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 een tandriemaandrijving?

Een tandriemaandrijving is een aandrijfsysteem die op verschillende manieren in de techniek wordt gebruikt. Er wordt hierbij gebruik gemaakt van een aandrijfriem die is voorzien van speciale riemtanden. De getande riem loopt over in ieder geval twee riemschijven of poelies met buitenvertanding. Over deze riemschijven loopt een getande riem die is voorzien van binnenvertanding. Door deze vertanding slipt de riem niet meer over de riemschijven. Het slippen van aandrijfriemen komt bijvoorbeeld wel vaak voor bij gladde aandrijfriemen. Getande aandrijfriemen worden zowel in motoren gebruikt als voor de eindaandrijving.

Distributieriemen voor auto’s
In verbrandingsmotoren wordt een getande aandrijfriem gebruikt voor een zogenaamde synchrone aandrijving. Een synchrone aandrijving is een aandrijving met een vaste verhouding. Deze vaste verhouding mag nooit worden gewijzigd omdat anders de tanden van de aandrijfriem niet meer goed vallen binnen de tanden van de riemschijven. Een goed voorbeeld hiervan is de aandrijving van de nokkenas. Als de riem van een nokkenasaandrijving niet meer goed zou lopen over de riemschrijven of zou slippen dan gaan de kleppen van de motor niet meer op het gewenste moment open en dicht.

Daardoor wijzigt ook het tijdstip van de ontsteking. Een tandriemaandrijving wordt hierbij gebruikt als een effectieve overbrenging in plaats van een tandwielaandrijving of een kettingaandrijving. Deze laatste twee systemen hebben smering nodig om een vastloper te voorkomen. Als men gebruik maakt van een kettingaandrijving of een tandwielaandrijving zal men deze in een afgesloten deel van de motor moeten plaatsen, namelijk het distributiecarter. Dit hoeft bij een distributieriem niet.  Men dient echter distributieriemen tijdig vervangen. Als men dit niet doet kan de riem breken en zorgt dit er voor dat de inlaatkleppen of uitlaatkleppen stil komen te staan. De krukas blijft dan echter nog draaien. Daardoor blijven de zuigers, die doormiddel van de zuigerstangen aan de krukas verbonden zijn, ook op en neer gaan. Deze zuigers kunnen in die beweging de kleppen raken waardoor er zeer veel schade aan de motor kan worden veroorzaakt. Distributieriemen zijn echter maar een voorbeeld van een tandriemaandrijving.

Aandrijfriem voor motoren
Men kan ook een tandriemaandrijving gebruiken in de vorm van een eindaandrijving. In dit geval vind de tandriemaandrijving plaats van versnellingsbak naar achterwiel. Zo wordt bijvoorbeeld bij motorfietsen bijvoorbeeld soms een tandriem toegepast. Bij motorfietsen wordt echter vaker een metalen ketting toegepast of een zogenaamde cardanaandrijving. Ondanks dat wordt het gebruikt van een aandrijfriem populairder bij motoren omdat deze aandrijfriem veel minder onderhoud vereist dan bijvoorbeeld een aandrijfketting. Er worden bijvoorbeeld aandrijfriemen gebruikt bij een aantal modellen van Harley-Davidson, BMW, Kawasaki en Suzuki. Er zijn ook motormerken die gebruik maken van een getande riem om de nokkenas aan te drijven. Dit zijn bijvoorbeeld de motormerken Rotax en Ducata.

Wat is een aandrijfriem?

Aandrijfriemen worden gebruikt om kracht over te brengen, deze riemen worden dus gebruikt als vermogensoverbrenging. Het voordeel van aandrijfriemen is dat ze weinig geluid produceren. Daarnaast is er weinig smering nodig en kunnen deze riemen worden gebruikt om krachten over grotere afstanden tussen assen over te brengen.  Aandrijfriemen zijn niet geschikt voor synchrone aandrijvingen. Als men ze hiervoor wil gebruiken zal men getande riemen moeten toepassen omdat de riemen anders onvoldoende houvast hebben

Industriële revolutie
Aandrijfriemen worden sinds de industriële revolutie gebruikt. Ze werden gebruikt om krachten van stoommachines over te brengen. In de beginjaren werden vooral leren riemen gebruikt in de stoomaandrijving. Leer is een goede grondstof voor aandrijfriemen vanwege het hoge wrijvingscoëfficiënt. Hierbij werd gebruikt gemaakt van een lange reep leer van een bepaalde breedte. De reep werd echter O-vormig gemaakt door deze aan het uiteinde te voorzien van speciale kammen. Met een riemverbinder werden de uiteinden van deze riemen aan elkaar vast gemaakt. Hierbij werden de kammen van de uiteinden in elkaar geschoven. Vervolgens werd daar een pees doorheen geschoven. Hierdoor werden de uiteinden aan elkaar bevestigd en ontstond een O-vormige rondgaande riem. De riem moest echter wel voldoende grip hebben op de assen waar de riem de krachten van moest overbrengen.

Risico’s van aandrijfriemen
Als de riem doorslipte werd deze behandeld met een blok speciale hars. Deze hars werd al draaiende aan de binnenkant van de riem aangebracht zodat de riem weer stroef genoeg werd om de overbrenging zo goed mogelijk uit te voeren. In het tijdperk van de stoommachine werden meerdere machines aangesloten op één enkele stoommachine met meerdere aandrijfriemen. Er werd door de machine vaak veel kracht uitgeoefend op de aandrijfriem. Deze riemen werden in het beginstadium van industriële revolutie niet afgeschermd. Als er dan te veel kracht op de aandrijfriem werd uitgeoefend of als de riem erg versleten was kon de riem losscheuren of kleine delen verliezen. Deze delen werden dan met grote kracht rondgeslingerd in de fabriekshal waar de machine stond opgesteld. Hierdoor konden mensen gewond raken of kon er schade ontstaan aan andere machines.

Toepassing aandrijfriemen tegenwoordig
Aandrijfriemen kregen door de jaren heen verschillende toepassingen. In eerste instantie dienden ze voor het overbrengen van vermogens in machines en apparaten. ze werden ook gebruik in decentraal opgestelde krachtbronnen zoals elektromotoren. Ook in auto’s werden aandrijfriemen toegepast zoals de getande aandrijfriem die ook wel distributieriem wordt genoemd. Deze riem is echter niet van leer gemaakt maar van speciaal verstevigd rubber. Er worden tegenwoordig eigenlijk geen leren aandrijfriemen meer toegepast. Meestal wordt er gebruik gemaakt van een rubber of kunststof die verstevigd is met een bepaalde vezel.

Kunststofriemen van nylon of perlon worden ook wel gebruikt. Omdat er steeds meer materialen zijn ontwikkeld kan men de kwaliteiten van materialen ook beter combineren. Zo maakt men ook gebruik van samengestelde riemen. Hierbij is de buitenste laag bijvoorbeeld gemaakt van leer vanwege de goede wrijvingseigenschappen en wordt er bijvoorbeeld ook een laag kunststof toegepast vanwege de hoge treksterkte of wordt er gebruik gemaakt van textiel zoals canvas als afdekking. Aandrijfriemen worden tegenwoordig nog steeds gebruikt in zowel een getande variant als in een gladde variant voor uiteenlopende machines en motoren.

Wat is een stationaire motor?

Een stationaire motor is een motor die op een vaste plaats is geplaatst en die men gebruikt als aandrijving voor bijvoorbeeld een machine. Een stationaire motor is niet in een voertuig gebouwd en drijft daardoor geen voertuig aan zoals bijvoorbeeld een dieselmotor of benzinemotor in een auto wel doet. In plaats daarvan is een stationaire motor meestal aan de grond bevestigd. Er zijn echter ook verplaatsbare motoraandrijvingen die worden gebruikt als aandrijfmechanisme voor bijvoorbeeld machines, deze worden ook wel tractiemachines of locomobielen genoemd. Deze verplaatsbare motoraandrijvingen worden dus gebruikt als externe aandrijving voor machines, de aandrijving zelf wordt niet gebruikt voor de verplaatsing van de motoraandrijving.

Stoommachines
Toen de stoommachine werd ontworpen en in 1780 werd verbeterd was de stoommachine zover ontwikkeld dat deze ook in de fabrieken als aandrijving kon worden gebruikt. Dat was een belangrijke impuls voor de industriële revolutie. Voor veel machines werd stoomkracht gebruikt als aandrijving. Deze stoomkracht werd geleverd door stationaire stoommachines die machines aandreven met platte riemen. Deze machines werden later vervangen door interne verbrandingsmotoren. Lenoir ontwierp een interne verbrandingsmotor maar dit was een atmosferische motor en die had een veel te laag rendement.

Ottomotor
Nicolaus August Otto en Eugen Langen ontwikkelden ook een motor. In circa 1876 door Nikolaus Otto de viertakt motor uitgevonden. Deze mengselmotor werd ook wel ottomotor genoemd. in eerste instantie werden deze motoren onder de naam Otto gefabriceerd. Vanaf 1900 werden de motoren geproduceerd onder Deutz. Na de ontwikkeling van de ottomotor werden er verschillende interne verbrandingsmotoren op de markt gebracht. Deze verbrandingsmotoren werden af en toe ook onder licentie gebouwd maar werden ook vaak door ingenieurs of door een lokale smid zelf ontworpen en gemaakt. Naast Nikolaus Otto zijn er ook andere motorenbouwers geweest die een viertakt motor hebben gebouwd. Een aantal van deze bouwers gaf aan dat ze eerder dan Nikolaus Otto een viertaktmotor hadden uitgevonden.

Ontstekingsmethoden
De eerste stationaire motoren hadden verschillende ontstekingsmethoden. Zo waren er motoren ontwikkeld die tot ontsteking kwamen doormiddel van een vlamschuif, een gloeibuis of een mechanische bougie. Over de gehele wereld zijn er veel verschillende verzamelaars van deze verschillende typen stationaire motoren. Tegenwoordig wordt het brandstofmengsel in deze verbrandingsmotoren tot ontsteking gebracht door middel van een bougie.

Dieselmotor
In 1893 werd door Rudolf Diesel een hogedrukmotor getoond. Bij deze motor werd de brandstof direct in de motor gespoten. Door de compressie van deze brandstof in de cilinders kwam de brandstof tot ontsteking. Dit komt door de warmte die door de compressie van de dieselbrandstof in de compressieruimte. Dit zorgt voor zelfontbranding. Het cetaangetal van de brandstof is hierbij van belang. Met het cetaangetal wordt duidelijk gemaakt in welke mate een brandstof tot zelfontbranding komt bij compressie. De interne verbrandingsmotoren werden veel populairder dan de stoommachines die in het verleden werden gebruikt. In de landbouwmechanisatie werden deze verbrandingsmotoren onder andere gebruikt om landbouwmachines zoals dorsmachines aan te drijven.

Einde van de interne verbrandingsmotoren
De interne verbrandingsmotoren werden steeds populairder, ze werden gebruikt in de landbouw en in de industrie. De verbrandingsmotoren waren eenvoudiger in gebruik dan de stoommachines waarbij een brandstof eerst werd omgezet in stoom en de stoom werd gebruikt om een mechanische beweging te bewerkstelligen. In de jaren dertig van vorige eeuw werd elektriciteit steeds vaker als krachtbron gebruikt. In dat geval wordt er geen gebruik gemaakt van een brandstof die in de motor wordt verbrand maar wordt er gebruik gemaakt van een elektromotor. Deze elektromotor is aangesloten op het lichtnet (netstroom of krachtstroom) maar kan ook aangesloten zijn op een zware accu.

Deze motoren zijn nog eenvoudiger in gebruik dan een verbrandingsmotor. Vrijwel alle machines in fabrieken zijn tegenwoordig elektrisch aangedreven. Er zijn echter nog wel stationaire motoren in gebruik. Men vindt stationaire motoren nog wel op schepen en boten. Daarnaast is ook een nood-aggregaat een vorm van een stationaire motor. Deze stationaire motor zet een brandstof om in elektriciteit waardoor een ziekenhuis nog in gebruik kan blijven al de stroom uit is gevallen. Ook in ziekenhuizen, politiebureaus en andere locaties maakt men gebruik van nood-aggregaten om de rampzalige effecten van stroomuitval te beperken.

Wat wordt bedoelt met een vastloper in de techniek?

Vastloper is een woord dat wordt gebruikt in de techniek als een motor, werktuig of machine plotseling stopt met functioneren. Er zijn verschillende oorzaken die er voor zorgen dat machines en motoren vastlopen. Een voorbeeld hiervan is te weinig smering. Door te weinig smering kunnen bewegende machinedelen niet meer soepel draaien. De wrijving in de machine neemt toe waardoor er verhitting optreed. Deze verhitting zorgt er in combinatie met de wrijving voor dat de machine niet meer goed loopt en uiteindelijk vastloopt.

Daarom is koeling en smering belangrijk voor motoren en machines. Bij motoren kan bijvoorbeeld de zuiger van de motor zich vast zetten in de cilinderwand van de motor. De cilinder beweegt daardoor niet meer op en neer in het cilindergat. Daardoor komt de krukas van het voertuig niet meer in beweging en staat het voertuig stil. Een vastloper zorgt er dus voor dat een mechanisch proces tot stilstand komt. Vaslopers hebben daardoor vaak grotere gevolgen. Vastlopers komen in de praktijk vaak voor bij tweetakt-bromfietsen. Vooral wanneer de motoren zijn opgevoerd en hoge toeren draaien. De smering en koeling van deze motoren is op een gegeven moment onvoldoende.

De viscositeit van smeermiddelen gaat achteruit naar mate de smering onder hoge temperaturen komt te staan. Hierdoor werkt het smeermiddel niet goed meer en kan een vastloper ontstaan. Bovendien zorgen hoge temperaturen er voor dat er ook meer koeling moet worden toegepast. Als dit niet wordt gedaan is het schadelijke effect dus dubbel: de viscositeit van het smeermiddel gaat achteruit en de koeling is minder. De kans op een vastloper is dan zeer groot. Daarom is het belangrijk dat een machine of motor altijd van de juiste smeermiddelen wordt voorzien en dat men het smeerschema, als dat aanwezig is, nauwgezet volgt.

Wat is het verschil tussen een distributieriem en distributieketting?

Een distributieriem en distributieketting worden beide toegepast in de autotechniek.  Ze worden echter niet gezamenlijk toegepast in een auto. Een auto heeft een distributieriem of een distributieketting. Deze riem of ketting is geplaatst in de motor van de auto. Een distributieriem of distributieketting wordt gebruikt om de nokkenas of nokkenassen aan te drijven. Dit gebeurd via de krukas. De nokkenassen bedienen de inlaatkleppen en uitlaatkleppen van de motor van de auto. De distributieriem en de distributieketting vormen een aandrijfmechanisme dat is ingebouwd aan de binnenkant van de motor. De riem en ketting zijn aan de buitenkant van de motor niet te zien. De distributieriem en distributieketting hebben dezelfde functie maar ze verschillen toch van elkaar. Hieronder zijn een aantal verschillen benoemd.

Verschillen tussen distributieriemen en distributiekettingen

Een distributieriem of distributieketting moet zeer sterk zijn want er komt een grote trekkracht op te staan. Deze trekkracht moet worden opgevangen zonder dat de riem of ketting breekt.  Zowel de riem als ketting zijn daarom van een sterk materiaal gemaakt dat een grote trekkracht kan verdragen. Dat moet ook want als een distributieriem of distributieketting breekt veroorzaakt veel schade aan de motor. De materialen verschillen wel.

Een distributieriem is een riem die gemaakt is van een sterke soort kunststof.  Deze bevat een extra versterking van trekdraden die in het kunststof zijn verwerkt. De riem is daardoor soepel en sterk. Aan de distributieriem zijn aan een kant zogenaamde tanden aangebracht.  Deze tanden zijn in de riem aangebracht zodat de riem voldoende grip heeft op de draaiende delen van de motor. Door de tanden kan de distributieriem effectief krachten overbrengen.

Op deze twee punten verschilt de distributieriem van de distributieketting, namelijk de vorm en het materiaal.  Een distributieketting bevat namelijk geen vertanding maar bestaat uit allemaal schakels. Tussen de schakels zitten gaatjes waar de tandwielen van de draaiende motordelen in vallen. Op die manier heeft de distributieketting grip. Deze ketting is bovendien gemaakt van gehard staal met een grote treksterkte. Om deze redenen is een distributieketting sterker en duurzamer dan een distributieriem.

Men ging er vaak van uit dat een distributieketting niet stuk gaat. Een distributieriem wordt meestal na een bepaald aantal kilometers of een bepaalde tijdsduur preventief vervangen om te voorkomen dat deze breekt of scheurt. Bij distributiekettingen doet men dit eigenlijk niet waardoor er wel een kans bestaat dat de ketting breekt maar die kans is niet heel groot. Tegenwoordig gebruikt men wel steeds vaker distributieriemen toe. Motoren zijn namelijk steeds compacter en lichter uitgevoerd. De vermogens van motoren worden groter en de motoren worden efficiënter. Daarvoor is de toepassing van distributieriemen effectiever.  Deze riemen worden ook in de meeste gevallen tijdig vervangen waardoor de kans op problemen zeer klein is.