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A 3.000 rpm, um motor de quatro tempos completa 1.500 ciclos de combustão por cilindro a cada minuto. Cada válvula de admissão e escape deve abrir e fechar em um ângulo de manivela precisamente definido, milhares de vezes por minuto, sem oscilar nem mesmo por uma fração de grau. O componente responsável por essa disciplina é a árvore de cames. Ele não simplesmente abre as válvulas; decide quando eles abrem, até que ponto abrem e por quanto tempo permanecem abertos. Essas três decisões definem a faixa de potência do motor, economia de combustível, emissões e qualidade de marcha lenta. Este artigo explica como uma árvore de cames controla o sincronismo das válvulas do motor, o que os principais parâmetros de sincronismo significam na prática e por que a precisão de fabricação é inseparável da precisão do sincronismo.
A árvore de cames controla o sincronismo das válvulas convertendo a sua própria rotação em movimento de válvula programado com precisão, e a cambota estabelece esse calendário através de uma relação de transmissão fixa de 2:1.
Num motor convencional de quatro tempos, o virabrequim gira duas vezes para cada ciclo completo: admissão, compressão, potência, escape. A árvore de cames gira uma vez no mesmo período. Uma corrente de distribuição, correia ou trem de engrenagens trava os dois eixos juntos, de modo que a posição do eixo de comando é sempre uma função conhecida da posição do virabrequim. Se a relação mudar, ou se o estiramento da corrente alterar a relação, as válvulas abrem e fecham nas posições erradas do pistão, causando perda de potência ou até mesmo contato pistão-válvula.
Cada válvula é operada por um lóbulo dedicado na árvore de cames. À medida que a árvore de cames gira, o perfil do lóbulo – círculo de base, flanco de abertura, nariz e flanco de fechamento – empurra um elevador ou tucho, que transfere o movimento através de uma caçamba de ação direta ou de um balancim. A mola da válvula retorna a válvula à sua sede conforme o lóbulo a libera. A forma do lóbulo, e não a velocidade de rotação, estabelece a assinatura do tempo.
Três parâmetros de lóbulo são mais importantes: sustentação, duração e faseamento. Eles se espalham por todos os aspectos do comportamento do motor, desde a suavidade da marcha lenta até a potência máxima.
A elevação é a distância máxima que a válvula se move fora de sua sede, medida em milímetros ou milésimos de polegada. Uma maior elevação permite que mais ar entre no cilindro, mas também aumenta a tensão no trem de válvulas e requer molas de válvula mais rígidas para evitar a flutuação da válvula em altas velocidades do motor.
A duração é o número de graus do virabrequim durante os quais a válvula permanece fora de sua sede. Uma duração mais longa dá ao cilindro mais tempo para encher ou esvaziar, o que suporta potência em altas rotações, mas geralmente desloca a faixa de potência para cima e enfraquece o torque em baixa velocidade. Uma câmera stock com curta duração fica inativa suavemente; uma câmera de corrida com longa duração fica ociosa porque os eventos de admissão e exaustão se misturam.
O ângulo de separação do lóbulo (LSA) é o ângulo entre as linhas centrais dos lóbulos de admissão e escape do mesmo cilindro. Um LSA mais apertado aumenta a sobreposição da válvula – o período próximo ao ponto morto superior quando ambas as válvulas estão parcialmente abertas. A sobreposição auxilia na eliminação do escapamento em altas rotações do motor, mas degrada a estabilidade em marcha lenta e a eficiência em baixas rotações. Os pontos de sincronização normalmente são avaliados em uma elevação de válvula específica, geralmente 0,05 polegadas (1,27 mm), portanto, cames de diferentes fornecedores podem ser comparados em bases iguais.
| Parâmetro | O que define | Efeito prático |
|---|---|---|
| Elevador | Distância máxima de abertura da válvula | Maior elevação aumenta o fluxo de ar, mas aumenta a tensão no trem de válvulas |
| Duração | A manivela gradua a válvula permanece aberta | Maior duração estende a faixa de potência de alta rotação |
| Ângulo de separação do lóbulo | Ângulo entre os centros dos lóbulos de admissão e escape | LSA mais rígido aumenta a sobreposição e a resposta de ponta |
| Sobreposição | Período em que ambas as válvulas estão parcialmente abertas | Mais sobreposição ajuda na eliminação, mas enfraquece a qualidade ociosa |
| Faseamento do came (VVT) | Mudança de tempo do came em relação à manivela | Adapta o tempo à velocidade e carga do motor |
As válvulas de admissão não abrem exatamente no ponto morto superior e as válvulas de escape não fecham exatamente no ponto morto inferior. As árvores de cames de produção são deliberadamente avançadas ou retardadas em relação à posição do pistão, a fim de explorar a inércia do fluxo de gás.
As válvulas de admissão normalmente abrem 10 a 30 graus antes do ponto morto superior e fecham 40 a 70 graus após o ponto morto inferior. O fechamento tardio da admissão utiliza o impulso do ar que entra para continuar enchendo o cilindro depois que o pistão começa a subir. As válvulas de escape abrem 40 a 70 graus antes do ponto morto inferior e fecham 10 a 30 graus após o ponto morto superior. A abertura antecipada do escapamento exige um pouco de trabalho de expansão por mais tempo para evacuar os gases de combustão antes do início do próximo curso de admissão.
Como resultado, os eventos de admissão e exaustão se sobrepõem perto do ponto morto superior. Um motor leve de carro de passageiros pode suportar apenas 20 a 40 graus de sobreposição, enquanto um motor de desempenho com uma ampla faixa de potência pode usar 60 graus ou mais. O perfil do lóbulo e o faseamento instalado juntos definem esses números. É por isso que o sincronismo das válvulas pode ser ajustado trocando a árvore de cames ou girando uma árvore de cames VVT em relação à cambota, sem tocar na cabeça do cilindro.
O sincronismo da válvula é tão preciso quanto a árvore de cames e o sistema de acionamento que a posiciona. Um lóbulo desgastado reduz a sustentação e retarda a rampa de abertura, cortando o fluxo de ar e mudando a faixa de potência. Uma corrente de distribuição esticada retarda o eixo de comando em relação ao virabrequim, atrasando os eventos das válvulas e aumentando a sobreposição na parte errada do ciclo. Os sintomas são marcha lenta brusca, torque fraco em baixas rotações, maior consumo de combustível e, na pior das hipóteses, contato pistão-válvula se o tempo saltar longe o suficiente.
O runout é uma fonte menos óbvia de erro de temporização. Se a árvore de comando estiver dobrada ou seus mancais estiverem retificados fora do centro, o sincronismo efetivo de cada lóbulo muda à medida que o eixo gira. As especificações de produção normalmente mantêm o desvio do munhão abaixo de 0,02 mm (0,0008 pol.), porque mesmo pequenos erros produzem movimento instável da válvula e desgaste desigual do lóbulo.
As árvores de cames das motocicletas enfrentam o mesmo problema com taxas de repetição mais altas. Como os eventos das válvulas entre 8.000 e 12.000 rpm acontecem aproximadamente duas vezes mais rápido que na maioria dos motores de automóveis, um pequeno lóbulo ou erro de desvio torna-se uma falha de ignição óbvia na velocidade média. Um Árvore de cames de motocicleta Yamaha fornecido com simetria precisa dos lóbulos e acabamento superficial controlado mantém esses eventos estáveis em toda a faixa de rotação.
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O VVT muda onde um perfil de lóbulo é aplicado em relação ao pistão; isso não elimina a necessidade de geometria precisa do lóbulo. A precisão básica da árvore de cames define o funcionamento limpo do motor. Se os perfis dos lóbulos, o espaçamento lóbulo a lóbulo e o desvio do munhão não forem mantidos dentro da tolerância, avançar e retardar o eixo de comando apenas moverá um padrão impreciso.
Os motores europeus com VVT banco a banco são um bom exemplo: a árvore de cames também deve corresponder à roda de gatilho e às características do sensor que o módulo de controle do motor lê. Um Árvore de cames VW que perder esses detalhes definirá códigos de falha mesmo quando o perfil do lóbulo estiver correto.
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A KORBOR fabrica árvores de comando como sua única linha de produtos há mais de 25 anos, cobrindo mais de 800 modelos de árvores de comando de automóveis e 600 modelos de árvores de comando de motocicleta em uma instalação que vai desde a fundição em bruto até a peça retificada acabada. A empresa opera um sistema de qualidade IATF16949:2016 com uma filosofia de produção com zero defeitos, combinando a seleção de ligas com revenimento, cementação e têmpera para manter a dureza e a resistência ao desgaste sem perder a estabilidade dimensional. Para fabricantes de motores e distribuidores de peças, esses detalhes são importantes porque um eixo de comando que atenda às suas tolerâncias de impressão é o que garante o evento de sincronização projetado na válvula.
A Substituição da árvore de cames do carro Toyota , por exemplo, deve reproduzir o perfil original do lóbulo e a geometria do munhão dentro dos mesmos limites para que a corrente de distribuição de fábrica e o atuador VVT operem nos ângulos de manivela pretendidos. O mesmo princípio se aplica a todas as famílias de motores: quanto mais consistente a usinagem e o tratamento térmico, mais o motor se comporta da maneira que as especificações de tempo dizem que deveria.
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Um perfil de lóbulo que parece agressivo no papel, mas é retificado com rampas de abertura desleixadas, não produzirá os eventos de temporização pretendidos na válvula. Fornecedores com longa experiência somente em eixos de comando e um sistema de qualidade documentado estão melhor posicionados para manter essas tolerâncias lote após lote. KORBOR 25 anos de fabricação somente de árvores de comando e seu Sistema de qualidade certificado IATF16949 são a garantia prática por trás de cada perfil de lóbulo que produz. Os leitores que desejam uma visão mais ampla de como o eixo de comando se encaixa no trem de válvulas maior podem continuar com este artigo. guia do sistema de sincronização da árvore de cames automotiva .
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