała odporność na temperatury poniżej -30 0C oraz powyżej +100 0C. W paskach tych wzmocnienie przeciw rozciąganiu stanowiły włókna szklane „E” (szkło borokrzemowe niskoalkaliczne) o różnej budowie/średnicach, powlekane preparatami RFL (rezorcynowo-formaldehydowo-lateksowymi) w celu uzyskania lepszej przyczepności i zachowania niezmiennej długości dla precyzyjnej synchronizacji pracy układu rozrządu.

Poprawa parametrów pasków nastąpiła w latach osiemdziesiątych ubiegłego wieku wraz z pojawieniem się wzmocnień z włókien dodawanych do mieszanki, gdyż zwiększyło to wytrzymałość (obciążalność) zębów. Kolejny raz wzrosła ona w latach dziewięćdziesiątych dzięki zastosowaniu polimerów, które podniosły również odporność cieplną paska.

Obecnie technologia wytwarzania pasków rozrządu, m.in. dzięki specjalistom z firmy Gates, jest dużo bardziej rozwinięta. Dość powiedzieć, że paski (czy raczej całe napędy z paskiem rozrządu)) są dziś w stanie wytrzymać cały cykl życia silnika (240 tysięcy km) albo okres 15 lat.

Trwalsze i mocniejsze

SBDS drive systemPodstawowym komponentem do produkcji współczesnych pasków jest  wzmacniany specjalnymi włóknami uwodorniony kauczuk nitrylowy (HNBR), wytwarzany w oparciu o mechanizm sieciowania i chemię nadtlenków. Jako wzmocnienie stosuje się z kolei włókna szklane, znane jako włókna „U”, „K” lub „S”, które w stosunku do poprzedników cechują się o ok. 50% większą wytrzymałość na rozciąganie. Ich zadanie jednak nie uległo zmianie: mają nadal zagwarantować stałą długość paska zapobiegając jego wydłużaniu się podczas eksploatacji i tym samym zapewnić – w przypadku typowych zastosowań – właściwą synchronizację wałka rozrządu, wału korbowego, pompy wysokociśnieniowej i pompy wody. W rezultacie tych wszystkich działań nowoczesnym paskom rozrządu nie straszne są temperatury od -40 0C do +150 0C, a w krótszym czasie nawet do +1700C.

Zwiększeniu trwałości paska służy również powlekanie tkaniny pokrywające zęby i stanowiącej jego wzmocnienie specjalnymi substancjami zapewniającymi wysoką przyczepność do materiału paska i włókien kordu wzmacniającego. Ponadto nanosi się na zęby warstwę z politetrafluoroetylenu (PTFE, znany również pod nazwą teflon), zmniejszającą tarcie i zwiększającą odporność na zużycie przez powierzchnię koła pasowego.

Wymierne korzyści

Dla producentów samochodów najważniejszymi w tej chwili wyzwaniami są te dotyczące problemów wibroakustycznych(NVH) oraz zmniejszenie zużycia paliwa i obniżenia emisji dwutlenku węgla. Liczne badania, przeprowadzone m.in. przez firmę Gates, ale także niezależne firmy konsultingowe, wskazują, że z perspektywy problemów NVH wyraźnie mniej kłopotów sprawiają napędy paskowe aniżeli łańcuchowe. Dla przykładu firma FEV z Akwizgranu  poddała próbom wykorzystywany w Europie silnik benzynowy o pojemności 1,6 litra. W jednostce tej – pierwotnie zoptymalizowanej do pracy z łańcuchem rozrządu – zastosowano pasek rozrządu. Badacze po przeprowadzeniu testów obu wersji silnika stwierdzili, że hałas generowany w przypadku paska jest mniejszy w całym zakresie obrotów od biegu jałowego do 4800 obr/min. Zauważyli także, iż łańcuch staje się źródłem szczególnie intensywnych dźwięków przy prędkości wału wynoszącej 2000, 4000 i 6000 obr/min.

Glosnosc

Sprawność tegoż silnika, w wersjach z łańcuchem i paskiem, zamontowanego w pojeździe o masie 1150 kg wyposażonym w 6-stopniową skrzynię biegów obliczono na podstawie pomiarów strat powodowanych tarciem. Okazało się, że w przypadku jednostki z paskiem oszczędność paliwa wynikająca z mniejszych strat waha się od 1,13% przy jeździe z prędkością 30 km/h do 0,48% przy jeździe z prędkością 120 km/h.

Zuzycie paliwa

Podsumowując, według FEV, zastosowanie paska rozrządu daje średnią oszczędność paliwa ok. 1%, obniża emisję dwutlenku węgla  o 1,5 g/km, skutkuje ponadto zmniejszeniem drgań układu rozrządu oraz prowadzi do redukcji poziomu hałasu.

W olejowej kąpieli

EW10Najnowszym, jak do tej pory, pomysłem związanym z zastosowaniem paska zębatego, jest umieszczenie go, tak jak łańcucha, w kąpieli z oleju silnikowego. Rozwiązane takie zastosowano po raz pierwszy w roku 2008 w fordowskim silniku wysokoprężnym 1.8 z układem wtryskowym common rail, zastępując w tej jednostce łańcuch sprzęgający wał korbowy z pompą paliwa specjalnym paskiem typu „hot oil”. Zmiana ta zapoczątkowała wprowadzenie podobnych rozwiązań. Oto bowiem pasek pracujący w oleju użyty został następnie do sprzęgnięcia wału korbowego i wałka rozrządu (w 3-cylindrowym silniku Ford 1.0 Eco BOOT czy 3-cylindrowym silniku z serii EB koncernu PSA), a także do napędu pompy oleju (w silnikach wysokoprężnych VW 1.6 i 2.0 TDI z układem common rail). Obecnie wśród producentów samochodów daje się zaobserwować wzmożone zainteresowanie takim zastosowaniem pasków zębatych. Większość koncernów motoryzacyjnych jest w tej chwili albo na etapie zapoznawania się tym rozwiązaniem, albo już opracowuje nowe silniki w których pasek będzie pracował w oleju.

Gates test center ScotlandW związku z tymi zmianami producenci pasków zębatych stanęli przed dużym wyzwaniem, tj. opracowaniem pasków, które w tak trudnym środowisku będą pracować niezawodnie i nie ulegną zużyciu przez cały cykl eksploatacyjny silnika (określany na 240 tysięcy kilometrów i 15 lat), a jednocześnie będzie można je stosować na globalną skalę. W przypadku firmy Gates oznaczało to m.in. analizę próbek setek różnych olejów silnikowych, dodatków do nich stosowanych (przeciwutleniaczy, środków antykorozyjnych, detergentów, środków zmniejszających zużycie elementów podlegających dużym naciskom jednostkowym), a także substancji chemicznych takich jak kwasy powstające z produktów ubocznych spalania lub w wyniku starzenia się dodatków olejowych. Wszystkie te próbki poddano badaniom w wysokich temperaturach (do +150 0C lub w temperaturze wrzenia), by ustalić jak są agresywne. Równolegle sprawdzano i oceniano paski w celu rozpoznania i analizy ich uszkodzeń. Na koniec do urządzeń testowych firmy Gates wlano najbardziej agresywne o różnym stopniu koncentracji i sprawdzano, czy dany pasek „przetrwa” cały okres eksploatacji.

Bez wymiany

Na koniec należy zauważyć, że większość napędów paskiem zębatym spotykanych w nowoczesnych silnikach została zaprojektowana do pracy przez cały okres eksploatacji silnika. Ponadto wypada zwrócić uwagę, iż szerokość współczesnych układów i wykorzystywanych w nich pasków jest generalnie mniejsza – w niektórych przypadkach wynosi zaledwie 16 mm (dla porównania początkowo było to 25,4 mm). Wszystko to osiągnięto dzięki nieustannym staraniom mającym na celu ulepszenie technologii produkcji oraz materiałów wykorzystywanych zarówno w tradycyjnych, suchych układach napędu paska rozrządu, jak i nowszych układach paska zanurzonego w oleju.

Na podstawie materiałów firmy Gates

POWIĄZANE POSTY
2 komentarze
  1. jezeli pisze sie o histori nalezy napisac kto pierwszy zastosowal pasek rozrzadu i wprowadzil do powszechnego użycia (FIAT), widocznie korzystano z niekompletnych materialow

    1. Nikt nie napisze tego tak jak i tego ze to Fiat wraz z firma bosh stworzyl rozwijal tech .comon rail bo przeciez to fiat a nie super extra hiper vw zlom.

Zostaw Komentarz