สายพานเพลาลูกเบี้ยว

ในเครื่องยนต์ลูกสูบ สายพานเพลาลูกเบี้ยว ( หรือ ) หรือ โซ่เพลาลูกเบี้ยว หรือ เฟืองเพลาลูกเบี้ยว เป็นชิ้นส่วนที่เสื่อมสภาพได้ตามการใช้งาน มีไว้เพื่อประสานการหมุนของเพลาข้อเหวี่ยงและเพลาลูกเบี้ยว การประสานกันนี้ทำให้แน่ใจว่าลิ้นของเครื่องยนต์จะเปิดและปิดในเวลาที่ถูกต้องสัมพันธ์กับตำแหน่งของลูกสูบ

 การออกแบบ 
ในเครื่องยนต์ลูกสูบส่วนใหญ่ เพลาลูกเบี้ยวจะเชื่อมต่อกับเพลาข้อเหวี่ยงด้วยกลไก เพลาข้อเหวี่ยงจะขับเพลาลูกเบี้ยว (ผ่านสายพาน โซ่ หรือเฟืองเพลาลูกเบี้ยว) ซึ่งจะไปควบคุมการทำงานของลิ้นไอดีและไอเสีย ลิ้นเหล่านี้ช่วยให้เครื่องยนต์สามารถดูดอากาศ (หรือส่วนผสมอากาศ/เชื้อเพลิง) เข้าไปและคายไอเสียออกมา

อุปกรณ์ที่ใช้ในการถ่ายทอดกำลังขับที่พบได้บ่อยที่สุดคือสายพานร่องฟันยาง โซ่เพลาลูกเบี้ยวโลหะ หรือชุดเฟือง ฟันของสายพาน/โซ่/เฟืองจะขบเข้ากับทั้งเพลาข้อเหวี่ยงและเพลาลูกเบี้ยว ทำให้การเคลื่อนที่ของทั้งสองถูกประสานกัน

ในเครื่องยนต์ลิ้นเหนือสูบรุ่นเก่าจำนวนมาก เพลาลูกเบี้ยวจะอยู่ในเสื้อสูบใกล้เพลาข้อเหวี่ยง ดังนั้นจึงมักใช้ระบบเฟืองธรรมดาในการขับเพลาลูกเบี้ยว ส่วนเครื่องยนต์เพลาลูกเบี้ยวเหนือสูบส่วนใหญ่จะใช้สายพานหรือโซ่ เนื่องจากเหมาะกับการถ่ายทอดกำลังในระยะทางที่ไกลกว่า สายพานเป็นที่นิยมในรถยนต์ผลิตจำนวนมากจนถึงทศวรรษ 1970 และ 1980 อย่างไรก็ดี ตั้งแต่ทศวรรษ 1990 เป็นต้นมา โซ่ได้รับความนิยมมากขึ้นเนื่องจากไม่ต้องเปลี่ยนบ่อยเท่าสายพาน

 สายพานร่องฟันยาง 
alt=Photo depicting a rubber timing belt with incrementally spaced rubber teeth designed to align with the splines or grooves of crankshaft and camshaft pulleys.|thumb|สายพานร่องฟันยาง หรือที่เรียกว่าสายพานซิงโครนัส เป็นส่วนประกอบสำคัญในเครื่องยนต์สันดาปภายใน ทำจากยางที่ทนทานและมีร่องฟันที่พื้นผิวด้านในซึ่งจะประกบเข้าร่องที่สอดคล้องกันบนรอกเพลาข้อเหวี่ยงและเพลาลูกเบี้ยว ร่องฟันเหล่านี้ช่วยให้เกิดการประสานอย่างแม่นยำระหว่างการหมุนของเพลาข้อเหวี่ยงและเพลาลูกเบี้ยว ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับจังหวะเวลาที่ถูกต้องของลิ้นเครื่องยนต์ที่สัมพันธ์กับการเคลื่อนที่ของลูกสูบ สายพานร่องฟันยาง หรือที่เรียกว่าสายพานซิงโครนัส เป็นส่วนประกอบสำคัญในเครื่องยนต์สันดาปภายใน ทำจากยางที่ทนทานและมีร่องฟันที่พื้นผิวด้านในซึ่งจะประกบเข้าร่องที่สอดคล้องกันบนรอกเพลาข้อเหวี่ยงและเพลาลูกเบี้ยว ร่องฟันเหล่านี้ช่วยให้เกิดการประสานอย่างแม่นยำระหว่างการหมุนของเพลาข้อเหวี่ยงและเพลาลูกเบี้ยว ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับจังหวะเวลาที่ถูกต้องของลิ้นเครื่องยนต์ที่สัมพันธ์กับการเคลื่อนที่ของลูกสูบ
คำว่า "สายพานเพลาลูกเบี้ยว" มักหมายถึงสายพานร่องฟันยาง ข้อดีของสายพานโดยทั่วไปคือมีราคาถูกกว่า มีการสูญเสียจากแรงเสียดทานน้อยกว่า เสียงเบากว่าและโดยปกติแล้วสายพานไม่จำเป็นต้องหล่อลื่น ข้อเสียหลักคือสายพานจะเสื่อมสภาพไปตามกาลเวลา ดังนั้นจึงแนะนำให้เปลี่ยนสายพานตามช่วงเวลาที่กำหนด และมักแนะนำให้เปลี่ยนปั๊มน้ำของเครื่องยนต์ไปพร้อมกันด้วย เนื่องจากปั๊มน้ำก็มีการสึกหรอเช่นกันและสามารถเข้าถึงได้ง่ายในระหว่างการเปลี่ยนสายพาน

สายพานเพลาลูกเบี้ยวโดยทั่วไปจะติดตั้งอยู่ด้านหน้าเครื่องยนต์และมักอยู่หลังฝาครอบเพื่อป้องกันฝุ่นและเศษวัสดุ อย่างไรก็ดี เครื่องยนต์บางรุ่นตั้งแต่ ค.ศ. 2008 ได้ใช้ "สายพานเพลาลูกเบี้ยวแบบเปียก" ซึ่งสายพานจะถูกหล่อลื่นด้วยน้ำมันเครื่องเพื่อลดการสูญเสียจากแรงเสียดทานได้ถึง 30% และลดการสิ้นเปลืองน้ำมันเชื้อเพลิงได้ 1% ในการออกแบบเครื่องยนต์บางแบบ สายพานเพลาลูกเบี้ยวอาจถูกใช้เพื่อขับชิ้นส่วนอื่น ๆ เช่น ปั๊มน้ำและปั๊มน้ำมันเครื่อง

 การผลิต 
สายพานเพลาลูกเบี้ยวโดยทั่วไปผลิตจากยาง แต่บางเส้นก็ทำจากโพลียูรีเทนหรือนีโอพรีน โครงสร้างของสายพานจะเสริมความแข็งแรงด้วยเส้นใยเชือก (ทำหน้าที่เป็นส่วนรับแรงดึง) - "Contrary to what you might think, rubber timing belts do not stretch with accumulated mileage and wear. They are reinforced with strands of fiberglass which makes them virtually unstretchable.  After making the crankshaft to cam drive circuit millions of times, the strands can become brittle and may begin to break.  Eventually the reinforcing cords give way, the belt snaps and the engine quits." และพื้นผิวที่เป็นร่องฟันจะถูกเสริมด้วยผ้าคลุม

ยางจะเสื่อมสภาพเมื่อเจอกับอุณหภูมิที่สูงขึ้นและเมื่อสัมผัสกับน้ำมันเครื่อง ดังนั้นอายุการใช้งานของสายพานเพลาลูกเบี้ยวจะสั้นลงในเครื่องยนต์ที่ร้อนจัดหรือมีน้ำมันรั่ว นอกจากนี้ อายุของเส้นใยเสริมแรงยังได้รับผลกระทบจากน้ำและสารกันเยือกแข็ง จึงเป็นเรื่องสำคัญที่สายพานที่อาจสัมผัสกับน้ำได้ต้องสามารถระบายน้ำออกไปได้อย่างรวดเร็ว

สายพานรุ่นเก่ามีฟันรูปทรงสี่เหลี่ยมคางหมูซึ่งทำให้ฟันสึกหรอในอัตราสูง เทคนิคการผลิตที่ใหม่กว่าช่วยให้มีฟันโค้งที่เงียบกว่าและมีอายุการใช้งานยาวนานกว่า

สายพานเพลาลูกเบี้ยวที่ผลิตตามข้อกำหนดของผู้ผลิตอาจยืดตัวได้ที่รอบสูง ทำให้จังหวะเพลาลูกเบี้ยวและจังหวะการจุดระเบิดล่าช้าไป สายพานหลังการขายที่แข็งแรงกว่าจะไม่ยืดตัวและรักษาจังหวะไว้ได้ ในการออกแบบสายพานเพลาลูกเบี้ยว สายพานที่กว้างขึ้นจะเพิ่มความแข็งแรง แต่สายพานที่แคบลงจะช่วยลดน้ำหนักและแรงเสียดทาน

รูปแบบความล้มเหลวปกติของสายพานเพลาลูกเบี้ยวคือฟันสึก (ซึ่งทำให้เกิดส่วนที่เรียบของสายพานตรงที่เฟืองขับจะลื่นได้) หรือการแยกชั้นและการคลายตัวของแกนเส้นใย การขาดของสายพานเนื่องจากลักษณะของเส้นใยที่มีความต้านทานแรงดึงสูงนั้นพบไม่บ่อย สิ่งที่มักถูกมองข้ามคือเศษผงและสิ่งสกปรกที่ผสมกับน้ำมันและจาระบีสามารถค่อย ๆ กัดกร่อนสายพานและวัสดุต่าง ๆ ทำให้กระบวนการสึกหรอเร็วขึ้น และนำไปสู่ความล้มเหลวของสายพานก่อนกำหนด

 ประวัติศาสตร์ 
สายพานร่องฟันถูกคิดค้นขึ้นในช่วงต้นทศวรรษ 1940 เพื่อใช้ในโรงงานทอผ้า เครื่องยนต์รถยนต์รุ่นแรกที่ทราบว่าใช้สายพานเพลาลูกเบี้ยวคือรถแข่ง Devin-Panhard ปี 1954 ของอเมริกา ซึ่งใช้เครื่องยนต์ที่ดัดแปลงจากแบบก้านกระทุ้งเป็นแบบเพลาลูกเบี้ยวเหนือสูบโดยใช้สายพานร่องฟันที่ผลิตโดยบริษัท Gilmer รถคันนี้ได้รับรางวัลชนะเลิศการแข่งขัน Sports Car Club of America (SCCA) National Championship ใน ค.ศ. 1956

รถยนต์ Glas 1004 ปี 1962 เป็นรถยนต์ที่ผลิตจำนวนมากรุ่นแรกที่ใช้สายพานเพลาลูกเบี้ยว ส่วนเครื่องยนต์ Pontiac OHC Six ปี 1966 เป็นรถยนต์ที่ผลิตจำนวนมากรุ่นแรกของสหรัฐที่ใช้สายพานเพลาลูกเบี้ยว ขณะที่เครื่องยนต์ Fiat Twin Cam ปี 1966 เป็นเครื่องยนต์ที่ผลิตจำนวนมากรุ่นแรกที่ใช้สายพานเพลาลูกเบี้ยวกับเพลาลูกเบี้ยวคู่ ผู้ผลิตรถยนต์เริ่มนำสายพานเพลาลูกเบี้ยวมาใช้ในทศวรรษ 1970 และเมื่อเทียบกับโซ่สายพานเพลาลูกเบี้ยวแล้ว สายพานสายพานเพลาลูกเบี้ยวมีราคาถูกกว่า เล็กกว่า เบากว่า เงียบกว่า สามารถแยกความถี่ของการสั่นสะเทือนของเพลาข้อเหวี่ยงออกจากชุดลิ้นได้ ใช้กำลังน้อยกว่าโซ่ และสามารถทำงานได้โดยไม่ต้องมีน้ำมันหล่อลื่น สายพานเพลาลูกเบี้ยวมักทำจากวัสดุนีโอพรีนหรือ HNBR

 โซ่เพลาลูกเบี้ยว 
โซ่เพลาลูกเบี้ยวโลหะได้กลายเป็นที่แพร่หลายมากขึ้นในเครื่องยนต์รถยนต์ที่ผลิตตั้งแต่ทศวรรษ 1990 เนื่องจากไม่ต้องคอยบำรุงรักษาด้วยการเปลี่ยนสายพานยางเป็นประจำ ขณะที่ตัวโซ่เองสึกหรอน้อยมาก แต่การหล่อลื่นโซ่หรือการชำรุดของตัวดันโซ่และตัวประคองโซ่อาจทำให้เกิดปัญหาในการบำรุงรักษาได้ ตรงกันข้ามกับสายพานที่ทำจากยางซึ่งจะไม่มีสัญญาณเตือนใด ๆ ก่อนที่จะขาดขณะขับรถ อาการแรกเริ่มของระบบโซ่ที่เริ่มสึกหรอนั้นมีอยู่จริง รวมถึงเสียงกระทบกันจากด้านหน้าเครื่องยนต์

เครื่องยนต์ก้านกระทุ้งส่วนใหญ่ ซึ่งเพลาข้อเหวี่ยงและเพลาลูกเบี้ยวอยู่ใกล้กันมาก จะใช้การขับด้วยโซ่แบบสั้นแทนการขับด้วยเฟืองโดยตรง ซึ่งเป็นเพราะการขับด้วยเฟืองจะได้รับผลกระทบจากการกลับทิศทางของแรงบิดบ่อยครั้งในขณะที่ลูกเบี้ยว "ถีบกลับ" ต้านแรงขับจากเพลาข้อเหวี่ยง ซึ่งนำไปสู่เสียงที่ดังและการสึกหรอที่มากเกินไป

 เฟืองเพลาลูกเบี้ยว 
ในเครื่องยนต์ลิ้นเหนือสูบหลายรุ่นจะใช้เฟืองเพลาลูกเบี้ยว เนื่องจากเพลาลูกเบี้ยวอยู่ใกล้เพลาข้อเหวี่ยง

สำหรับเฟืองขับตรงมักใช้เฟืองหุ้มไฟเบอร์หรือไนลอน ซึ่งมีความยืดหยุ่นมากกว่า แทนที่จะใช้เฟืองเหล็ก อย่างไรก็ดี เครื่องยนต์เชิงพาณิชย์และเครื่องยนต์อากาศยานจะใช้แต่เฟืองเหล็กเท่านั้น เนื่องจากวัสดุอื่น ๆ อาจเกิดการชำรุดแบบฉับพลันและไม่มีสัญญาณเตือนล่วงหน้า

 ผลกระทบหากเสียหาย 

ความล้มเหลวของระบบเพลาลูกเบี้ยวจะทำให้เครื่องยนต์ไม่สามารถทำงานได้ รถยนต์สมัยใหม่หลายคันใช้เครื่องยนต์แบบ Interference (เครื่องยนต์ที่ลิ้นและลูกสูบมีโอกาสชนกัน) ซึ่งอาจได้รับความเสียหายร้ายแรงในกรณีที่ระบบเพลาลูกเบี้ยวล้มเหลว เนื่องจากการสูญเสียการประสานระหว่างเพลาข้อเหวี่ยงและเพลาลูกเบี้ยวจะทำให้ ลิ้นไปชนกับลูกสูบ

สัญญาณเตือนว่าโซ่เพลาลูกเบี้ยวจำเป็นต้องเปลี่ยน ได้แก่:

 รถยนต์รุ่นใหม่ที่มี VVT (ลิ้นแปรผัน) จะมีรหัสเครื่องยนต์และไฟเตือนรูปเครื่องยนต์ติดขึ้นก่อนที่จะมีเสียงเครื่องยนต์สั่น
 รถยนต์รุ่นเก่าที่ไม่มี VVT จะเกิดเสียงเครื่องยนต์สั่น

นอกเหนือจากตัวสายพาน/โซ่เองแล้ว ยังพบบ่อยว่าเกิดความเสียหายกับตัวดันโซ่ และ/หรือ เฟืองและรอกกดสายพาน ซึ่งเป็นสาเหตุให้สายพาน/โซ่หลุดออก นอกจากนี้ ในเครื่องยนต์ที่สายพานขับปั๊มน้ำ ความล้มเหลวของปั๊มน้ำอาจทำให้ปั๊มน้ำติดขัด ซึ่งอาจทำให้สายพานหรือโซ่ขาดได้ ด้วยเหตุผลนี้ สายพานและโซ่จึงมักถูกขายเป็นชุดพร้อมปั๊มน้ำ ตัวดันโซ่ และรอกกดสายพาน เพื่อให้สามารถเปลี่ยนชิ้นส่วนเหล่านี้เพื่อป้องกันความล้มเหลวของสายพานหรือโซ่ที่เกิดจากความล้มเหลวของชิ้นส่วนเหล่านั้น

 ดูเพิ่ม 
สายพานกิลเมอร์
รายการอะไหล่รถยนต์
ก้านกระทุ้ง
สายพานเซอร์เพนทีน

อ้างอิง

หมวดหมู่:การขับด้วยสายพาน
หมวดหมู่:ส่วนประกอบเครื่องยนต์
หมวดหมู่:การบำรุงรักษารถยนต์
หมวดหมู่:ระบบส่งกำลังเชิงกล
หมวดหมู่:การซิงโครไนซ์เชิงกล