niedziela, 29 października 2017

UBI THESAURUS TUUS, UBI COR TUUM

Każdy z nas zapytany o serce motocykla, bez wahania odpowie, że jest nim silnik. Natomiast gdy padnie pytanie o kluczowy podzespół silnika pełniący rolę wiodącą, odpowiedzi nie będą już takie spójne. Moim zdaniem jest to układ korbowo-tłokowy, gdyż to właśnie on przekazuje ciśnienie spalania mieszanki na pozostałe podzespoły przeniesienia napędu motocykla. W większości znanych silników układ korbowo-tłokowy jest zbudowany podobnie i składa się z tych samych elementów czyli tłoka, korbowodu wraz z łożyskami, przeciwwag, lub jak kto woli kół zamachowych i czopów głównych zapewniających podporę wału. Jest to bardzo prosta konstrukcja znana ludzkości pod różnymi postaciami i zastosowaniami chyba już od tysiącleci  np. korba studzienna. Silnik parowy jako pierwszy wykorzystywał ten układ już w 1711 roku a w 1860 układ korbowy znalazł zastosowanie w pierwszym dwusuwowym silniku spalinowym. 
O ile w maszynach parowych układ ten był w stanie przekazać ponad 90%  energii pozyskanej w termodynamicznym procesie rozprężania pary, o tyle silnik spalinowy nie był tak wydajny nawet w połowie. Ten stan rzeczy zachował się do dziś i pomimo komplikowania konstrukcji, wydajność silnika spalinowego nie przekracza obecnie 45 %. Czemu się tak dzieje? Jest to spowodowane osiąganiem maksymalnego ciśnienia spalania mieszanki zaraz po przekroczeniu GMP (górnego martwego punktu) wtedy, gdy korbowód jest tylko nieco odchylony od pionowej osi silnika (przebiegającej przez środek cylindra). Z tej przyczyny prawie 70% energii ze spalania jest marnotrawione na przede wszystkim odkształcenia materiałowe, w drugiej kolejności zaś  ciepło i tarcie. Obrazowo przypomina to wbijanie gwoździa w stalowe kowadło, o tyle, że gwóźdź ten nie ulega skrzywieniu (nie przekracza granicy plastyczności). Obciążenia te wraz z wciąż wzrastająca mocą silników wymuszają na konstruktorach konieczność usztywnienia opisywanego układu, co zazwyczaj idzie w parze ze wzrostem masy. Od strony teoretycznej rozwiązanie tego problemu jest dość proste, gdyż wystarczy przesunąć maksymalne ciśnienie spalania w okolicę 90 stopni położenia wału od GMP. W tym położeniu większość ciśnienia zostanie spożytkowana na pracę.  Technicznie jest to o wiele bardziej skomplikowane, ale nie niewykonalne i powstała już prototypowa konstrukcja polskiego inżyniera Zbigniewa Stańca: tłokowy silnik spalinowy z "wędrującą komorą spalania". Więcej do poczytania na ten temat tutaj
Bardziej przystępne i mniej skomplikowane metody poprawienia efektywności wykorzystania ciśnienia spalania dostępne bez przeprowadzenia długoletnich badań, a zarazem dające się zastosować do pojazdów zabytkowych i klasycznych, to głównie zmiany w komorze spalania. Możemy to uzyskać poprzez poprawienie jej kształtu i podniesienie stopnia sprężania, o czym pisałem już w kilku poprzednich postach. Niebagatelną rolę pełni też skok tłoka, gdyż w silnikach długoskokowych proces spalania mieszanki jest pełniejszy a dodatkowo silnik długoskokowy zawsze dysponuje mniejszą i bardziej zwartą komorą spalania w porównaniu do silnika krótkoskokowego o tej samej pojemności. W silniku długoskowowym łatwiej też uzyskać dobre proporcje geometryczne dla tego układu.

Tyle tytułem wstępu, przejdźmy do konkretów. Jakiś czas temu stałem się właścicielem kultowego motocykla SHL Gazela z czterobiegowym silnikiem Wiatr. Cała konstrukcja, a w szczególności sinik opierały się na nowoczesnych, jak na owe czasy, technologiach i rozwiązaniach. Lecz niestety, jak głosi obiegowa opinia, motocykle okazały się dość awaryjne, głownie za sprawą 12V instalacji i zapłonu bateryjnego. Jakość pozostałych elementów, głównie w silniku, również pozostawiała wiele do życzenia. Restaurowanie motocykla zacząłem od remontu silnika a na pierwszy ogień poszedł wał korbowy. Po rozłożeniu go okazało się, że po dawnych wciskach montażowych nie ma już śladu, a technologia produkcji tego wału utrudnia jego właściwa regenerację. Fabrycznie wał został złożony a w następnej kolejności szlifowano czopy główne pod wymiar łożysk w celu zminimalizowania jego niecentryczności. Próby naprawy oryginalnego wału skończyły się fiaskiem ze względu na bardzo niskiej jakości i małej twardości materiał użyty do jego produkcji. Stanąłem przed wyzwaniem wykonania nowych przeciwwag. Zdawałem sobie sprawę z tego, że dokładne ich wykonanie może przebiegać jedynie przy pomocy tokarki. Dlatego po wykonaniu odpowiednich przyrządów, doborze odpowiedniej stali stopowej na przeciwwagi i wykonaniu nowych czopów głównych mogłem przystąpić do prac.   Potrzebowałem jeszcze parametrów dotyczących wyważenie tego wału oraz nowego, mocniejszego zestawu naprawczego korbowodu pochodzącego z Yamahy YZ250. 
W pierwszej kolejności surowe krążki materiału uzyskały kształt przeciwwag i zostały w nich wykonane otwory pod czopy główne. Po złożeniu przeciwwag na zastępczym czopie mogłem wykonać otwór pod czop korbowy, kieszenie stopy korbowej oraz otwory wyważające wał. 

Otwór pod czop korbowy został wstępnie wytoczony a następnie przehonowany, aby uzyskać odpowiedni wcisk. 




Każdy etap prac łączy się z serią pomiarów sprawdzających w celu uzyskania jak największej dokładności wykonania.



Tutaj wał wykonany "na gotowo" jeszcze przed złożeniem.


Aby zwiększyć zdolność do przenoszenia obciążeń czop sprzęgłowy został wyposażony we wpust czółenkowy. 


Aby uniknąć zbędnego centrowania po złożeniu wału, wykonałem osiowo otwory wyważające, które posłużyły jako prowadzenie dla drugiej przeciwwagi.  


Otwory wyważające, ich średnica i umiejscowienie zostały dobrane tak, aby uzyskać właściwe procentowe wyważenie po wciśnięciu wypełniaczy.


Składanie wału przy pomocy sworzni prowadzących.


Dzięki wypełniaczom w otworach wyważających wał nie będzie generował przestrzeni szkodliwej w komorze korbowej. 



Wał po wciśnięciu miał od razu bardzo niskie bicie 0,02 i 0,05, po centrowaniu 0,025 i 0,035. Z pewności udałoby się wykonać go z mniejsza niecentrycznością, gdyby nie próba zachowania norm febrycznych dotyczących wcisku ponad 0,1mm. Pierwotnie otwory na czop korbowy miały taki właśnie wcisk, lecz próba wciśnięcia czopa zakończyła się "zaciągnięciem" materiału. Po rozłożeniu i pomniejszeniu wcisku wał złożył się już bez przeszkód. 


Tak duże wciski stosowane przez fabrykę w Nowej Dębie były efektem zastosowania bardzo miękkiego i plastycznego materiału, który w założeniu miał się ułożyć i utwardzić po montażu czopa. W efekcie fabryczne przeciwwagi nadają się jedynie do jednokrotnej regeneracji, przy ponownych tracą właściwe parametry wcisku. 


Wał ten ma dużo większą sztywność ze względu na zastosowanie dużo lepszych materiałów. Przy okazji wydłużyłem nieco skok, gdyż przy oryginalnym skoku okna rozrządu nie były całkowicie odsłonięte przez tłok. 



Wykonaniu tego wału pozwoliło mi na zebranie doświadczeń i wykonanie oprzyrządowania w celu wykonywania w przyszłości tego typu wałów do większych silników. Obecnie mogę wykonywać wały o pewnej gamie skoków i średnic z dużo lepszych materiałów niż te spotykane w większości klasyków. W najbliższych planach jest wykonanie przeciwwag do SHL M11W oraz MZ ES 250/2 o wydłużonym skoku. Dzięki posiadanemu oprzyrządowaniu mogę również precyzyjnie modyfikować fabryczne przeciwwagi w celu wydłużenia skoku wału. 

3 komentarze:

  1. Jaki bylby koszt wykonania walu do silnika 060?

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Również jestem zainteresowany wałem do silnika 060 oraz 059. proszę o informację co do kosztów.

      Usuń
    2. Proszę o wiadomość cyclonemotorbartosinski@gmail.com

      Usuń