Розуміння високоефективної технології Valvetrain

Деталі стають легшими, міцнішими та здатними виробляти більше кінських сил, ніж будь-коли раніше. Однією з рушійних сил цих досягнень стало поширення вторинних головок циліндрів, які потребують унікальних компонентів клапанного механізму. Крім того, нові автоматизовані технології проектування, моделювання та виготовлення полегшують та пришвидшують постачальникам деталей клапанного механізму розробку нових деталей за рекордні терміни. Додайте до цього нещодавні досягнення в галузі матеріалознавства та технології нанесення покриттів, і ви побачите, чому у виробників двигунів набагато ширший асортимент виробів із запірної арматури, з яких можна вибирати при побудові двигуна, що працює.

ПОСТАНОВКА КЛАПАНУ НА ДІЄТУ

Вага - це завжди основний фактор, який слід враховувати при виборі окремих компонентів клапанного механізму. Менша вага майже завжди краща, оскільки це зменшує навантаження на пружини клапанів і дозволяє двигуну обертати більше об/хв для більшої потужності.

Кожен грам зменшення ваги в клапані додає двигуну від 35 до 40 об/хв потенціалу. Отже, зменшення ваги на 10 грамів теоретично може додати на 350-400 більше об/хв двигуна без будь-яких інших змін в клапанній системі (ті ж пружини тощо).

Проте якщо компоненти клапанного клапана занадто легкі, це збільшує ризик чогось зігнути або зламати. Отже, вам потрібні максимально легкі деталі, які все ще достатньо міцні, щоб витримувати тиск пружини клапана та об/хв, які буде генерувати двигун.

Одним із способів зменшити вагу є заміна сталевих деталей клапанного механізму на елементи, виготовлені з більш легких матеріалів, таких як алюміній або титан. Сюди входять ковані або алюмінієві коромисла, титанові фіксатори пружинних клапанів, титанові клапани, навіть титанові пружини.

Алюмінієві коромисла, як правило, забезпечують деяке зменшення ваги порівняно із запасом штампованих сталевих коромисел і підвищену довговічність. Більшість із них мають точки опор голкових підшипників та наконечники роликів, щоб мінімізувати тертя та знос. Коли основні сталеві коромисла замінюються алюмінієвими коромислами, той самий коефіцієнт підйому часто додає додаткових 15 до 40 кінських сил лише завдяки зменшенню тертя. Якщо використовується більш високий коефіцієнт підйому, з двигуна можна видавити ще більше потужності, збільшивши ефективний підйом розподільного вала.

Збільшення коефіцієнта підйому додає кінських сил з незначними або відсутніми втратами при крутному моменті з низьким числом обертів, якості холостого ходу або вакуумі. Швидше відкриваючи і закриваючи клапани, двигун подає більше повітря за однакову кількість градусів тривалості клапана. Високо підйомні коромисла також зменшують кількість ходу підйомника, необхідного для відкриття клапанів, що зменшує тертя та інерцію підйомників і штовхачів, які повинні подолати пружини клапанів, щоб закрити клапани.

Проаналізувавши напруження та навантаження на коромисла за допомогою фантазійних комп'ютерних програм (аналіз кінцевих елементів), виробники знаходять нові способи, щоб випустити з ЧПУ ще більшу вагу, не жертвуючи міцністю чи довговічністю. Результат - ще кращий продукт, який витримує вищий тиск пружини та частоту обертання.

Ренді Беккер-молодший з Harland Sharp Custom Speed Parts Mfg. Co., в Стронгсвіллі, Огайо, говорить, що його компанія буде розширювати свою "Діамантову серію" надлегких коромислових озброєнь, додаючи коромисла для невеликих блок-шеві на початку 2007 року. "Ми вийшли з легкими коромислами Diamond Series для великих блоків Chevys приблизно рік тому, і зараз ми пропонуємо те саме для маленьких блоків. Рокери обробляються при 45 ° в місцях з низьким напруженням для видалення 8-10 грам ваги. Рокери серії Diamond будуть доступні у пропорціях запасів та вищих коефіцієнтах. Більшість людей хочуть вищих коефіцієнтів підйому. Я б сказав, що вони перевищують коефіцієнт запасів з перевагою 10 до 1 », - говорить Беккер.

ВАЛОВІ КРОЛІКИ

Ще однією зміною, яка відбувається сьогодні в коромислах, є повернення до шахтних коромисел. У міру підвищення тиску на пружину, коромисла, що кріпляться на шпильках, як правило, згинаються і ламаються. Встановлення шпилькового пояса над коромислами додає додаткову підтримку і жорсткість клапанної магістралі, але також заважає регулюванню клапанів і вимагає більш високих кришок клапанів.

Для порівняння вали, встановлені на валу, міцніші, оскільки вал забезпечує ту саму жорстку опору, що і шпильковий пояс. Вал також утримує коромисла в кращому вирівнюванні, усуваючи необхідність в окремій направляючій пластині для штовхачів. Це зменшує згинання клапана при високих обертах для кращого контролю клапана. Вал може також подавати тиск масла на коромисла для поліпшення змащення та зменшення тертя, трохи знижуючи точку повороту коромисел щодо клапанів та штоків. Покращена геометрія коромисел, встановлених на валу, зменшує тертя між кінчиками важелів і верхньою частиною клапанів, і, як правило, добре для додаткових 15-20 кінських сил без інших змін.

Дейв Гроб з Jesel Inc., Лейквуд, штат Нью-Джерсі, каже, що його компанія цього року додала до своєї номенклатури 50 нових комплектів коромисел. Сюди входять нові додатки для коромисел J2K в стилі балка, рокерів серії Pro, рокерів серії Comp та рокерів Sportsman Series.

Jesel використовує унікальну конструкцію коромисла, яка встановлює коромисла на коротких окремих балках, а не на довгій коромислах. Голкоподібні алюмінієві коромисла встановлюються на оброблюваних сталевих стендах із ЧПУ і доступні в різних зміщеннях та пропорціях підйому до 2,4: 1, які використовуються деякими гонщиками NASCAR та Pro Stock.

"Рокери з високими підйомниками популярні серед багатьох людей, але ми також спостерігаємо тенденцію до зниження коефіцієнта коромисла в деяких випадках. Сьогодні постачальники пружин клапанів пропонують пружини, які можуть доставити до 500 фунтів. закритого тиску в сидінні і 1500 фунтів. відкритого тиску. Отже, використання коромисла з меншим співвідношенням зменшує навантаження на штоки, підйомники та кулачкові лопатки ".

Гроб заявив, що Jesel також представляє два нових сталевих коромисла у своїй лінійці серії Pro, включаючи 4-осьові оброблені легкі сталеві коромисла J25 для застосувань, що вимагають додаткової міцності, та 5-осьові сталеві коромисла J35 з ЧПУ, які спочатку були розроблені для NASCAR. Він каже, що сталеві коромисла насправді легші за багато алюмінієвих коромисел і мають менший момент інерції.

Ще одним новим продуктом Jesel є сталеві підвісні кулачки для двигунів Ford OHC. Перероблені вішалки можна встановити без необхідності знімати розподільні вали.

Для вимогливих до високих температур T&D Machine має нову лінійку легких сталевих коромисел для випускних клапанів. "Це в першу чергу для застосувань на витривалість, де життя від втоми має важливе значення", - сказала Лорен Крек. “Рокери трохи важчі, ніж алюмінієві, але їхні сили обертання приблизно однакові. Рокери доступні в різних пропорціях підйому і можуть використовуватися зі стандартними штовхачами. "

ДЕ ЗНИЖЕННЯ ВАГИ ДОПОМОГАЄ НАЙБІЛЬШЕ

Зменшення ваги коромисел зменшує поршневу масу клапана. Але зниження ваги на стороні клапана коромисел, як правило, більше впливає на потенціал оборотів двигуна, ніж зменшення ваги на стороні штовхача. Ось чому: зміщення коромисла створює ефект важеля, який збільшує економію ваги на стороні клапана на коефіцієнт підйому коромисла. На невеликому блоці Chevy із запасом коромисла 1,5: 1 кожен грам ваги, знятий з боку клапана, коштує 150% будь-якої економії ваги на боці штовхача.

Отже, відрізання 6 грамів ваги з боку клапана клапанної ланцюга за допомогою легких фіксаторів пружин клапана або легших клапанів має такий самий ефект, як різання 4 грамів ваги з підйомників чи штовхачів.

Більш високі частоти обертання вимагають більш жорстких пружин клапанів та/або декількох пружин клапанів, які надають більші навантаження на коромисла, штовхачі, підйомники та кулачкові стулки. Отже, зменшення ваги клапанного клапана означає, що ви можете досягти однакових об/хв з меншим тиском пружини, меншим тертям і меншим зносом.

PUSHROD FLEX

У міру зростання тиску на пружину зростає потреба в більш міцних, жорстких штовхачах, щоб запобігти згинанню штовхачів, як кренделі. Однак деякі виробники двигунів неохоче використовують важчі штоки з товстостіною через незначне збільшення ваги. Як ми вже говорили раніше, вага на стороні клапана коромисел більше впливає на навантаження на клапан і оберти двигуна, ніж вага на стороні штовхача. Отже, незначне збільшення ваги, яке забезпечують важчі штоки з товстостіною, більш ніж компенсується збільшенням надійності та управління клапанами, яке вони забезпечують.

Штовхачі досить гнучкі при високих обертах. Під стробоскопом на машині Spintron деякі штовхачі ведуть себе як полюс стрибня. Коли підйомник піднімається і штовхає штовхач проти коромисла, штовхач злегка відхиляється, коли долає тиск, що чиниться на коромисло пружиною клапана. Коли клапан досягає максимального підйому, відхилення у штовхачі відскакує назад, як пружина, надаючи клапану трохи додаткового поштовху. Це насправді може призвести до того, що клапан відкриється трохи далі, ніж в іншому випадку, збільшуючи підйом клапана трохи більше, ніж очікувалося. У контрольованих умовах це насправді може забезпечити трохи додаткової потужності. Але у більшості випадків відхилення штока створює гармонічні елементи в клапанному механізмі, які порушують синхронізацію та контроль клапана, що спричиняє втрату потужності. Це також збільшує ризик згинання або розбивання штовхача.

Міцність штоків можна збільшити, переключившись на більш товсті стінові трубки (.060 ″, .080 ″, .130 ″ тощо) та/або перейшовши на більший діаметр або конічні штоки. Але на багатьох двигунах розмір штовхачів обмежується напрямними пластинами на головці блоку циліндрів.

Зовсім інший підхід було застосовано компанією Schumann Sales & Service з її новими “біметалевими” алюмінієвими/сталевими штоками. "Натискаючи спеціальну високоміцну трубку з алюмінієвого сплаву всередині стандартного хром-молі ковзана товщиною 0,065, ми робимо шток значно міцнішим і на 30-40 відсотків легшим, ніж аналогічний штовхач із товстої стіни", - сказав Верн Шуман. "Це забезпечує найкраще співвідношення ваги до міцності серед будь-яких штовхачів, що є на ринку".

Спеціальний алюмінієвий сплав, який використовує Шуман, - це запатентована формула з термічною обробкою, яка дозволяє внутрішній трубі підтримувати до 800 psi. Коли оточена зовнішньою хромомолі трубкою, міцність біметалевого штовхача з алюмінію/сталі втричі перевищує міцність стандартного хромомолі.

Ще однією особливістю нового біметалевого штовхача є покращене змащення коромисел. Внутрішня труба має отвір діаметром 0,090 that, що прискорює приплив масла до коромисел. “У звичайних штовхачах внутрішність ніколи не заповнена на 100 відсотків маслом. Всередині завжди знаходиться від 10 до 20 відсотків повітря, а рух вгору-вниз штовхача аерує масло. Наша трубка забезпечує тверду колону нафти прямо від підйомника до коромисла », - сказав Шуман.

Нові біметалеві коромисла будуть доступні в 2007 році для популярних невеликих блоків двигунів Chevy та Ford, із спеціальними довжинами, доступними для інших двигунів. "Наш клієнт використовував ці нові біметалеві штоки, щоб встановити рекорд класу NHRA - 9,82 секунди за чверть милі своїм Мустангом", - сказав Шуман.

ЗАПАЛЬНІШІ КЛАПАНИ, ПЕРСОНИ ТА УТРИМУВАЧІ

Вага на стороні клапана коромисел можна зменшити різними способами. Одним із них є використання впускних і випускних клапанів із штоками меншого діаметру. Іншим є використання клапанів з порожнистими штоками, або якщо ваш клієнт має гроші, встановити легкі титанові клапани та фіксатори пружин клапана. Титанові клапани зазвичай на 40 відсотків легші за сталеві клапани, а титанові фіксатори, як правило, вдвічі менші маси основних сталевих фіксаторів (7 грамів проти 14 грамів).

Одним із компромісів при переході на більш легкі матеріали, такі як титан, для зменшення ваги є те, що титан надзвичайно дорогий і з часом дорожчає. Не кожен може дозволити собі клапани, які коштують 90 доларів США і більше за штуку, або фіксатори, які коштують 170 доларів за комплект.

На титанові наконечники клапанів і стебла часто наносять покриття, особливо в вуличних приміщеннях, для поліпшення мастила та зменшення ризику розростання стовбура. Сталеву вставку можна також приварити або втиснути в наконечник клапана, щоб зменшити знос, або на торці клапана можна застосувати загартовану сталеву кришку. Покриття стовбура можуть бути плазмовим розпилювачем або подібним матеріалом, що зменшує тертя, або тонкоплівковим покриттям, таким як алмазоподібний вуглець (DLC), нітрид титану (TiN) або нітрид хрому (CrN), нанесеним фізичним або хімічним осадженням парів процес. Тонкоплівкові покриття легші, ніж розпилювані, до 4 грамів, і не змінюють допуски настільки сильно. Тверді тонкоплівкові покриття, такі як алмазоподібний вуглець, мають товщину всього 20 мкм, але надзвичайно довговічні.

Хоча титанові клапани можна використовувати з чавунними впускними сидіннями та вихлопними сидіннями з нікелевої сталі, більш дорогі берилієві мідні сидіння забезпечують найкраще охолодження та довговічність. Мідні сидіння з берилію мають жовтий або золотистий вигляд і, як правило, містять близько 2 відсотків берилію (хоча деякі сплави містять лише 0,2-0,6 відсотка берилію).

Сплав проводить тепло краще, ніж сталеві сплави або чавун. Але берилій є токсичним металом, тому слід дотримуватися обережності, щоб не вдихати пил під час обробки сидінь.

Для професійних гонщиків вищого класу додаткові витрати на титан - це лише витрати на ведення бізнесу, і їх спонсори заплатять за це. Але для вуличних гонщиків або гонщиків у суботу ввечері, які оплачують основну частину власних витрат, титан є екзотичною розкішшю - і правила класу часто забороняють використовувати екзотичні матеріали на місцевих брудних трасах, щоб зменшити витрати.

Зараз деякі виробники знову представляють перероблені сталеві деталі як дешевшу альтернативу титану. Сюди входять нові легкі сталеві фіксатори пружинних клапанів, порожнисті клапани з нержавіючої сталі і навіть сталеві вихлопні коромисла.

Кріс Дуглас на конкурсі Cams, Мемфіс, штат Теннессі, заявив, що його компанія щойно представила нову лінійку легких сталевих фіксаторів на виставці SEMA. Вони є дешевшою альтернативою титановим фіксаторам і майже настільки ж легкі.

Клапани з нержавіючої сталі з порожнистим штоком - ще одна доступна альтернатива титановим клапанам. Порожнисті штоки виготовляються шляхом висвердлювання верхніх двох третин штока клапана, мікрополірування внутрішньої частини штока, щоб видалити стояки напруги, і зварювання затверділого наконечника на верхній частині штока. Результат - клапан, який важить на 20-22 відсотки менше, ніж звичайний клапан з нержавіючої сталі.

Зменшення ваги, як правило, добре для 300-350 об/хв без будь-яких інших модифікацій (ті ж пружини, коромисла, штоки тощо). Більше того, клапани настільки ж міцні, як і звичайні клапани в атмосферних двигунах.

Але порожнистий шток може не рекомендуватися для двигунів з турбонаддувом або наддувом, а також для двигунів, підсилених закисом азоту через додаткове нагрівання.

ЗМІНА ВЕСН

Більшу економію ваги можна також отримати, замінивши звичайні пружини клапанів титановими пружинами або пружинами вулика. Як і титанові клапани та фіксатори, титанові пружини дорогі, але забезпечують значну економію ваги. Титан дозволяє пружині не тільки бути в цілому легшою, але використовувати дріт більшого діаметру з меншою кількістю котушок. Це дозволяє титановій пружині справлятися з більшим підйомом клапана без прив'язки котушки.

Знижена маса та інерція титанової пружини збільшують власну частоту пружини для зменшення гармонік при більших об/хв. Титан також має нижчий модуль кручення, ніж сталь, що робить його більш пружним, ніж сталь. Отже, пружини довше утримують тиск і протистоять набору при підвищених температурах. Отже, для двигунів з високою швидкістю обертання титанові пружини пропонують деякі суттєві переваги.

Більш доступною альтернативою для вуличних двигунів та бюджетних гонщиків є сталеві пружини для вуликів. Пружини вулика поступово звужуються до вершини. Це зменшує масу у критичній верхній половині пружини та дозволяє використовувати менший та легший фіксатор пружини. Форма пружини також створює прогресивну швидкість пружини, яка змінює гармоніки пружини і дозволяє їй обробляти більші частоти обертання в багатьох випадках, не відхиляючи і не плаваючи клапан.
Кріс Дуглас заявив, що Competition Cams також додав більше нових програм для пружинних вуликів до своєї товарної лінійки. За його словами, пружини для вуликів можуть збільшити потенціал обертів двигуна від 100 до 1200 об/хв залежно від кулачка, клапана та інших модифікацій двигуна. Максимальна кількість підйому клапана, яку можуть витримати їхні пружини вулика, становить 0,650 дюйма, тому, якщо двигуну потрібно більше підйому, йому знадобляться звичайні подвійні або потрійні пружини.

Пружини вулика були популярні на вулиці, а також для двигунів, що працюють з одноклапанними пружинами. Але деякі гонщики з обережністю використовують їх, оскільки в разі прориву пружини немає запасу міцності. При подвійній або потрійній пружині двигун не буде всмоктувати клапан, якщо пружина вийде з ладу.

Звичайно, регулярні весни теж продовжують вдосконалюватися. Рік Сімко з компанії Elgin Industries, штат Іллінойс, штат Іллінойс, зазначив, що цього року його компанія додала 25 нових додатків для пружинних клапанів. «Наші пружини виготовлені з хромованого кремнію з ванадієм, що покращує здатність пружини зберігати свою жорсткість набагато краще, ніж інші пружини. У нас є як одинарні, так і подвійні пружинні набори, а також деякі нові джерела у стилі вулика ».

ЛІФТЕРИ

На нижньому кінці клапанного клапана підйомники несуть основний тиск, який чинять пружини. Зменшення ваги навантажувачів також корисно для збільшення обертів. Але ще одна хитрість, яка може допомогти високій потужності в двигунах з гідравлічними роликовими навантажувачами, це зменшення відстані, яку проходить поршень всередині підйомників. Зменшення ходу плунжера зменшує насос підйомника при високих оборотах. Кріс Дуглас заявив, що нові роликові підйомники серії R з конкурентоспроможними камерами зменшили ход плунжера саме з цієї причини. Він сказав, що жорсткіші, важчі штоки, як правило, руйнують плунжери підйомника на більш високих швидкостях, тому зменшення ходу плунжера всередині підйомника додає ще 200 до 400 об/хв до верхнього кінця. Дуглас сказав, що нові підйомники будуть доступні на початку 2007 року.

НОВИЙ ОЦІНЮВАЛЬНИЙ ПРОЦЕС

Марк Кемпбелл з Crane Cams, Дейтона-Біч, Флорида, заявив, що нещодавня покупка Crane компанією Mikronite Technologies дозволила їм застосувати новий процес чистової обробки поверхонь до своїх деталей клапанного механізму. Процес схожий на вистрілювання, але виконується в посудині з високою енергією в жорстко контрольованих умовах. Процес Мікроніт стискає поверхню металу і залишає високу поліровану дзеркальну обробку, що значно підвищує міцність деталі.

«Це робить коромисла більш міцними, зменшує знос кулачків і робить пружини клапанів довшими в два-чотири рази. Процес Мікроніт знімає напругу в металі та зменшує тертя ".
Кран також представлятиме новий профіль лопаті розподільного валу в 2007 році для конкурентного використання, що дозволяє двигунам досягати більш високих об/хв, або двигуни з витривалістю, щоб досягти однакових об/хв з меншим тиском пружини. Дуглас сказав, що в типовому спринтерському автомобілі тиск на пружину можна зменшити з 270 фунтів. до 210 фунтів. без втрат об/хв. "Ключем до нашої нової технології розподільного валу є переробка пандусних панелей, щоб зменшити пружинні гармоніки", - сказав Кемпбелл.