ما هو عمود الكامات؟
كيف يعمل عمود الكامات؟
يُعد عمود الكامات من أهم أجزاء محرك الاحتراق الداخلي، إذ ينظم فتح وإغلاق صمامي السحب والعادم. يشرح هذا المقال وظيفة عمود الكامات وطريقة عمله وقطعه وتطبيقاته.
عمود الكامات هو عمود ذو سلسلة من البروزات الكامية، مصمم لتحويل الحركة الدورانية إلى حركة خطية.
في حالة المحرك، يكون عمود الكامات هو القطعة التي تنظم فتح وإغلاق صمامي السحب والعادم في محرك الاحتراق الداخلي. ولعمود الكامات أكثر من كامة واحدة: إذ يحتوي على العديد من الكامات الشعاعية التي تحرك صمام السحب أو العادم. وتنزلق هذه الكامة على صمامي السحب والعادم.
تحوّل الكامة الحركة الدورانية لعمود الكامات إلى حركة ترددية للرافع أو المتابع. ويتيح هذا المحور شفط الوقود وطرده داخل المحرك.
يعتمد عمل عمود الكامات على عمل الكامة وعمل الصمام. وتُركَّب صمامات السحب والعادم في رأس الأسطوانات، وتُركَّب الكامات فوق هذه الصمامات. ويؤوي رأس الأسطوانات الفتحة التي تسمح بشفط الوقود أو تفريغه، والتي تتطلب حركة ترددية.
بعبارة بسيطة، الكامة عنصر يحوّل الحركة الدورانية إلى حركة خطية وبالعكس. وتحقق كامة عمود الكامات الإزاحة بنمط دوراني شعاعي ومتابع يتحرك عموديًا على محور الدوران. ويختلف موضع عمود الكامات حسب تصميم المحرك.
الوظيفة الرئيسية لعمود الكامات هي فتح صمام السحب وصمام العادم في التوقيت المناسب. ويشغّل العمود المرفقي هذا المحور، المرتبط به عبر سير أو تروس متعاشقة.
تكون حركة عمود الكامات أبطأ من حركة العمود المرفقي: إذ يكمل دورة واحدة بعد دورتين للعمود المرفقي. وفي المحرك رباعي الأشواط، يعمل عمود الكامات على النحو التالي:
- عندما يتحرك المكبس من النقطة الميتة العليا إلى السفلى (للأسفل)، فإنه ينقل حركته إلى العمود المرفقي.
- يستقبل المرفق حركة المكبس، فيحولها إلى حركة دورانية ويبدأ بالدوران.
- يتصل العمود المرفقي بعمود الكامات عبر ترس أو سير.
- عندما ينقل العمود المرفقي حركته الدورانية إلى عمود الكامات، يحولها هذا الأخير إلى حركة ترددية، فيضغط على صمام السحب ويفتحه.
- عندما يُفتح الصمام، يبدأ الوقود بالدخول إلى غرفة الاحتراق.
- بعد شوطي السحب والانضغاط، يتمدد خليط الهواء والوقود المحترق في الحجرة، مما يدفع المكبس إلى الحركة للأسفل.
- أثناء حركة المكبس النازلة، يستقبل العمود المرفقي الحركة من جديد ويحرّك عمود الكامات.
- عندما تستقبل كامة صمام العادم هذه الحركة، تضغط على صمام العادم وتفتحه، مما يسمح لغازات العادم بالخروج من غرفة الاحتراق.
المادة المصمتة هي الأكثر استخدامًا في صناعة عمود الكامات، لأن هذه المحاور توفر صلابة كبيرة. ويُستخدم حديد الزهر أيضًا، لأنه يوفر مقاومة أكبر.
تتميز أعمدة الكامات المصنوعة بعملية الحديد المُبرَّد (القالب المعدني) بمقاومة ممتازة للتآكل، لأن التبريد يقسّي المادة. وتُمزج مواد مختلفة مع الحديد لتوليد الخصائص الأنسب لكل تطبيق.
تستخدم بعض الصناعات أيضًا البليت (billets) عند الحاجة إلى إنتاج أقل وجودة ممتازة. لكن هذه العملية تتطلب وقتًا وتكلفة أكبر من غيرها. وتُصنع هذه المحاور بالتشغيل الآلي أو السباكة أو الطرق على آلات التفريز والمخارط.
لعمود الكامات المكونات الرئيسية التالية:
- متابع الكامة
- الكامة
- المحور الرئيسي
- البروزات
- الأطراف
- المحمل
1. متابع الكامة
إنه نوع خاص من محامل الإبر أو البكرات يتبع بروفايل بروز الكامة. ويُسمى أيضًا المتابع المساري. وهناك تشكيلات مختلفة لمتابع الكامة، لكن أهم سمة هي تثبيت المتابع بالقطعة التي يقترن بها. أما المتابع الشِّعَبي فله فتحة في المركز، ومتابع البرغي يستخدم برغيًا.
بدون هذه القطعة، لا تكون الكامة ذات نفع كبير، لأن الكامة تستند إلى المتابع لتحويل الحركة الدورانية إلى ترددية. وتحمل المتابعات محامل تتيح لها تحويل الحركة الدورانية إلى ترددية.
لمحامل المتابع أيضًا تصاميم مختلفة، لكنها عادة ما تُصنع بحلقة خارجية سميكة جدًا. ويتيح تصميم الحلقة الخارجية السميكة للمتابع امتصاص أحمال شعاعية عالية، في حين تتحمل النوى اللينة أحمالًا مرتفعة دون خطر إتلاف المكون.
يتطلب متابع الكامة كرات أو إبرًا ومواد خاصة مثل الكروم أو الفولاذ المقاوم للصدأ، حسب متطلبات التطبيق.
2. الكامة
الكامة جهاز ينقل الحركة المطلوبة إلى المتابع عبر التلامس المباشر. والهدف الرئيسي من هذه القطعة في عمود الكامات هو تحويل الحركة الدورانية للعمود المرفقي إلى حركة خطية.
له تصميم غير دائري ببروز واحد. ويستقبل المتابع حركة الكامة أثناء دورانها. ولعمود كامات كل محرك أكثر من كامة واحدة.
تُركَّب الكامة فوق الصمامات. وهي مسؤولة عن تنظيم فتح وإغلاق صمامي السحب والعادم.
تزامن الكامة بالغ الأهمية لأداء محرك الاحتراق الداخلي. فدوران الكامة يفتح صمام السحب وصمام العادم في الأسطوانة. والتزامن الملازم ضروري لضمان حقن الوقود وطرده في التوقيت الصحيح.
3. المحور الرئيسي
الهدف الرئيسي من المحور الرئيسي هو الحفاظ على موضع عمود الكامات أثناء دورانه داخل المحرك.
4. البروزات
تدور بروزات عمود الكامات حسب حركة المكبس. وتتغير سرعة هذا المكون حسب سرعة المحرك. والهدف الرئيسي من البروزات هو فتح وإغلاق صمامي السحب والعادم.
5. الأطراف
صُمم الطرف الأمامي لعمود الكامات لربط السير بالعمود المرفقي. ويستخدم الطرف الخلفي ترسًا خاصًا لتدوير موزع المحرك. وتزامن الإشعال هو نفسه تزامن باقي مكونات المحرك.
6. المحمل
يُركَّب المحمل مع الفتحة الرئيسية للمحرك. وهو يمنع عمودَ الكامات من إتلاف كتلة المحرك عند تعطل المحرك. وتساعد المحامل على الحفاظ على دوران مثالي لعمود الكامات.
لعمود الكامات الأنواع الرئيسية التالية:
- حسب الروافع التي يستخدمها عمود الكامات
- حسب شكل العنصر المحرّك لعمود الكامات
حسب الروافع التي يستخدمها عمود الكامات
1) كامة الرافع المسطّح
كامة الرافع المسطّح ليست مسطّحة في الواقع: إذ لهذه الكامات تاج صغير على الوجه. وتُركَّب حيث يتحرك الرافع والبروز بشكل متقابل، ويدور الرافع فوق البروز. وتُصنع بروزات هذه الكامة بتصميم مخروطي خفيف.
يجب أن يدور الرافع فوق البروز لتجنب التآكل غير الضروري والضار. وبالمقارنة مع روافع البكرات، فإن الرافع المسطّح قليل الوزن وأقل كتلة. ومن السهل استنتاج أن الرافع المسطّح في مركز البروز. وهذه الكامات أرخص من كامات البكرات، لذا فهي أكثر جاذبية.
2) كامات البكرات
تتيح النقطة المستديرة لكامة البكرة للبكرة إبقاء الصمام مفتوحًا لفترات طويلة برفع كبير، مما يؤثر في متطلبات خليط الهواء والوقود. كما يتيح شكل البروز فتح الصمام بسرعة أكبر.
الميزة الرئيسية لهذه الأعمدة هي أنها تقلل الاحتكاك الداخلي، وتتيح بروفايل كامة أكثر عدوانية، وتفضل السرعات العالية. وتتمتع بمتانة عالية جدًا؛ أي عمر افتراضي غير محدود.
يمكن إعادة استخدام كامات البكرات مرارًا وتكرارًا. فهي تقلل الاحتكاك وتزيد القدرة. كما تطيل العمر الافتراضي بتقليل التآكل.
حسب شكل العنصر المحرّك لعمود الكامات
1) كامة أسطوانية
هذا النوع من الكامات أسطواني الشكل. ويُعرف أيضًا بكامة الأسطوانة. وعلى سطح الكامة الأسطوانية فتحة منحوتة ينزلق عليها المتابع.
يكون لمحور الكامة في هذا العمود موازٍ لاتجاه حركة المتابع.
2) كامة شعاعية
تُسمى الكامة الشعاعية أيضًا كامة القرص أو كامة اللوح. وتُسمى شعاعية لأن محورها عمودي على اتجاه حركة المتابع.
لهذا النوع من الكامات لوحة ذات بروفايل غير منتظم. وتُستخدم هذه اللوحة لتحويل حركة الكامة إلى حركة المتابع أو العنصر المُحرَّك.
3) كامة مترابطة
له بكرتان. ويتصل متابع أو محرّك هذا العمود بهاتين البكرتين. وتميل البكرات إلى تقييد حركات بعضها لإزالة الضوضاء وتحقيق عمل هادئ.
تُستخدم هذه الكامات في التطبيقات التي تتطلب عملًا هادئًا لعمود الكامات.
4) كامة كروية حلزونية
لهذه الكامة تصميم شبيه جدًا بالكامة الأسطوانية. والفرق الرئيسي أن الكامة الأسطوانية تُستبدل بمجموعة مقعّرة أو محدّبة.
5) كامة كروية
للكامة الكروية فتحة في تصميمها المنحني وشكلها الكروي. وينزلق المتابع على طول الفتحة. وتكون حركة المتابع عمودية على محور دوران الكامة الكروية.
6) كامة منزلقة
تحتوي هذه الكامة على لوحة ذات بروفايل مفتوح. وتتأرجح المتابعات على طول سطح فتحة الكامة.
7) كامة على شكل قلب
تُسمى الكامة على شكل قلب لأنها ذات شكل قلب غير متماثل. وينزلق المتابع على طول حافة الكامة بحركة ناعمة ومستمرة. ويُستخدم هذا النوع من الكامات عادةً لفّ السلك على بكرة الملف اللولبي بشكل منتظم.
8) كامة إسفينية
طرف هذه الكامة حاد الشكل وذو قاعدة عريضة. ويكون للمحرّك حركة انزلاقية بالنسبة إلى الكامة.
9) كامة حلزونية
إنه بروفايل نصف حلزوني نصف دائري يحتوي على فتحة في سطحه. وتكون لمتابع هذه الكامة حركة عمودية على الحركة الخطية للعنصر المحرّك لعمود الكامات.
توجد أسباب متعددة لتعطل عمود الكامات. وتُذكر فيما يلي الأسباب الأكثر شيوعًا لتعطله:
- بسبب الضغط غير الصحيح لزنبرك الصمام.
- بسبب تآكل البروزات.
- تشغيل أولي (فترة تشغيل) غير كافٍ.
- بسبب تلف الكامة.
- بسبب اللعب المحوري المفرط لعمود الكامات.
- استخدام مرشح زيت جديد مع الكامة.
- بسبب التداخل الميكانيكي، مثل تداخل الحافة، وتداخل لفات الزنبرك، وتداخل الصمام-المكبس، وفتحات ذراع التأرجح، وتداخل البراغي.
- استخدام مادة منخفضة الجودة لعمود الكامات.
يستقبل عمود الكامات قدرة التشغيل من العمود المرفقي. ويسلّم العمود المرفقي قدرته إلى عمود الكامات بوسائل مختلفة ويشغّله. وتُذكر فيما يلي آلية تشغيل عمود الكامات:
- تشغيل بالسلسلة
- تشغيل بالتروس
- تشغيل بالسير
1) آلية التشغيل بالسلسلة
في هذه الآلية، يُستخدم ترس سلسلة لنقل القدرة من العمود المرفقي إلى عمود الكامات.
إذا كانت المسافة بين العمود المرفقي وعمود الكامات كبيرة، تُستخدم آلية تشغيل بالسلسلة.
في هذه الآلية، يدور عمود الكامات والعمود المرفقي في الاتجاه نفسه. ويُستخدم مشدود سلسلة لمنع نظام السلسلة من الارتخاء، لأن السلسلة المرتخية لا تستطيع نقل قدرة كافية من العمود المرفقي إلى عمود الكامات.
2) آلية التشغيل بالتروس
تُستخدم آلية التشغيل بالتروس عند الحاجة إلى مسافة دنيا بين العمود المرفقي وعمود الكامات. وفي هذه الآلية، ينقل نظام تروس القدرة من العمود المرفقي إلى الكامة.
في حالة الآلية بالتروس، يتعاشق ترس العمود المرفقي المحرّك مع تروس عمود الكامات المُحرَّكة (كما يظهر في المخطط التالي). وعند دوران العمود المرفقي، ينقل القدرة إلى عمود الكامات عبر الترس المحرّك. وعند دوران الترس المحرّك، يُدير التروس المُحرَّكة، التي تفتح وتغلق صمامي السحب والعادم في المحرك.
3) آلية التشغيل بالسير
تستخدم آلية التشغيل بالسير سيرًا مسننًا لنقل حركة العمود المرفقي إلى عمود الكامات. وهي شائعة جدًا في المحركات الحديثة. ويقلل السير ضوضاء التشغيل ويتطلب صيانة قليلة.
يجب استبدال السير دوريًا حسب مواصفات الشركة الصانعة. وإذا انقطع، فقد يسبب أضرارًا جسيمة في صمامات المحرك ومكابسه.
يعتمد ذلك على المادة والتشحيم وظروف الاستخدام. ومع الصيانة الصحيحة، عادة ما تتجاوز أعمدة الكامات المصبوبة المُبرَّدة أو الفولاذ السبائكي مسافة 150.000‑200.000 كم. ونقص الزيت هو السبب الرئيسي للتآكل المبكر.
فقدان القدرة، وضوضاء معدنية في رأس الأسطوانات، وارتفاع استهلاك الوقود، وانبعاثات مفرطة، واخفاقات إشعال. وفي التشخيص تظهر أكواد خطأ متعلقة بتوقيت الصمامات.
إذا كانت البروزات تعاني تآكلًا أو تنقرات حادة، فلا يُنصح بإصلاحه؛ بل يجب استبداله بآخر جديد. وفي بعض الحالات يمكن تجليخه، لكن ذلك يقلل متانته.
يوفر المصبوب المُبرَّد مقاومة جيدة للتآكل للتطبيقات القياسية. أما الفولاذ السبائكي فله مقاومة ميكانيكية أعلى، وهو مثالي للمحركات عالية الأداء والأحمال المرتفعة.