Válvula dessmodrômica - Desmodromic valve

Em termos mecânicos gerais, a palavra desmodrômico é usada para se referir a mecanismos que possuem diferentes controles para sua atuação em diferentes direções.
Válvula de gatilho desmodrômica no motor Ducati.

Uma válvula desmodrômica é uma válvula de poppet de motor alternativo que é fechada positivamente por um sistema de came e alavanca, em vez de por uma mola mais convencional.

As válvulas em um motor de quatro tempos típico permitem que a mistura ar / combustível para o cilindro no início do ciclo e os gases de escapamento sejam expelidos no final do ciclo. Em um motor convencional de quatro tempos, as válvulas são abertas por um came e fechadas por uma mola de retorno. Um motor com válvulas desmodrômicas tem dois cames e dois atuadores, cada um para abertura e fechamento positivos sem uma mola de retorno.

Etimologia

A palavra vem das palavras gregas desmos ( δεσμός , traduzido como "vínculo" ou "nó") e dromos ( δρόμος , "trilha" ou "caminho"). Isso denota a principal característica das válvulas sendo continuamente "ligadas" ao eixo de comando.

Ideia

O sistema de mola de válvula comum é satisfatório para motores tradicionais produzidos em massa que não giram muito e têm um design que requer pouca manutenção. No período de desenvolvimento desmodrômico inicial, as molas das válvulas eram uma das principais limitações no desempenho do motor, pois se rompiam com a fadiga do metal. Na década de 1950, novos processos de fusão a vácuo ajudaram a remover impurezas do metal nas molas das válvulas, aumentando muito sua vida útil e eficiência. No entanto, muitas molas ainda falham em operação sustentada acima de 8.000 RPM. O sistema desmodrômico foi concebido para remediar esse problema, eliminando completamente a necessidade de uma mola. Além disso, conforme o RPM máximo aumenta, a força da mola mais alta é necessária para evitar a flutuação da válvula , levando ao aumento da massa da mola (ou seja, inércia) e arrasto do came e maior desgaste das peças em todas as velocidades, problemas resolvidos pelo mecanismo desmodrômico.

Design e história

Exemplo de válvula de gatilho desmodrômica.

O movimento da válvula totalmente controlado foi concebido durante os primeiros dias do desenvolvimento do motor, mas desenvolver um sistema que funcionasse de forma confiável e não fosse excessivamente complexo levou muito tempo. Os sistemas de válvula desmodrômica são mencionados pela primeira vez em patentes em 1896 por Gustav Mees. O motor marítimo de Austin de 1910 produzia 300 bhp e foi instalado em uma lancha chamada "Irene I"; seu motor todo em alumínio com duas válvulas no cabeçote tinha dois magnetos, dois carburadores e válvulas desmodrômicas. O Grand Prix Delage e Nagant de 1914 (veja Pomeroy "Grand Prix Car") usaram um sistema de válvula desmodrômica (bem diferente do sistema atual da Ducati ).

Azzariti, um fabricante italiano de curta duração de 1933 a 1934, produziu motores de dois cilindros de 173 cc e 348 cc, alguns dos quais tinham válvula de engrenagem desmodrômica, com a válvula sendo fechada por um eixo de comando separado.

O carro de corrida Mercedes-Benz W196 de Fórmula Um de 1954–1955 e o carro de corrida esportivo Mercedes-Benz 300SLR de 1955 tinham válvula desmodrômica.

Em 1956, Fabio Taglioni , um engenheiro da Ducati, desenvolveu um sistema de válvula desmodrômica para o Grande Prêmio da Ducati 125, criando a Ducati 125 Desmo.

Ele foi citado para dizer:

O objetivo específico do sistema desmodrômico é forçar as válvulas a cumprir o diagrama de temporização da forma mais consistente possível. Desta forma, qualquer perda de energia é desprezível, as curvas de desempenho são mais uniformes e a confiabilidade é melhor.

Os engenheiros que vieram depois dele continuaram esse desenvolvimento, e a Ducati detinha uma série de patentes relacionadas à desmodrômica. A atuação da válvula desmodrômica tem sido aplicada às motocicletas Ducati de produção topo de linha desde 1968, com a introdução do "caixa larga" Mark 3 de cilindros simples.

Em 1959, os irmãos Maserati apresentaram um de seus designs finais: um motor desmodrômico de quatro cilindros de 2.000 cc para seu último OSCA Barchetta.

Comparação com Valvetrains convencionais

Em motores modernos, a falha da mola da válvula em alta RPM foi corrigida em grande parte. O principal benefício do sistema desmodrômico é a prevenção da flutuação da válvula em altas rpm.

Na atuação da válvula de mola tradicional, conforme a velocidade do motor aumenta, a inércia da válvula acabará por superar a capacidade da mola de fechá-la completamente antes que o pistão alcance o ponto morto superior (TDC). Isso pode levar a vários problemas. Primeiro, e mais prejudicial, o pistão colide com a válvula e ambos são destruídos. Em segundo lugar, a válvula não retorna completamente à sua sede antes do início da combustão. Isso permite que os gases de combustão escapem prematuramente, levando a uma redução na pressão do cilindro, o que causa uma grande diminuição no desempenho do motor. Isso também pode superaquecer a válvula, possivelmente deformando-a e levando a uma falha catastrófica. Em motores com válvula de mola, o remédio tradicional para a flutuação da válvula é enrijecer as molas. Isso aumenta a pressão da sede da válvula (a pressão estática que mantém a válvula fechada). Isso é benéfico em rotações mais altas do motor devido à redução da flutuação da válvula mencionada anteriormente. A desvantagem é que o motor precisa trabalhar mais para abrir a válvula em todas as velocidades do motor. A pressão da mola mais alta causa maior atrito (portanto, temperatura e desgaste) no tubo de válvula.

O sistema desmodrômico evita esse problema, pois não precisa vencer a força da mola. Deve ainda superar a inércia de abertura e fechamento da válvula, e isso depende da massa efetiva das partes móveis. A massa efetiva de uma válvula tradicional com mola inclui metade da massa da mola da válvula e toda a massa do retentor da mola da válvula. No entanto, um sistema desmodrômico deve lidar com a inércia dos dois balancins por válvula, portanto, essa vantagem depende muito da habilidade do projetista. Outra desvantagem é o ponto de contato entre os cames e os balancins. É relativamente fácil usar tuchos de rolo em valvetrains convencionais, embora acrescente uma massa móvel considerável. Em um sistema desmodrômico, o rolo seria necessário em uma extremidade do balancim, o que aumentaria muito seu momento de inércia e negaria sua vantagem de "massa efetiva". Assim, os sistemas desmo geralmente precisam lidar com o atrito deslizante entre o came e o balancim e, portanto, podem ter um desgaste maior. Os pontos de contato na maioria dos balancins da Ducati são cromados para reduzir esse desgaste. Outra possível desvantagem é que seria muito difícil incorporar ajustadores de folga de válvula hidráulica em um sistema desmodrômico, então as válvulas devem ser ajustadas periodicamente, mas isso é verdadeiro para motocicletas orientadas para desempenho típico, uma vez que a folga de válvula é normalmente ajustada usando um calço sob um came seguidor.

Desvantagens

Antes dos dias em que a dinâmica de acionamento das válvulas podia ser analisada por computador, o acionamento desmodrômico parecia oferecer soluções para problemas que pioravam com o aumento da rotação do motor. Desde aqueles dias, as curvas de elevação, velocidade, aceleração e solavanco dos cames foram modeladas por computador para revelar que a dinâmica dos cames não é o que parecia. Com uma análise adequada, problemas relacionados ao ajuste da válvula, tuchos hidráulicos , bielas, balancins e, acima de tudo, flutuador da válvula , tornaram-se coisas do passado sem acionamento desmodrômico.

Hoje, a maioria dos motores automotivos usa cames aéreos , acionando um taco plano para atingir o caminho mais curto, leve e inelástico do came à válvula, evitando assim elementos elásticos como haste e balancim . Os computadores permitiram a modelagem de aceleração bastante precisa de sistemas de trem de válvulas.

Antes que os métodos de computação numérica estivessem prontamente disponíveis, a aceleração só era alcançável diferenciando os perfis de elevação do came duas vezes, uma para velocidade e novamente para aceleração. Isso gera tanto hash (ruído) que a segunda derivada (aceleração) era inutilmente imprecisa. Os computadores permitiram a integração da curva jerk, a terceira derivada da sustentação, que é convenientemente uma série de linhas retas contíguas cujos vértices podem ser ajustados para fornecer qualquer perfil de sustentação desejado.

A integração da curva jerk produz uma curva de aceleração suave, enquanto a terceira integral fornece uma curva de elevação essencialmente ideal (perfil de came). Com tais cames, que em sua maioria não se parecem com os que os "artistas" projetaram anteriormente, o ruído da válvula (decolagem) foi embora e a elasticidade do trem da válvula passou a ser examinada.

Hoje, a maioria dos cames tem perfis de imagem espelhada (simétricos) com aceleração positiva e negativa idêntica ao abrir e fechar válvulas. No entanto, alguns motores de alta velocidade (em termos de RPM do motor) agora empregam perfis de came assimétricos para abrir as válvulas rapidamente e colocá-las de volta em seus assentos com mais cuidado para reduzir o desgaste. Da mesma forma, os veículos de produção empregaram perfis de came assimétricos desde o final dos anos 1940, como visto no Ford V8 de 1948. Neste motor, os perfis de admissão e exaustão tinham um design assimétrico. As aplicações mais modernas de eixos de comando assimétricos incluem os motores de caixa de 2,3 litros da Cosworth, que usam perfis agressivos para alcançar mais de 280 cavalos de potência de frenagem. Um came assimétrico abre ou fecha as válvulas mais lentamente do que poderia, com a velocidade sendo limitada pela tensão de contato hertziana entre o came curvo e o taco plano, garantindo assim uma aceleração mais controlada da massa combinada do componente alternativo (especificamente a válvula, taco e mola).

Em contraste, o acionamento desmodrômico usa dois cames por válvula, cada um com balancim separado (tuchos de alavanca). A aceleração máxima da válvula é limitada pela tensão de escoriação do came para o taco e, portanto, é governada pela massa em movimento e pela área de contato do came. A rigidez máxima e a tensão de contato mínima são melhor alcançadas com tuchos planos convencionais e molas cuja tensão de levantamento e fechamento não é afetada pela força da mola; ambos ocorrem no círculo base, onde a carga da mola é mínima e o raio de contato é maior. Os tuchos curvos (de alavanca) de cames desmodrômicos causam maior tensão de contato do que os tuchos planos para o mesmo perfil de levantamento, limitando assim a taxa de levantamento e fechamento.

Com cames convencionais, o estresse é mais alto em levantamento total, ao girar em velocidade zero (iniciação da manivela do motor), e diminui com o aumento da velocidade conforme a força inercial da válvula contraria a pressão da mola, enquanto um came desmodrômico essencialmente não tem carga em velocidade zero ( na ausência de molas), sua carga sendo totalmente inercial e, portanto, aumentando com a velocidade. Seu maior estresse inercial está em seu menor raio. As forças de aceleração para qualquer um dos métodos aumentam com o quadrado da velocidade resultante da energia cinética .

A flutuação da válvula foi analisada e descobriu-se ser causada em grande parte pela ressonância nas molas da válvula que gerou ondas de compressão oscilantes entre as bobinas, muito parecido com um Slinky . A fotografia de alta velocidade mostrou que em velocidades ressonantes específicas, as molas da válvula não estavam mais fazendo contato em uma ou ambas as extremidades, deixando a válvula flutuando antes de colidir com o came no fechamento.

Por esse motivo, hoje até três molas de válvulas concêntricas às vezes são aninhadas uma dentro da outra; não para mais força (as internas não têm uma constante de mola significativa), mas para atuar como amortecedores para reduzir as oscilações na mola externa.

Uma solução inicial para a massa oscilante da mola era a ratoeira ou mola em gancho usada nos motores Norton Manx . Eles evitavam a ressonância, mas eram difíceis de localizar dentro das cabeças dos cilindros.

As molas das válvulas que não ressoam são progressivas , enroladas com passo ou diâmetro variáveis, chamadas de molas da colmeia devido ao seu formato. O número de bobinas ativas nessas molas varia durante o curso, as bobinas mais estreitamente enroladas ficam na extremidade estática, tornando-se inativas quando a mola se comprime ou como na mola da colmeia, onde as bobinas de pequeno diâmetro no topo são mais rígidas. Ambos os mecanismos reduzem a ressonância porque a força da mola e sua massa móvel variam com o curso. Esse avanço no design da mola removeu a flutuação da válvula , o ímpeto inicial para o acionamento da válvula desmodrômica.

Exemplos

Exemplos famosos incluem os carros de corrida Mercedes-Benz W196 e Mercedes-Benz 300 SLR e, mais comumente, as modernas motocicletas Ducati .

As motocicletas Ducati com válvulas desmodrômicas ganharam inúmeras corridas e campeonatos, incluindo Campeonatos Mundiais de Superbike de 1990 a 1992, 1994-96, 1998-99, 2001, 2003-04, 2006, 2008 e 2011. O retorno da Ducati ao Grande Prêmio de motociclismo foi equipado com um motor desmodrômico V4 de 990 cc na GP3 ( Desmosedici ), que conquistou várias vitórias, incluindo uma dobradinha na última corrida de MotoGP de 990 cc em Valência, Espanha, em 2006. Com o início do Na era dos 800 cc em 2007, eles ainda são considerados os motores mais potentes do esporte e levaram Casey Stoner ao Campeonato de MotoGP de 2007 e à Ducati ao campeonato de construtores com a moto GP7 ( Desmosedici ).

Veja também

Fontes

links externos