कैमशाफ्ट

कैमशॉफ्ट एक दस्ता (यांत्रिक अभियांत्रिकी) है जिसमें घुमाव को पारस्परिक गति में बदलने के लिए नुकीले सांचारों की एक पंक्ति होती है। कैमशॉफ्ट का उपयोग पिस्टन यन्त्र में (अंतर्ग्रहण और निकास वाल्व संचालित करने के लिए) और यंत्रवत् नियंत्रित ज्वलन प्रणाली और प्रारंभिक इलेक्ट्रॉनिक गति नियंत्रण में किया जाता है।

पिस्टन यन्त्र में कैमशॉफ्ट सामान्यतः इस्पात या कच्चे लोहे से बने होते हैं, और कैम्स का आकार यन्त्र की विशेषताओं को बहुत प्रभावित करता है।

इतिहास
लंगर घन, घूर्णन गति को परिवर्तित करने के लिए कैम के एक रूप के शुरुआती उपयोगों में से एक हैं, उदा. पनचक्के से लेकर, गढ़ाई या फसल पीसने में उपयोग किए जाने वाले हथौड़े की पारस्परिक गति में। इनके प्रमाण चीन में हान राजवंश के समय से उपस्थित हैं, और मध्यकाल तक ये व्यापक रूप से फैले हुए थे।

कैमशॉफ्ट का वर्णन 1206 में अभियन्ता अल जजारी द्वारा किया गया था।

18वीं शताब्दी के अंत में भाप यन्त्र के घूर्णी संस्करण के विकसित होने के बाद, वाल्व गियर का संचालन सामान्यतः एक उत्केन्द्र (तंत्र) द्वारा किया जाता था, जो क्रैंकशाफ्ट के घूर्णन को वाल्व गियर की पारस्परिक गति में बदल देता था, सामान्यतः एक स्खलन वाल्व। बाद में आंतरिक दहन यन्त्रों में देखे जाने वाले कैमशाफ्ट का उपयोग कुछ भाप यन्त्रों में किया जाता था, सामान्यतः जहां उच्च दबाव वाली भाप (जैसे कि फ्लैश बॉयलर से उत्पन्न), छत्राकार वाल्व या पिस्टन वाल्व के उपयोग की आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए एकदिश प्रवाह भाप यन्त्र और गार्डनर-सर्पलेट भाप शक्ति कार देखें, जिसमें चर वाल्व समय को प्राप्त करने के लिए कैमशॉफ्ट को अक्षीय रूप से खिसकाना भी सम्मिलित था।

एकल उपरि कैमशॉफ़्ट वाले यन्त्रों का उपयोग करने वाली पहली कारों में 1902 में पेश की गई अलेक्जेंडर क्रेग द्वारा अभिकल्पित की गई माउडस्ले थी और  1903 में मिशिगन के मूल निवासी वाल्टर लोरेंजो मार्र द्वारा अभिकल्पित की गई मार्र  स्वत: कार थी।

पिस्टन यन्त्र
पिस्टन यन्त्र में, कैमशॉफ्ट का उपयोग अंतग्रर्हण और निकास वॉल्व को संचालित करने के लिए किया जाता है। कैमशॉफ्ट में एक बेलनाकार रॉड होती है जो सिलेंडर व्यूह की लंबाई के साथ प्रत्येक वाल्व के लिए एक उत्वर्त (उभरे हुए कैम पिण्डक के साथ डिस्क) की लंबाई के साथ चलती है,। जैसे ही उत्वर्त घूमता है, पिण्डक वाल्व (या एक मध्यवर्ती तंत्र) पर दबाव डालता है, इस प्रकार यह इसे खोलने क लिए धकेलता है। सामान्यतः, एक वाल्व स्प्रिंग का उपयोग वाल्व को विपरीत दिशा में धकेलने के लिए किया जाता है, इस प्रकार उत्वर्त के अपने पिण्डक के उच्चतम बिंदु से आगे बढ़ने पर वाल्व को बंद कर दिया जाता है।

निर्माण
कैमशॉफ्ट धातु से बने होते हैं और सामान्यतः ठोस होते हैं, हालांकि कभी-कभी खोखले कैमशॉफ्ट का उपयोग किया जाता है। कैमशॉफ्ट के लिए उपयोग की जाने वाली सामग्री सामान्यतः निम्न होती है:
 * कच्चा लोहा: सामान्यतः उच्च मात्रा में उत्पादन में उपयोग किया जाता है, ठंडे लोहे के कैमशाफ्ट में अच्छा पहनने का प्रतिरोध होता है क्योंकि द्रुतशीतन प्रक्रिया उन्हें कठोर बनाती है।
 * बिलेट इस्पात: कम मात्रा में उत्पादित उच्च-प्रदर्शन इंजन या कैमशॉफ्ट के लिए, कभी-कभी इस्पात बिलेट का उपयोग किया जाता है। यह अधिक समय लेने वाली प्रक्रिया है, और सामान्यतः अन्य तरीकों की तुलना में अधिक महंगी होती है। निर्माण की विधि सामान्यतः फोर्जिंग, मशीनिंग, उदीरण या द्रवीय अभिरूपण होती है।

यन्त्र में स्थान
कई शुरुआती आंतरिक दहन यन्त्रों ने उत्वर्त-इन-सांचा अभिन्यास (जैसे फ्लैटहेड यन्त्र, IOE या T-हेड अभिन्यास) का इस्तेमाल किया, जिससे कैमशॉफ्ट यन्त्र सांचे के भीतर यन्त्र के नीचे स्थित होता है। प्रारंभिक फ्लैटहेड यन्त्र सांचे में वाल्वों का पता लगाते हैं और उत्वर्त सीधे उन वाल्वों पर कार्य करता है। एक उपरि वाल्व यन्त्र में, जो बाद में आया, उत्वर्त अनुचर एक पुशरोड पर दबाता है जो गति को इंजन के शीर्ष पर स्थानांतरित करता है, जहां एक घुमाव अंतग्रर्हण/निकास वाल्व खोलता है। यद्यपि आधुनिक स्वचालित वाहन यन्त्रों में बड़े पैमाने पर SOHC और DOHC अभिन्यास द्वारा प्रतिस्थापित किया गया है, इसके छोटे आकार और कम लागत के कारण पुराने उपरि वाल्व अभिन्यास का उपयोग अभी भी कई औद्योगिक यन्त्रों में किया जाता है।

जैसे-जैसे 20वीं शताब्दी में इंजन की गति में वृद्धि हुई, एकल उपरि कैमशॉफ्ट (SOHC) यन्त्र- जहाँ कैमशॉफ्ट यन्त्र के शीर्ष के पास सिलेंडर हेड के भीतर स्थित होता है- तेजी से सामान्य हो गया, इसके बाद हाल के वर्षों में द्विक उपरि कैमशॉफ्ट (DOHC) यन्त्र सामान्य हो गया। OHC और DOHC इंजनों के लिए, कैमशॉफ्ट वाल्व को सीधे या अल्प संदोलक शाखिका के माध्यम से संचालित करता है

वाल्वट्रेन अभिन्यास को प्रति सिलेंडर व्यूह में कैमशाफ्ट की संख्या के अनुसार परिभाषित किया गया है। इसलिए कुल चार कैमशॉफ्ट के साथ एक V6 यन्त्र - प्रति सिलेंडर व्यूह में दो कैमशॉफ्ट - को सामान्यतः एक द्विक ऊपरी कैमशॉफ्ट यन्त्र के रूप में संदर्भित किया जाता है (हालांकि बोलचाल की भाषा में उन्हें कभी-कभी क्वाड-उत्वर्त यन्त्र कहा जाता है)।

चालन प्रणाली
कैमशॉफ्ट की स्थिति और गति का सटीक नियंत्रण यन्त्र को सही ढंग से संचालित करने की अनुमति देने में गंभीर रूप से महत्वपूर्ण है। कैमशॉफ्ट सामान्यतः या तो सीधे दांतेदार रबर समय क्रम पट्टा के माध्यम से या इस्पात रोलर समय क्रम श्रृंखला के माध्यम से चलाया जाता है। कैमशॉफ्ट को चलाने के लिए गियर्स का भी कभी-कभी उपयोग किया जाता है। कुछ अभिकल्पनाओं में कैमशॉफ्ट वितरक, तेल पंप (आंतरिक दहन यन्त्र), ईंधन पंप (यन्त्र) और कभी-कभी ऊर्जा परितालन पंप को भी चलाता है।

अतीत में उपयोग किए जाने वाले वैकल्पिक ड्राइव प्रणाली में प्रत्येक छोर पर बेवल गियर के साथ एक ऊर्ध्वाधर शाफ्ट सम्मिलित है (उदाहरण के लिए प्रथम विश्व युद्ध के पूर्व प्यूजियोट और मर्सिडीज ग्रांड प्रिक्स कारें और कावासाकी W800 मोटरसाइकिल) या संयोजी शलाका के साथ एक तिहरा उत्केंद्र सम्मिलित है (जैसे लीलैंड आठ कार)।

कैमशॉफ्ट का उपयोग करने वाले चतुः स्ट्रोक यन्त्र में, क्रैंकशाफ्ट के प्रत्येक घुमाव के लिए प्रत्येक वाल्व को एक बार खोला जाता है; इन यन्त्रों में, कैमशॉफ्ट क्रैंकशाफ्ट के समान गति से घूमता है। एक चतुः स्ट्रोक यन्त्र में, वाल्व प्रायः आधे ही खुलते हैं, इसलिए कैमशॉफ्ट को क्रैंकशाफ्ट की आधी गति से घूमने के लिए तैयार किया जाता है।

अवधि
कैमशॉफ्ट की अवधि निर्धारित करती है कि अंतग्रर्हण/निकास वाल्व कितने समय के लिए खुला है, इसलिए यह एक यन्त्र द्वारा उत्पादित शक्ति की मात्रा का एक महत्वपूर्ण कारक है। एक लंबी अवधि उच्च यन्त्र गति (RPM) पर यन्त्र शक्ति परीक्षण मानकों को बढ़ा सकती है, हालांकि यह कम RPM पर उत्पादित होने वाले कम टॉर्कः की दुविधा के साथ आ सकता है।

कैमशाफ्ट के लिए अवधि माप, उन्नयन की मात्रा से प्रभावित होता है जिसे माप के प्रारंभ और समापन बिंदु के रूप में चुना जाता है। का एक उन्नयन मान 0.050 in प्रायः एक मानक माप प्रक्रिया के रूप में उपयोग किया जाता है, क्योंकि इसे उन्नयन श्रेणी का सबसे अधिक प्रतिनिधि माना जाता है जो RPM श्रेणी को परिभाषित करता है जिसमें यन्त्र चरम शक्ति का उत्पादन करता है। अलग-अलग उन्नयन बिंदु (उदाहरण के लिए 0.006 या 0.002 इंच) का उपयोग करके निर्धारित की गई समान अवधि अनुमतांकन वाले कैमशॉफ्ट की शक्ति और निष्क्रिय विशेषताएँ 0.05 इंच के उन्नयन बिंदुओं का उपयोग करके अनुपात किए गए कैमशॉफ्ट से बहुत भिन्न हो सकती हैं।

बढ़ी हुई अवधि का एक द्वितीयक अतिव्यापन प्रभाव को बढ़ाया जा सकता है, जो अंतग्रर्हण और निकास वाल्व के खुले रहने के समय की लम्बाई निर्धारित करता है। यह अतिव्यापन है जो निष्क्रिय गुणवत्ता को सबसे अधिक प्रभावित करता है, क्योंकि अंतर्ग्रहण प्रभार का ब्लो-थ्रू निकास वाल्व के माध्यम से तुरंत वापस बाहर निकलता है जो अतिव्यापन के दौरान होता है, यन्त्र की दक्षता को कम करता है, और कम RPM ऑपरेशन के दौरान सबसे बड़ा होता है। सामान्यतः, कैमशॉफ्ट की अवधि बढ़ाने से सामान्यतः अतिव्यापन बढ़ जाता है, जब तक कि क्षतिपूर्ति करने के लिए पिण्डक पृथक्करण कोण को बढ़ाया नहीं जाता है।

एक सामान्य व्यक्ति आसानी से एक लंबी अवधि के कैमशॉफ्ट को व्यापक सतह को देखकर देख सकता है जहां उत्वर्त क्रैंकशाफ्ट घूर्णन की बड़ी संख्या के लिए खुले वाल्व को धकेलता है। यह कम अवधि के कैमशाफ्ट की तुलना में अधिक नुकीले कैमशॉफ्ट उभार से स्पष्ट रूप से बड़ा होगा।

उन्नयन
कैमशॉफ्ट की उन्नयन वाल्व और वाल्व केन्द्र के बीच की दूरी निर्धारित करती है (अर्थात वाल्व कितनी दूर खुला है)। वाल्व अपने केंद्र से जितना ऊपर उठता है उतना अधिक वायु प्रवाह प्रदान किया जा सकता है, इस प्रकार उत्पादित शक्ति में वृद्धि होती है। उच्च वाल्व उन्नयन में वृद्धि की अवधि के रूप में चोटी की शक्ति में वाल्व अतिव्यापन के बढ़ने के कारण नकारात्मक पहलुओं के बिना वृद्धि का समान प्रभाव हो सकता है,। अधिकांश ऊपरी वाल्व यन्त्रों में एक से अधिक का संदोलक अनुपात होता है, इसलिए वाल्व खुलने की दूरी (वाल्व उन्नयन) कैमशॉफ्ट पिण्डक के शिखर से आधार वृत्त (कैमशॉफ्ट उन्नयन) की दूरी से अधिक होती है।

ऐसे कई कारक हैं जो किसी दिए गए यन्त्र के लिए उन्नयन की अधिकतम मात्रा को सीमित करते हैं। सबसे पहले, उन्नयन बढ़ने से वाल्व पिस्टन के करीब आते हैं, इसलिए अत्यधिक उन्नयन से वाल्व पिस्टन से टकरा सकते हैं और क्षतिग्रस्त हो सकते हैं। दूसरे, बढ़ी हुई उन्नयन का मतलब है कि एक तेज कैमशॉफ्ट परिच्छेदिका की आवश्यकता होती है, जो वाल्व को खोलने के लिए आवश्यक बलों को बढ़ाती है। एक संबंधित मुद्दा उच्च RPM पर वाल्व प्रवर्तन है, जहां स्प्रिंग तनाव पर्याप्त बल प्रदान नहीं करता है या तो वाल्व को उसके शीर्ष पर उत्वर्त का अनुसरण करते हुए रखता है या वाल्व केंद्र पर लौटने पर वाल्व को उछलने से रोकता है। यह पिण्डक के बहुत तेज वृद्धि का परिणाम हो सकता है, जहां उत्वर्त अनुयायी उत्वर्त पिण्डक से अलग हो जाता है (वाल्वट्रेन जड़ता वाल्व स्प्रिंग के समापन बल से अधिक होने के कारण), वाल्व को निर्धारित समय से अधिक समय तक खुला छोड़ देता है। वाल्व प्रचलित उच्च RPM पर बिजली की हानि का कारण बनता है और चरम स्थितियों में पिस्टन से टकरा जाने पर मुड़े हुए वाल्व का परिणाम हो सकता है।

समय
क्रैंकशाफ्ट के सापेक्ष कैमशॉफ्ट के समय (चरण कोण) को यन्त्र के सामर्थ्य पट्ट को एक अलग RPM रेंज में स्थानांतरित करने के लिए समायोजित किया जा सकता है। कैमशॉफ्ट को आगे बढ़ाना (क्रैंकशाफ़्ट समय से पहले इसे स्थानांतरित करना) कम RPM टॉर्क को बढ़ाता है, जबकि कैमशॉफ्ट को धीमा करना (क्रैंकशाफ़्ट के बाद इसे स्थानांतरित करना) उच्च RPM शक्ति को बढ़ाता है। 5 डिग्री के क्रम में आवश्यक परिवर्तन प्रायः अपेक्षाकृत छोटे होते हैं।

आधुनिक यन्त्र जिनमें चर वाल्व समकालन होती है, प्रायः किसी भी समय यन्त्र के RPM के अनुरूप कैमशॉफ्ट के समय को समायोजित करने में सक्षम होते हैं। यह उच्च और निम्न RPM दोनों पर उपयोग के लिए एक निश्चित उत्वर्त समकालन चुनते समय आवश्यक उपरोक्त समझौते से बचा जाता है।

पालि पृथक्करण कोण
पिण्डक पृथक्करण कोण (LSA, जिसे पिण्डक सेंटरलाइन कोण भी कहा जाता है) अंतग्रर्हण पिण्डकों की केंद्र रेखा और निकास पिण्डकों की केंद्र रेखा के बीच का कोण है। एक उच्च LSA अतिव्यापन को कम करता है, जो निष्क्रिय गुणवत्ता और अंतग्रर्हण निर्वात में सुधार करता है, हालांकि अत्यधिक अवधि की भरपाई के लिए व्यापक LSA का उपयोग करने से बिजली और टॉर्क उत्पादन कम हो सकते हैं। सामान्यतः, किसी दिए गए यन्त्र के लिए इष्टतम LSA सिलेंडर वॉल्यूम के अंतग्रर्हण वाल्व क्षेत्र के अनुपात से संबंधित होता है।

विकल्प
वाल्व प्रवर्तक के सबसे सामान्य तरीकों में कैमशाफ्ट और वाल्व स्प्रिंग्स सम्मिलित हैं, हालांकि आंतरिक दहन यन्त्रों पर कभी-कभी वैकल्पिक प्रणालियों का उपयोग किया जाता है:
 * डेस्मोड्रोमिक वाल्व, जहां वाल्व स्प्रिंग्स के बजाय एक उत्वर्त और उत्तोलकता प्रणाली द्वारा सकारात्मक रूप से बंद होते हैं। 1956 में डुकाटी 125 डेस्मो रेसिंग बाइक पर पेश किए जाने के बाद से इस प्रणाली का उपयोग विभिन्न डुकाटी रेसिंग और सड़क मोटरसाइकिलों पर किया गया है।।
 * कैमलेस पिस्टन यन्त्र, जो विद्युत्चुंबकीय, द्रवचालित या वायुचालित प्रवर्तक का उपयोग करता है। पहली बार 1980 के दशक के मध्य में टर्बोचार्ज्ड रेनॉल्ट फॉर्मूला 1 यन्त्र में इस्तेमाल किया गया था और कोनिगसेग जेमेरा में सड़क कार के उपयोग के लिए योजना बनाई गई थी।
 * वान्कल यन्त्र, एक चक्रीय यन्त्र जो न तो पिस्टन और न ही वाल्व का उपयोग करता है। मज़्दा द्वारा 1967 मज़्दा कॉस्मो से सबसे विशेष रूप से उपयोग किया जाता है जब तक कि मज़्दा RX-8 -8 को 2012 में बंद नहीं किया गया था।

इलेक्ट्रिक मोटर गति नियंत्रक
पुष्ट स्थिति इलेक्ट्रॉनिक्स के आगमन से पहले, विद्युत मोटरों की गति को नियंत्रित करने के लिए कैमशॉफ्ट नियंत्रकों का उपयोग किया जाता था। इलेक्ट्रिक मोटर या वायवीय मोटर द्वारा संचालित कैमशॉफ्ट का उपयोग संपर्ककर्ताओं को अनुक्रम में संचालित करने के लिए किया जाता था। इस माध्यम से, मुख्य मोटर की गति को बदलने के लिए प्रतिरोधों या टैप (परिणामित्र) को विद्युत परिपथ में या बाहर स्विच किया गया था। यह प्रणाली मुख्य रूप से इलेक्ट्रिक ट्रेन मोटर्स (यानी इलेक्ट्रिक एकाधिक इकाई और इलेक्ट्रिक स्वचालित यंत्र) में इस्तेमाल की गई थी।

यह भी देखें

 * स्लीव वाल्व
 * क्रैंकशाफ्ट

संदर्भ
凸輪軸