عمود المرفق

يستطيع عمود المرفق الدوران داخل كتلة المحرك بفضل المحامل الرئيسية . ونظرًا لتعرض عمود المرفق لقوى أفقية ودورانية كبيرة من كل أسطوانة، فإن هذه المحامل الرئيسية موزعة على نقاط مختلفة على طول عمود المرفق، وليس على طرف واحد فقط. ^{[ 8 ]} ويُحدد عدد المحامل الرئيسية بناءً على عامل الحمل الكلي وأقصى سرعة للمحرك. غالبًا ما تستخدم أعمدة المرفق في محركات الديزل محملًا رئيسيًا بين كل أسطوانة وعلى طرفي عمود المرفق، نظرًا لقوى الاحتراق العالية. ^{[ 9 ]}

كان انثناء عمود المرفق أحد العوامل التي ساهمت في استبدال محركات الثماني أسطوانات المستقيمة في خمسينيات القرن الماضي؛ فقد عانت أعمدة المرفق الطويلة من قدر غير مقبول من الانثناء عندما بدأ مصممو المحركات باستخدام نسب ضغط أعلى وسرعات دوران أعلى للمحرك (RPM). ^{[ 10 ]}

تحدد المسافة بين محور دبابيس المرفق ومحور عمود المرفق طول شوط المحرك. ^{[ 1 ]}

تُصنّف معظم محركات السيارات الحديثة ضمن فئة "المحركات ذات الشوط القصير" أو "المحركات ذات الشوط المربع"، حيث يكون شوط المكبس أقل من قطر تجويف الأسطوانة . ومن الطرق الشائعة لزيادة عزم الدوران عند السرعات المنخفضة زيادة شوط المكبس، وهو ما يُعرف أحيانًا بـ"زيادة شوط المكبس". تاريخيًا، كان ثمن استخدام محرك ذي شوط طويل هو انخفاض حد السرعة القصوى وزيادة الاهتزاز عند السرعات العالية، نتيجةً لزيادة سرعة المكبس. ^{[ 11 ]}

عند تصميم المحرك، يرتبط تكوين عمود المرفق ارتباطًا وثيقًا بترتيب إشعال المحرك . ^{[ 12 ] [ 13 ]}

تستخدم معظم محركات V8 الإنتاجية (مثل محرك فورد موديلر ومحرك جنرال موتورز LS ) عمود مرفقي متقاطع ، حيث تفصل بين أذرع المرفق زاوية 90 درجة. ^{[ 14 ]} مع ذلك، تستخدم بعض محركات V8 عالية الأداء (مثل فيراري 488 ) ^{[ 15 ] [ 16 ]} عمود مرفقي مسطح ، حيث تفصل بين أذرع المرفق زاوية 180 درجة، مما ينتج عنه عمليًا محركان رباعيا الأسطوانات يشتركان في علبة مرافق واحدة. عادةً ما تعمل المحركات المسطحة عند دورات أعلى في الدقيقة، ولكنها تتميز باهتزازات من الدرجة الثانية أعلى، ^{[ 17 ]} لذا فهي أنسب لمحركات سيارات السباق. ^{[ 18 ]}

بالنسبة لبعض المحركات، من الضروري توفير أثقال موازنة للكتلة المترددة للمكبس وأذرع التوصيل وعمود المرفق، وذلك لتحسين توازن المحرك . ^{[ 19 ] [ 20 ]} عادةً ما تُصب هذه الأثقال كجزء من عمود المرفق، ولكن في بعض الأحيان تكون قطعًا مثبتة بمسامير.

في بعض المحركات، يحتوي عمود المرفق على وصلات مباشرة بين دبابيس المرفق المتجاورة ، دون الحاجة إلى المحمل الرئيسي الوسيط المعتاد. تُسمى هذه الوصلات بالأذرع الطائرة . ^{[ 21 ] : 16، 41.} يُستخدم هذا الترتيب أحيانًا في محركات V6 و V8 ، للحفاظ على فترات احتراق منتظمة عند استخدام زوايا V مختلفة، ولتقليل عدد المحامل الرئيسية المطلوبة. أما عيب الأذرع الطائرة فهو انخفاض صلابة عمود المرفق، مما قد يُسبب مشاكل عند دورات المحرك العالية أو عند مستويات الطاقة العالية. ^{[ 22 ]}

في معظم المحركات، يرتبط كل ذراع توصيل بعمود مرفقي واحد، مما يؤدي إلى تغير زاوية ذراع التوصيل مع حركة المكبس خلال شوطه. يدفع هذا التغير في الزاوية المكابس باتجاه جدار الأسطوانة، مما يُسبب احتكاكًا بينهما. ^{[ 23 ]} ولمنع ذلك، قامت بعض المحركات القديمة - مثل محركات لانشستر ثنائية الأسطوانات المسطحة التي صُنعت بين عامي 1900 و1904 - بربط كل مكبس بعمودي مرفق يدوران في اتجاهين متعاكسين. يُلغي هذا الترتيب القوى الجانبية ويُقلل الحاجة إلى أثقال الموازنة. نادرًا ما يُستخدم هذا التصميم؛ ومع ذلك، ينطبق مبدأ مماثل على أعمدة التوازن ، التي تُستخدم أحيانًا.

يُعدّ كلٌّ من اللامركزية والإزاحة الديناميكية من العوامل الحاسمة التي تؤثر على أداء وكفاءة ومتانة محركات الديزل. وتنشأ هذه الظواهر نتيجة لمرونة عمود المرفق، وحركة المكابس الثانوية ، وتغير الأحمال أثناء تشغيل المحرك. ويُعدّ فهم هذه التأثيرات ضروريًا للحدّ من التآكل الميكانيكي، وتحسين كفاءة استهلاك الوقود، وتحسين تصميم المحرك. ^{[ 24 ]}

يمكن تصنيع أعمدة المرفق من قضيب فولاذي باستخدام عملية التشكيل بالدرفلة . يميل المصنّعون اليوم إلى تفضيل استخدام أعمدة المرفق المطروقة نظرًا لخفة وزنها، وأبعادها الأكثر إحكامًا، وقدرتها الأفضل على امتصاص الصدمات. ^{[ 25 ]} في أعمدة المرفق المطروقة، تُستخدم بشكل أساسي أنواع الفولاذ المُضاف إليها كميات ضئيلة من الفاناديوم ، حيث يمكن تبريد هذه الأنواع بالهواء بعد بلوغها قوة عالية دون الحاجة إلى معالجة حرارية إضافية، باستثناء تقوية أسطح التحميل. كما أن انخفاض نسبة السبائك فيها يجعلها أرخص من أنواع الفولاذ عالية السبائك. وتتطلب أنواع الفولاذ الكربوني أيضًا معالجة حرارية إضافية للوصول إلى الخصائص المطلوبة.

تتمثل إحدى طرق التصنيع الأخرى في صب عمود المرفق من الحديد المطاوع . وتُستخدم أعمدة المرفق المصنوعة من الحديد الزهر اليوم في الغالب في محركات الإنتاج الأرخص ثمناً حيث تكون الأحمال أقل. ^{[ 26 ]}

يمكن أيضًا تصنيع أعمدة المرفق من قضبان فولاذية ، غالبًا ما تكون من فولاذ عالي الجودة مُعاد صهره بالتفريغ . ورغم أن تدفق الألياف (عدم تجانس التركيب الكيميائي للمادة الناتج أثناء الصب) لا يتبع شكل عمود المرفق (وهو أمر غير مرغوب فيه)، إلا أن هذا لا يُشكل عادةً مشكلة، إذ يُمكن استخدام أنواع فولاذ عالية الجودة، والتي يصعب تشكيلها عادةً. وتميل هذه الأعمدة إلى أن تكون باهظة الثمن لكل وحدة نظرًا لكمية المواد الكبيرة التي يجب إزالتها باستخدام المخارط وآلات التفريز، وارتفاع تكلفة المواد، والمعالجة الحرارية الإضافية المطلوبة. ومع ذلك، ولأن هذه الطريقة الإنتاجية لا تتطلب أدوات باهظة الثمن، فإنها تسمح بإنتاج دفعات صغيرة دون تكاليف أولية مرتفعة. ^{[ 27 ]}

في بغداد العباسية خلال القرن التاسع الميلادي ، ظهرت أذرع التدوير ذاتية التشغيل في العديد من الأجهزة الهيدروليكية التي وصفها الأخوان بنو موسى في كتاب "الأجهزة البارعة" . ^{[ 28 ]} وقد ظهرت هذه الأذرع في عدة أجهزة، اثنان منها يحتويان على آلية عمل تُحاكي آلية عمود المرفق، وذلك قبل خمسة قرون من أول وصف أوروبي معروف لعمود المرفق. ومع ذلك، فإن آلية التدوير الأوتوماتيكية التي وصفها بنو موسى لم تكن تسمح بدوران كامل، بل كان يلزم تعديل بسيط لتحويلها إلى عمود مرفق. ^{[ 29 ]}

في سلطنة أرتقي ، وصف المهندس العربي إسماعيل الجزري ( 1136-1206 ) نظام المرفق وقضيب التوصيل في آلة دوارة لاثنين من آلات رفع المياه الخاصة به، ^{[ 30 ]} والتي تتضمن آليات المرفق والعمود . ^{[ 31 ]}

قام الطبيب الإيطالي غيدو دا فيجيفانو ( حوالي 1280 - حوالي 1349 )، الذي كان يخطط لحملة صليبية جديدة ، برسم توضيحات لقارب ذي مجداف وعربات حربية يتم دفعها بواسطة أذرع تدوير مركبة وعجلات مسننة يتم تدويرها يدويًا، ^{[ 32 ]} وقد تم تحديدها على أنها نموذج أولي مبكر لعمود المرفق بواسطة لين تاونسند وايت . ^{[ 33 ]} 

وصف ليوناردو دافنشي (1452-1519) ^{[ 30 ]} ومزارع هولندي ومالك طاحونة هوائية يُدعى كورنيليس كورنيليسزون فان أويتجيست عام 1592، أعمدة المرفق. استخدمت منشارته التي تعمل بطاقة الرياح عمود مرفق لتحويل الحركة الدائرية للطاحونة إلى حركة ذهابًا وإيابًا لتشغيل المنشار. حصل كورنيليسزون على براءة اختراع لعمود المرفق الخاص به عام 1597.

ابتداءً من القرن السادس عشر، كثرت الأدلة على استخدام أذرع التدوير وقضبان التوصيل في تصميم الآلات، وذلك في المؤلفات التقنية لتلك الفترة: فكتاب " الآلات المتنوعة والمصطنعة" لأغوستينو راميللي ، الصادر عام ١٥٨٨، يصف ثمانية عشر مثالاً، وهو عدد يرتفع في كتاب "مسرح الآلات الجديد" لجورج أندرياس بوكلر إلى ٤٥ آلة مختلفة. ^{[ ٣٤ ]} كانت أذرع التدوير شائعة في بعض الآلات في أوائل القرن العشرين؛ فعلى سبيل المثال، كانت جميع أجهزة الفونوغراف تقريبًا قبل ثلاثينيات القرن العشرين تعمل بمحركات ميكانيكية تُلف بواسطة أذرع التدوير. وتستخدم محركات المكابس الترددية أذرع التدوير لتحويل الحركة الخطية للمكبس إلى حركة دورانية. وكانت محركات الاحتراق الداخلي في سيارات أوائل القرن العشرين تُشغل عادةً بأذرع تدوير يدوية، قبل أن تصبح بادئات التشغيل الكهربائية شائعة الاستخدام.