Wat is een tuimelaar in de verbrandingsmotortechniek?

Als men het in de verbrandingsmotortechniek heeft over een tuimelaar dan doelt men op een hefboom die geplaatst is tussen de nokkenas en de kleppen. Een tuimelaar is ontwikkeld toen men de kleppen aan de bovenkant van de verbrandingsmotor ging plaatsen en de nokkenas aan de onderkant van de motor. Onderliggende nokkenassen kunnen de kleppen aan de bovenkant niet rechtstreeks bedienen. Daarom werden tuimelaars ontwikkeld. De tuimelaars worden bediend door stoterstangen.

Hoe werkt een tuimelaar?
Een tuimelaar zet de draaiende beweging van de nok van de nokkenas om in een open en dichtgaande beweging van de klep. Hierbij maakt men gebruik van een hefboomeffect. Door dit hefboomeffect kan een grote kracht worden uitgeoefend op de klep. Zoals aangegeven bestaat de tuimelaar uit een bewegend deel dat werkt op basis van een hefboomeffect. De ene kant van de tuimelaar wordt in beweging gebracht door de stoterstang. De stoterstang komt in beweging door het draaien van de nokkenas.

Tussen de nokkenas en de stoterstang is bus geplaatst die meebeweegt als de nokkenas er tegenaan komt. De stoterstang duwt de ene kant van de tuimelaar omhoog waardoor de ander zijde van de tuimelaar naar beneden gaat. Aan die kant drukt de tuimelaar de klepsteel aan zodat de klep dicht gaat. Aan de onderzijde van de klepsteel bevindt zich de klep voor het in- en uitlaten van de brandstof van motor. Rondom de klepsteel bevind zich de klepveer die er voor zorgt dat de klep gesloten wordt wanneer de stoterstang naar beneden gaat en de tuimelaar wordt ontspannen. De klep wordt dus door de veer automatisch gesloten.

Waar treft men tuimelaars aan?
Tuimelaars worden voornamelijk geplaatst in motoren met een onderliggende nokkenas. Men plaatst echter ook wel tuimelaars in motoren met bovenliggende nokkenassen. Door de toepassing van tuimelaars kan men het aantal nokkenassen in een motor beperken. Ook kunnen de kosten worden beperkt door het gebruik van tuimelaars. Het gebruik van tuimelaars zorgt er voor dat men de kleppen zelf kan stellen. Dit is bij een directe aandrijving van de kleppen door de nokkenas minder goed mogelijk. Hierbij maakt men dan namelijk gebruik van een hydraulische klepstoter die zichzelf stelt.

Zwevende kleppen
Er kan ook sprake zijn van zogenaamde zwevende kleppen. In dit geval is het motortoerental hoger dan de trilfrequentie van de klepveer van de motor. Daardoor het mechanisme niet meer in staat is om het tempo bij te houden. Men kan dan beter sterkere klepveren gebruiken of dubbele klepveren zodat de klep met meer kracht dochtgedrukt wordt. Hierdoor kan de kans op zwevende kleppen worden verkleind.

Voordelen van de toepassing van tuimelaars
De toepassing van tuimelaars in de verbrandingsmotortechniek zorgt er voor dat men zelf de kleppen afstellen als men daarvoor de kennis in huis heeft. Men kan de klepspeling beïnvloeden door een met moeren geborgde stelbout aan te draaien.

Een lijnmotor wordt door de toepassing van een tuimelaar compacter. Daarnaast zorgt de toepassing van tuimelaars er voor dat er motorconstructies mogelijk zijn waarbij men de cilinders van de motor niet in één lijn heeft aangebracht. Hierbij kan men denken aan V-motoren zoals de V-8 en de V-12.

Wat is een nokkenas?

Een nokkenas is een as met een speciale vormgeving. De as bestaat uit een buis met verschillende massieve eivormige of peervormige excentrieken. Deze excentrieken zijn stevig aan de as bevestigd en draaien daardoor met de as mee. Tijdens dit draaien kunnen de  excentrieken de draaiende beweging van de as in een op en neer gaande beweging omzetten. Een nokkenas wordt in de motorvoertuigentechniek gebruikt om de kleppen van verbrandingsmotoren te bedienen. Men kan hierbij gebruik maken van een bovenliggende nokkenas en een onderliggende nokkenas.

  • Bovenliggende nokkenas. Als men gebruik maakt van een bovenliggende nokkenas wordt deze boven in de cilinderkop aangebracht. Als men de nokkenas boven de cilinderkoppen heeft aangebracht worden de kleppen aangedreven door klepstoters. Dit wordt hydraulisch gedaan of doormiddel van tuimelaars.
  • Onderliggende nokkenas. Een onderliggende nokkenas wordt onderin het motorblok aangebracht. Hierbij worden de kleppen aangedreven door stoterstangen en tuimeraars. Men past tegenwoordig nauwelijks meer onderliggende nokkenassen toe in motoren.

Plaatsing van de nokkenas
Bij bepaalde motoren zoals boxermotoren en V-motoren worden meerdere nokkenassen aangebracht. Ook bij motorfietsen worden nokkenassen toegepast. Zoals eerder aangegeven wordt bijna geen gebruik meer gemaakt van onderliggende nokkenassen. Bovenliggende nokkenassen hebben namelijk een aantal voordelen. Een bovenliggende nokkenas kan de klep directer aandrijven. Als de nokkenas direct bovenop de klep is geplaatst vindt er een directe aandrijving plaats. Men kan ook de kleppen indirect aandrijven via een bovenliggende nokkenas. In dat geval maakt men gebruik van een tuimelaar.

Als men er voor kiest om de nokkenas direct de klep te laten aandrijven maakt men gebruik van een nokvolger. Hierdoor wordt  de horizontale component van de draaiende nokbeweging opgenomen. Een directe aandrijving van de klep zorgt er voor dat er meer vermogen kan worden behaald. Er is dan namelijk sprake van een reductie van het aantal bewegende delen. Daardoor worden ook minder trillingen veroorzaakt zodat een hoger toerental mogelijk wordt.

Wat is wringspanning of torsiespanning?

Torsiespanning wordt ook wel wringspanning genoemd. Dit is een mechanische spanning die in een voorwerp kan ontstaand doordat er op het voorwerp een wringend moment wordt uitgeoefend. Een torsiespanning kan bijvoorbeeld ontstaan in een aandrijfas. Een aandrijfas kan torderend worden belast doordat de aandrijfmotor er voor zorgt dat de as zal moeten draaien en de wielen weerstand bieden tegen deze draaibeweging. Ook als het ene wiel minder weerstand biedt tegen verdraaiing dan het andere wiel ontstaat er torsiespanning.

Eenvoudig voorbeeld van torsiespanning
Torsiespanning kan eenvoudig worden geïllustreerd aan de hand van het verdraaien van een handdoek om daar vocht uit te wringen. Hierbij pakt men de vochtige handdoek met de ene hand bij het ene uiteinde beet en met de andere hand aan het andere uiteinde. Vervolgens draait men beide handen in tegengestelde richting waardoor de handdoek in het midden stijf in elkaar draait. Hierdoor neemt de torsiespanning toe en wordt het vocht er uit geperst. Als men de handdoek zeer stijf uitwringt zal men bij het loslaten merken dat de handdoek weer langzaam terugdraait in de oorspronkelijke vorm. Dit komt omdat een handdoek redelijk elastisch is.

Elasticiteit
Niet alle materialen zijn zo elastisch als een handdoek. Materialen zoals staal kunnen wel vervormen maar zullen op een gegeven moment hun elastische grens bereiken. Na deze grens zal het staal plastisch gaan vervormen en dus niet meer terugkeren in de basisvorm. Het materiaal is dan blijvend vervormd en dat heeft gevolgen voor de mechanische eigenschappen van het materiaal. Materiaal met een hoge torsiestijfheid is echter goed bestand tegen torsiespanning en kan daardoor goed worden gebruikt voor aandrijfassen en andere onderdelen waarop een grote wringspanning op wordt uitgeoefend.

Wat is torsiestijfheid?

Torsiestijfheid is een term die onder andere wordt gebruikt bij personenauto’s. In dit verband doelt men op de torsiestijfheid van een auto wanneer er een verschil in belasting ontstaat tussen de verschillende wielen. Een verschil in de belasting op de verschillende wielen van een automobiel wordt voor een deel opgevangen door de vering. Daarnaast kan ook de carrosserie gaan torderen. Dit torderen wordt ook wel wringspanning genoemd en is een mechanische belasting met een wringend moment. Men spreekt van een torsiestijve carrosserie als de carrosserie onder wringspanning nauwelijks zal torderen. De torsiestijfheid van een automobiel is afhankelijk van het ontwerp en de materialen die zijn toegepast. Gesloten auto’s hebben over het algemeen een grotere torsiestijfheid dan ‘open auto’s’ oftewel de cabrio’s.

Torsiestijfheid algemeen
Buiten de autotechniek wordt de term torsiestijfheid ook gebruikt als aanduiding van de weerstand van een as tegen hoekverdraaiing. Deze hoekverdraaiing kan ontstaan als men op een as een koppel of draaimoment aanbrengt. De mate van verdraaiing is afhankelijk van het materiaal en de belasting op de as. De verdraaiing wordt opgegeven in [Nm/rad]. Materialen hebben een elasticiteitsgrens of rekgrens. Dit houdt in dat materialen onder invloed van een kracht in een bepaalde mate kunnen vervormen en dan weer in oude vorm terug kunnen keren. Op een gegeven moment is de kracht die wordt uitgeoefend zo groot dat er plastische vervorming zal optreden. Dit gebeurd als de rekgrens wordt overschreden. Het materiaal is dan ernstig aangetast en de mechanische belastbaarheid van het materiaal is dan meestal  aanzienlijk vermindert. Materiaal met een hoge torsiestijfheid biedt een grote weerstand tegen verdraaiing. Daarom kunnen die materialen het beste worden gebruikt voor assen waarop een hoog wringend moment wordt aangebracht.