EN
Základní mechanické vlastnosti určující trvanlivost rozvodového hřídele
Tvrdost a povrchová integrita za vysokého kontaktního napětí
Životnost rozvodového hřídele závisí skutečně na tvrdosti materiálu, protože musí odolávat obrovským kontaktním tlakům, které mohou přesahovat 1500 MPa. Důležitá je také správná úprava povrchu. Pokud výrobci věnují dostatek času broušení a leštění, zabrání vzniku drobných trhlin, které by jinak urychlovaly opotřebení. Většina inženýrů se shoduje na tom, že optimální tvrdost leží přibližně v rozmezí 55 až 65 HRC, neboť tato hodnota poskytuje dobrý odolnost proti opotřebení a zároveň zajišťuje dostatečnou houževnatost, aby nedošlo k náhlému lomu. Kované díly z legované oceli se v těchto podmínkách obvykle chovají výjimečně dobře a zůstávají stabilní i po stovkách milionů zdvihů ventilů. Některé dílny uvádějí, že dosahují více než 500 milionů cyklů před nutností výměny, avšak skutečné výsledky se liší v závislosti na provozních podmínkách.
Odolnost proti únavě pro trvalý provoz při vysokých otáčkách
Když motory procházejí tisíci cykly zatížení při otáčkách nad 6 000 ot/min, skutečně potřebují materiály, které dlouhodobě odolávají únavě. Součásti musí vydržet všechny ohybové síly působící od výkonných ventilových pružin, aniž by se začaly vytvářet trhliny. Velmi důležitá je také dosažení konzistentní mikrostruktury po celém objemu materiálu, zejména u ocelí tavěných ve vakuu. Tyto oceli mají obvykle méně skrytých vad uvnitř, které by se pod tlakem mohly stát kritickými místy. Klíčové číselné hodnoty pomáhají vyprávět příběh: mez únavy musí být alespoň přibližně 800 MPa a houževnatost v lomu by měla dosahovat více než 90 MPa·√m. Pokud jsou tyto vlastnosti splněny, součásti mohou spolehlivě fungovat po více než 250 000 mil jízdy.
Nejlepší materiály pro vačkové hřídele a jejich reálné kompromisy v provozu
Kulisková litina vs. legované oceli: rovnováha mezi opotřebením, pevností a náklady
Výběr správného materiálu pro vačkové hřídele vyžaduje nalezení optimální rovnováhy mezi odolností proti opotřebení, pevností v tahu a ekonomickou proveditelností. Tvárná litina, také známá jako SG litina, se vyznačuje zejména dobrou tlumivostí vibrací a lepší odolností proti únavě než mnoho jiných materiálů, a proto se běžně používá ve výrobě motorů sériového typu. Jedinečná kulovitá struktura grafitu v tomto materiálu pomáhá pohltit napětí v konkrétních bodech, čímž se snižuje opotřebení vaček za podmínek mazání olejem. Pro aplikace, kde je vyžadován ještě vyšší výkon, poskytují legované oceli, například třída 4140, výrazně vyšší mez pevnosti v tahu a povrchovou tvrdost. To umožňuje konstruktérům motorů zatížit ventily silnějšími pružinami a dosáhnout vyšších rychlostí náběhu během provozu. Tyto ocelové materiály však mají i své nevýhody: vyžadují složitější obráběcí procesy a rozsáhlé tepelné zpracování, což obvykle zvyšuje výrobní náklady o 30 až 50 % ve srovnání s litím.
Kulový litinový materiál funguje výborně až do otáček kolem 7 000 ot/min, poté začíná projevovat známky přetížení způsobené tímto rychlým rotujícím pohybem. Slitinové oceli jsou vhodnější pro lehčí součásti, které se otáčejí velmi rychle, avšak existuje zde jedna podmínka: během výroby vyžadují absolutně pečlivé tepelné zpracování, jinak mohou pod zátěží neočekávaně prasknout. Pokud je v provozu nákladních vozidel rozhodující faktorem cena, šedá litina s kulovým grafitem (SG litina) stále zůstává výhodnější při porovnání životnosti a počátečních nákladů. Proto závodní automobily a motory se systémy nuceného plnění obvykle volí dražší ocelové varianty navzdory vyšším nákladům – díky nim totiž vydrží přibližně o 15 až 20 procent vyšší zatížení než jiné materiály dostupné na trhu dnes.
Strategie tepelného zpracování pro optimalizaci mikrostruktury a životnosti vačkového hřídele
Indukční kalení a austempering: zvyšování povrchové tvrdosti při zachování houževnatosti jádra
Správné tepelné zpracování rozhoduje o všem, pokud se snažíme dosáhnout ideálního poměru mezi povrchovou tvrdostí a tažností jádra. Při indukčním kalení můžeme cíleně ohřát povrchy čepů pomocí elektromagnetických polí na teplotu kolem 900 °C. Tím vznikne extrémně odolná martenzitická vrstva s tvrdostí přesahující 50 jednotek podle Rockwellovy stupnice; navíc způsobuje výrazně menší deformace než tradiční metody používající pec. Dále následuje austemperace, která tento proces doplňuje. Zvláčňováním jádra při teplotách v rozmezí přibližně 250 až 400 °C během izotermické přeměny vznikají místo křehkého martenzitu houževnaté bainitické struktury po celém objemu materiálu.
Tato dvoufázová strategie přináší dva vzájemně propojené přínosy:
- Zakalený povrch odolává přímému kontaktnímu napětí od zdvihacích kotoulů a tlačidel
- Tažné jádro s bainitickou strukturou pohlcuje cyklické ohybové a kroutivé zatížení při provozu za vysokých otáček
Výsledné tlakové reziduální napětí snižuje šíření únavových trhlin o 30 %, jak uvádějí metalurgické pokyny ASM International z roku 2023. Řízené rychlosti kalení dále brání vzniku mikrostrukturních anomálií – například netepelně zpracované martensitu – které narušují konzistenci v celém rozsahu provozních teplot.