EKSTREMALNE PRACE EKSPERYMENTALNE

Stali czytelnicy bloga pamiętają zapewne wpis dotyczący wykonania nowego wału do silnika SHL Gazela (czytaj tutaj), udało mi się wówczas wykonać wał korbowy z dużo lepszej i twardszej niż fabryczna stali chromo-niklowej z dobrą dokładnością około 0,02-0,03 mm  .  Ta poprzednia metoda była jednak bardzo pracochłonna i wymagała wykonania aż czterech par osiowych otworów w przeciwwagach, z których to dwa otwory wyważające służyły jako otwory ustalające przy obróbce oraz prowadzące przy składaniu wału. Dzięki tym dwóm dodatkowym otworom wał po złożeniu go na prasie nie wymagał już centrowania. Poprzednia metoda absolutnie nie nadawała się do naprawy starych fabrycznych wałów korbowych a także była obarczona ryzykiem nieosiowego osadzenia czopa głównego, tzn. jeśli podczas wciskania czopa nastąpiło zaciągnięcie materiału (np. w wyniku zbyt dużego wcisku) i wadliwe osadzenie czopa głównego, przeciwwagi nie nadawałyby się już zazwyczaj do użytku. 

Nowa opracowana przeze mnie metoda pozwala zarówno na wykonywanie z dużą dokładnością nowych wałów korbowych, jak i naprawę starych fabrycznych przeciwwag przy pomocy nadwymiarowych czopów korbowych. Tak więc jest możliwe naprawienie wału korbowego od SHL M11, M11W, SHL Gazela, które mają czop korbowy o średnicy ok. 21,2 mm przy pomocy dobrej jakości zestawu korbowodowego od WSK 175 firmy Duells, który ma czop korbowy o średnicy 22 mm. Nieco większa średnica czopa pozwala dodatkowo nieznacznie zwiększyć skok tłoka, tak aby kanały płuczące w DMP były całkowicie odsłonięte, co w silnikach czterobiegowych Wiatr nie jest regułą. Metoda ta wymaga jednak dokładnego splanowania powierzchni czołowych wału metodą w nakiełkach. Wykonanie nowego uniwersalnego przyrządu do wałów wymagało ode mnie sporego nakładu czasowego i być może nie miałoby to większego sensu, gdyby nie przyświecający mi cel. Dążyłem do zebrania doświadczeń i wypracowania metodologii wykonywania wałów, aby móc bez przeszkód wykonywać wały do moich silników na bazie Sokoła 1000 (czytaj tutaj), tak aby nie ograniczał mnie skok tłoka ani wielkość przeciwwag oraz sposób osadzenia czopa korbowego. Przy pomocy tej metody możliwe jest również wykonanie przeciwwag łączonych za pomocą stożków, tak jak to było w oryginalnym silniku Sokoła 1000 jak również w silnikach Indian i Harley. Wykonanie osiowych otworów jest zawsze najtrudniejszym etapem w przypadku wykonania nowych przeciwwag. Po procesie obróbki takie przeciwwagi należy jeszcze wyważyć, a odbywa się to zazwyczaj przy pomocy zastępczego czopa korbowego, który posiada tą samą masę co właściwy czop, ale ma nieco mniejszą średnicę. Reasumując, zdecydowanie łatwiejszą czynnością jest tutaj wyważanie, choć i ono zajmuje sporo czasu. 

Poniżej widoczne zdjęcia i filmy przedstawiające naprawę dwóch wałów: jeden z nich to SHL M11W, drugi to WSK 175 silnik 060. 

Pierwszy z nich naprawiałem przy pomocy frezarki i precyzyjnego wytaczadła, drugi natomiast za pomocą tokarki. Już w poprzedniej metodzie bardziej słuszne wydawało mi się użycie tokarki i tym razem potwierdziły się moje poprzednie spostrzeżenia, że frezarka (pomimo dokładnego ustawienia i wykasowania zbędnych luzów) jest mniej użyteczna przy wykonywaniu tego typu prac.

Wytaczanie otworu pod czop korbowy większej średnicy w wale SHL M11W, którego skok został powiększony do 60 mm.

Podczas naprawy przeciwwag miałem kilka przemyśleń dotyczących wykonywania tych wałów. Były one składane metodą na chybił-trafił i wstępnie centrowane, a ostateczne scentrowanie czopów uzyskiwano przy pomocy szlifowania wykańczającego. Dlatego nie przejmowano się wówczas specjalnie materiałem, z którego zostały wykonane przeciwwagi. Podczas obróbki otworów okazało się, że materiał przeciwwag jest tak miękki, ze w tempie błyskawicznym tępi noże ze spieków i dopiero zastosowanie ze stali szybkotnącej pozwoliło na ich obróbkę. 

Dodatkowym problemem okazała się niejednorodność materiału przeciwwag oraz różnice w twardości pomiędzy poszczególnymi fragmentami otworu, co powodowało dużą chropowatość obróbki do chwili zmiany noża. 

Metoda naprawy przeciwwag przy pomocy tokarki wydaje się bardziej trafna i precyzyjniejsza, choć jest z pewnością bardziej ryzykowna z uwagi na duże masy wirujące i niecentryczne osadzenie przeciwwagi w przyrządzie. 

Widoczna na filmie obróbka przeciwwagi przy pomocy tokarki.

Oryginalne miękkie przeciwwagi wymagają zastosowania większych wcisków niż w przypadku przeciwwag wykonanych z materiałów dobrej jakości. Niestety niejednorodności materiałowe oryginalnych przeciwwag powodują często nieprzewidywalne zachowanie się czopa korbowego podczas składania przeciwwag, co jest przyczyna późniejszych kłopotów z precyzyjnym wycentrowaniem takiego wału. Mnie udało się wycentrować naprawiane wały z dokładnością około 0,03 mm. co jest wartością mieszczącą się w ogólno przyjętej normie. 

Przeglądając ogłoszenia dotyczące naprawy wałów można zauważyć że, usługodawcy często chwalą się doskonałymi wynikami centrowania wałów (do 0,01 mm). Zważywszy na moje doświadczenia z kilkoma wałami produkcji Nowej Dęby zachodzę w głowę jak im się to udaje, tym bardziej, że wały te regenerowane są po raz wtóry i często widać na nich ślady niefachowego demontażu przy pomocy młotka. Jak u licha im się to udaje?  Pytanie pozostawiam bez odpowiedzi. 

Film pokazuje bicie otworu wału korbowego po wielokrotnym niefachowym demontażu. Wahania czujnika (0,2mm) pokazują niecentryczność otworu czopa korbowego jednej przeciwwagi względem drugiej, gdzie wartość nieosiowości sięga 0,1mm. 

„THE THEORY OF EVOLUTION” in technology by William S.Harley

Historia firmy rozpoczęła się oficjalnie w 1903 roku kiedy to 23-letni William Sylwester Harley, przyszły inżynier, oraz dwaj bracia Davidson: Walter i serdeczny przyjaciel Williama Arthur, pokazali światu pierwsze motocykle marki Harley-Davidson. 

Były to proste jednocylindrowe maszyny konstrukcją przypominające rowery z silnikiem i pierwszy rok działalności zamknął się na wyprodukowaniu trzech egzemplarzy. Początkowe lata działalności przypadły w okresie wzmożonej fascynacji motoryzacją i zaowocowały dynamicznym rozwojem firmy. Po 6 latach działalności firma zatrudniała już 35 pracowników i produkowała ponad 1000 motocykli rocznie. Do rozwoju firmy bezsprzecznie przyczynił się opatentowany w 1907 roku pierwszy górno-dolny (IoE) z podciśnieniowym zaworem ssącym V-Twin, dzięki któremu po niespełna kilku latach produkcja wzrosła do niebagatelnej liczby 3200 motocykli rocznie. Już w pierwszych latach działalności firmy można było zauważyć pewien trend polegający na stopniowym ulepszaniu konstrukcji, który z czasem stał się niejako mottem i taktyką działania marki H-D. Przykładem może być już pierwszy V-twin, który rozpoczynał swoją karierę jako prymitywna konstrukcja górno-dolna z podciśnieniowym zaworem ssącym cechująca się mocą niespełna kilku koni mechanicznych. Gdy po 20 latach zamykano produkcję tego modelu był to już dość zaawansowany silnik JDH 1200 z dwoma wałkami rozrządu dysponujący mocą 29 KM przy 4000 rpm w wersji cywilnej, a w wersji wyścigowej nawet 50 KM przy niebagatelnej jak na owe czasy prędkości obrotowej 5000 rpm . Pewna anegdota mówi, że gdy najsłynniejsza jednostka patrolowa amerykańskiej policji California Highway Patrol została wyposażona w nowe dolnozaworowe modele VL, motocykle te spotkały się z chłodnym przyjęciem a policjanci jednogłośnie oświadczyli, że jeśli firma nie zrobi czegoś z osiągami nowego motocykla to jedynym wyjściem będzie przywrócenie sprawdzonego modelu JDH.

Firma H-D, a w szczególności dział projektowy pod przewodnictwem Williama w miarę powstawania nowych konstrukcji wypracował wspomnianą wcześniej strategię działania, którą to firma kieruje się aż do dnia dzisiejszego. Polega ona na produkcji stopniowo modernizowanego modelu aż do wyczerpania możliwości konstrukcyjnych oraz wprowadzeniu nowego modelu, który mocno nawiązuje do swojego poprzednika. Dzięki temu schematowi postępowania mamy rodzinę silników Sportstera, której początki sięgają do roku 1930. Inny długowieczny model silnika to tzw. Big Twin, którego tryumfalny pochód trwał od roku 1936 do 1998 i zakończył się wraz ze schyłkiem produkcji silnika Evolution. Warto nadmienić, że silniki Big Twin stały się ulubioną konstrukcją firm tuningowych takich jak S&S, Delkron, Merch Performance i STD Development. 

Historia rodziny silników Big Twin rozpoczęła się oficjalnie w roku 1936, lecz na deskach kreślarskich projekt zagościł odpowiednio wcześniej. Ten moment w historii firmy jest dobrze ukazany w serialu "Harley and the Davidsons", kiedy to główny inżynier podejmuje tytaniczne wyzwanie wprowadzenia nowoczesnego i ekskluzywnego modelu górnozaworowego o pojemności 1000 ccm. Zważywszy na sytuację gospodarczą w kraju i trwające jeszcze skutki kryzysu, był to krok dość ryzykowny, lecz wbrew ponurym wizjom pomysł wypalił na dalsze 60 lat. 

Jak zatem przebiegała ewolucja tego modelu? 

Jako pierwszy BigTwin został zaprojektowany silnik górnozaworowy OHV z charakterystycznym jednym wałkiem rozrządu i pięknie ukształtowana pokrywą rozrządu. Silnik został wyposażony w głowice i cylindry z żeliwa, a klawiatury osadzono w charakterystycznych, przypominających pięść obudowach z aluminium. 

Charakterystyczną cecha tego silnika, która nie miała się już nigdy pojawić w kolejnych wcieleniach Big-Twina, była dbałość o jak najlepszą pracę układu rozrządu. Tylko w modelu Knucklehead spotkamy dźwigienki zaworowe o czterech długościach, ten zabieg konstrukcyjny pozwalał na najbardziej korzystny kąt natarcia popychacza na laskę popychacza i dźwigienkę zaworową. Dzięki temu współpraca tych trzech elementów odbywała się nieomalże bez szkodliwych ugięć i strat na precyzji pracy rozrządu. Niestety budowa tego silnika nosiła sporo znamion przedwojennej filozofii konstruowania. Tak więc mamy tam sporo zewnętrznych elementów jak na przykład zewnętrzne smarowanie głowic silnika, powodujące nagminnie uciążliwe wycieki. Ponadto w pierwszych latach produkcji montowano bardzo mało wydajną pompę, która jednak z czasem rozwoju konstrukcji ewoluowała w kierunku poprawy wydajności. Znajdziemy tutaj też dzielony czop rozrządu charakteryzujący się tym, ze część zdejmowana wykonano z jednolitego materiału wraz z zębatką napędową pompy oleju i zębatką napędową rozrządu. Dość szybko zrezygnowano z tego nietechnologicznego rozwiązania, zastępując go stałym, długim czopem z demontowalnymi zębatkami rozrządu i pompy oleju. Silnik ten natomiast posiadał bardzo rozbudowany układ odpowietrzenia. 

Biuro konstrukcyjne firmy prawdopodobnie dość szybko dostrzegło bolączki tego stylistycznie pięknego silnika, lecz trwająca wojna nie pozwalała na wdrożenie całkowicie nowej konstrukcji. Dlatego dopiero w 1948 roku Harley wprowadził nową linię silników Big Twin o nazwie Panhead.

 Wraz z wprowadzeniem tego modelu zniwelowano bardzo wiele wad poprzednika, a krokiem w nowoczesność były hydraulicznie regulowane luzy zaworowe, co sprawiało, że praca silnika była bardzo cicha a jego kultura pracy na dużo wyższym poziomie. Jednak pomimo jego, na pierwszy rzut oka, całkowicie nowego wyglądu, Panhead 48 odziedziczył wiele elementów po swoim poprzedniku. Była to mianowicie dość wydajna, ale jeszcze nie doskonała pompa oleju, łożyskowanie wału korbowego oraz dość hałaśliwe mocowanie zębatki napędowej rozrządu na wielowypuście. 

Całkowicie nowe natomiast były aluminiowe głowice przykryte pokrywami wytłoczonymi z blachy nierdzewnej oraz łożyskowanie ślizgowe w półpanewkach dźwigienek zaworowych. Ciekawostką jest umiejscowienie hydraulicznych samoregulatorów luzu zaworowego, mianowicie do 1952 roku fabryka montowała je w lasce popychacza na styku z dźwigienką zaworową, było to niefortunne umiejscowienie z uwagi na nikłą ilość oleju, który finalnie docierał do najdalej położonego w układzie smarowanie samoregulatora. 

W 1953 poprawiono to rozwiązanie przenosząc samoregulatory do popychaczy umiejscowionych w żeliwnych korpusach w bloku silnika. 

Szukano również optymalnego rozwiązania dla układu smarowania wraz z pompą oleju. Można przyjąć, że do połowy 1954 roku stosowano pompę wywodząca się w prostej linii z konstrukcji Knucklehead’a a następnie wprowadzono pompę z tłoczkowym zaworem sterującym, która po zmianach była z powodzeniem stosowana aż do 1998 roku. 

Modernizacjom nie oparł się również układ rozrządu silnika, który w początkowych sześciu latach Panhead’a był tożsamy z rozwiązaniami Knuckleheada a w 1954 roku wprowadzono nowy sposób mocowania zębatki napędowej rozrządu na stożku (zamiast wielowpustu), co zmniejszyło hałaśliwość i poprawiło precyzję działania tego mechanizmu. Pod koniec produkcji tego modelu aby zmniejszyć temperaturę oleju wprowadzono zewnętrzne smarowanie głowic a w celu poprawy mocy większe zawory ssące. Przełomowym dla Panhead’a był ostatni rok produkcji (1965) kiedy to motocykl w modelu Electra Glide został wyposażony w rozrusznik elektryczny i 12 V instalację. Model Panhead przechodził również wiele zmian karoseryjno-nadwoziowych i jako pierwszy posiadał przednie zawieszenie teleskopowe a po zmianie ramy w 1958 roku zastosowano wahaczowe zawieszenie tylnego koła. Bez wątpienia Panhead był najczęściej i najbardziej udoskonalanym modelem Harleya, a przy tym utrzymał się w produkcji 17 lat będąc protoplasta kolejnej serii motocykli o nazwie Shovelhead, które jeszcze przez 3 lata były zmodernizowaną o tylko i wyłącznie cylindry i głowice wersją Panheada 1965. 

Pretekstem do napisania historii modernizacji była odbudowa silnika Panhead z 1948 roku. Jak wcześniej napisałem, silnik ten był produkowany z niewielkimi zmianami od 1948 do 1952 roku i jego konstrukcja była mocno zbliżona do swojego protoplasty Knucklehead’a 1947. Jak można zauważyć w moich poprzednich wpisach, staram się poprawić i nieco unowocześnić każdą konstrukcję remontowanego silnika dlatego i ten silnik poddałem drobnym modyfikacjom. Tak więc podczas jego odbudowy starałem się tchnąć w jego wnętrze najlepsze rozwiązania z późniejszych lat produkcji, które nie są widoczne na zewnątrz silnika tak, aby nie zakłócić jego oryginalnego wyglądu. 

Silnik ma charakterystyczny dla tego roku blok bez „studzienki” doprowadzającej olej do korpusów popychaczy i doskonale widoczną pokrywę rozrządu z ośmioma żeberkami znaną jeszcze z Knucklehead’a. Aby zniwelować słabe punkty wczesnego Panhead’a wyposażyłem ten silnik w łożysko igiełkowe walka rozrządu, wzmocnione łożyska główne wału korbowego z późniejszych modeli oraz czop rozrządowy wału z zębatka mocowaną za pośrednictwem stożka czyli tak, jak w modelu z roku 1954. Dzięki nowszej konstrukcji czopa mogłem zastosować również szybsze przełożenie napędowe pompy oleju, co zwiększyło o 20% jej wydajność. Silnik został również wyposażony w późniejszą żeliwną pompę oleju po 1954, dzięki której dawka oleju na łożysko korbowe i gładzie cylindrowe zwiększyła się dwukrotnie. 

Za każdym razem gdy remontuję silnik, niekłamany zachwyt wzbudza we mnie precyzja wykonania wałów korbowych we wczesnych modelach Harley’a. Do tej grupy należy również Panhead i wczesny Shovelhead, których to wały korbowe niejednokrotnie udawało mi się złożyć poniżej tolerancji fabrycznej, która zakłada 0,025 mm nieosiowości (bicia) na stronę. Ten konkretny wał, po wcześniejszym wyważeniu, udało mi się wycentrować z tolerancją 0,01 mm na stronę a i tak nie jest to najlepszy wynik w tej grupie wałów. Należy nadmienić, że jest to jeden z większych i cięższych wałów stosowanych we wszystkich modelach Harleya i wazy ponad 21 kg przy średnicy przeciwwag wynoszącej około 220 mm. Dla porównania, o czym już kiedyś wspominałem, współczesne modele Harleya charakteryzują się biciem na stronę nawet nieco ponad 0,1 mm, co często prowadzi do uszkodzeń pomp oleju. 

Silnik Panhead z 1948 roku jest wyjątkowy ze względu na spore powinowactwo do ostatnich modeli Knucklehead’a. Podobnie jest z karoserią i układem jezdnym tego motocykla, która ma sporo cech wspólnych ze swoim poprzednikiem. W 1948 roku skończyła się pewna epoka stylistyczna i konstrukcyjna w firmie Harley. Wraz z pierwszym rokiem modelu Panhead na wiele dziesięcioleci zapomniano o przednim zawieszeniu typu Springer i pięknych charakterystycznych błotnikach nawiązujących do przedwojennych modeli Harleya budowanych w stylu Art-Deco. 

FALCO PEREGRINUS - Nowa era Sokoła

Sokół wędrowny to ptak drapieżny należący do rodziny sokołowatych (Falconidae). Jest najszybszym ptakiem na ziemi - w locie nurkowym osiąga prędkość niemal 400 km/h. Kiedy pojawia się na niebie, pozostałe ptaki wpadają w panikę. 

Zapewne każdy miłośnik dwóch kółek w Polsce spotkał się choć raz z legendą marki Sokół. Legenda ta budowała się w przedwojennej Polsce w oparciu o konstrukcję kilku typów motocykli. Jako pierwszy postał CWS M-55 i można powiedzieć, że nie wyszedł on poza fazę prototypu a z liczby wyprodukowanych egzemplarzy (nieco ponad 200) można wnioskować, że był obarczony sporą liczbą wad konstrukcyjnych. Producent motocykla PZInż dostrzegł w tym motocyklu duży potencjał, dlatego postanowiono go całkowicie zmodernizować uwalniając go od fabrycznych wad i bolączek. I tak powstał dobrze nam znany CWS M111 w końcowych latach produkcji nazwany Sokołem 1000. Był to motocykl produkowany głównie na potrzeby służb mundurowych oraz poczty i pierwotnie nie był przewidziany w obrocie cywilnym. Powstałą lukę zapewniał Sokół 600 RT. Były jeszcze inne mniejsze modele z dwusuwowymi silnikami, ale nie zamierzam rozwijać wątku historycznego, gdyż w sieci dostępnych jest wiele publikacji na ten temat. Można powiedzieć, że produkcja motocykli w PZInż została przerwana wraz z wybuchem II wojny światowej a motocykle czterosuwowe nie doczekały się powojennej kontynuacji. Warto by zastanowić się jak wyglądałyby kolejne wcielenia Sokoła, gdyby PZInż wznowiły powojenną produkcję. Z pewnością fabryka kierunkowałaby swoje działania stawiając sobie za cel produkcję nowoczesnych górnozaworowych jednostek. Już przed wojną powstał prototyp górnozaworowego Sokoła 500 będącego rozwinięciem dolnozaworowej jednostki 600 RT. Myślę, że podobnie stałoby się z największymi w asortymencie CWS Sokołami 1000. Przed wojną podjęto udana próbę założenia silnika Japp 1000 do podwozia Sokoła 1000 i w ten sposób postał motocykl, który w 1932 roku ustanowił nieoficjalny rekord prędkości przekraczając 180 km/h. Nigdy nie doszło do ustanowienia oficjalnego rekordu prędkości, gdyż zarząd PZInż zabronił oficjalnych prób ze względu na brak polskiego silnika. Myśląc o tej historii chyba większość z nas odczuwa niedosyt i żal z powodu braku kontynuacji tak pięknie rozpoczętej historii polskiej motoryzacji. Myśl o niedokończonej karcie w tej historii nie daje mi spokoju od dłuższego czasu. Ostatnimi czasy pojawiły się możliwości zmiany tego stanu rzeczy. Jakieś trzy lata temu w pierwszej kolejności narodził się pomysł aby zbudować kontynuację silnika Sokoła 1000 ściśle nawiązującą do protoplasty. Z racji tego, że protoplasta czyli silnik Sokoła 1000 jest konstrukcją zbliżoną (choć nie identyczną) do jednostki napędowej dobrze mi znanych motocykli Indian, logicznym wydawało mi się, aby stworzyć hybrydę Sokoła z górnozaworowymi głowicami wywodzącymi się z Indiana. Głowice te zaprojektował w latach 30-tych inżynier pracujący dla firmy Indian Albert Crocker. Były one używane głównie w sporcie. Była to dość prymitywna odkryto-zaworowa konstrukcja lecz pomimo słabego użebrowania krył się w niej spory potencjał mocy. Głowice te posiadały bardzo nowoczesne jak na owe czasy hemisferyczne komory spalania i zawory rozstawione pod kątem 90 st. Pozwalało to na efektywną wymianę ładunku i możliwą do uzyskania krótkotrwałą moc około 55-60 hp. Z czasem zacząłem powoli pomysł wcielać w życie a na chwilę obecną mam wykrystalizowaną w szczegółach koncepcję tego silnika. Przymiarki do oryginalnego bloku Sokoła ukazały uniwersalność tej konstrukcji i możliwości rozszerzenia palety oferowanych silników o jednostkę dolnozaworową oraz dość nowoczesną osadzona konstrukcyjnie w latach 80-tych konstrukcję górnozaworową z pokrywami zaworów. Tym sposobem zamierzam skonstruować 3 typy silników, z których każdy zachowa charakterystyczny wygląd swojego protoplasty Sokoła 1000. Chciałbym podkreślić, że silniki te nie będą miały nic wspólnego ze współczesnymi replikami silników Harley lub Indian i będzie to moja autorska konstrukcja, lecz ze względów na ograniczenia budżetowe zmuszony jestem użyć niektórych dostępnych na rynku podzespołów tych marek. Należy podkreślić, że konstrukcja Sokoła pomimo widocznych podobieństw do Indian’a znacznie odbiegała od swojego pierwowzoru. Przede wszystkim silnik Sokoła charakteryzuje kąt rozwarcia cylindrów 45 stopni (Indian ma cylindry rozwarte pod kątem 42 stopni), Sokół dysponuje dużo krótszym skokiem około 90mm i większą średnica cylindra. Podobnie sprawa ma się z konstrukcją bloku silnika, który znacznie przewyższa jakością materiałów swojego protoplastę a mocniejsze podpory wałków rozrządu oraz grubsze ścianki bloku silnika świadczą o chęci wzmocnienia filigranowej konstrukcji Indiana. Sokół charakteryzuje się również nieco zmieniona konstrukcją wału korbowego o znacznie wzmocnionych stożkach czopa. Krótko mówiąc polscy inżynierowie wykonali dobrą robotę, która w zamierzeniu miała zdecydowanie przewyższyć parametry konstrukcyjne silnika Indiana. Po wnikliwym porównaniu obydwu konstrukcji Sokoła i Indiana mogę śmiało powiedzieć, że inżynierowie z PZInż w cuglach wykonali swoje zadanie i stworzyli trwałą i rozwojową konstrukcję z dużym potencjałem na przyszłość. 

A oto moje wstępne założenia konstrukcyjne silników. 

Sokół Bonneville 1300 

Będzie to silnik o wybitnie długim skoku skonstruowany w oparciu o cylindry i głowice silnika Indian Chief 1200. Silnik o skoku 122 mm i średnicy tłoka 81 mm będzie generował moc około 50 hp a jego rozrząd będzie oparty o dwa wałki rozrządu napędzane zębatkami o zębach prostych. Silnik ten będzie wyposażony w obieg oleju oparty o zaprojektowane przeze mnie współczesne pompy wyposażone w trochoidalne zębatki pomp charakteryzujące się dużą wydajnością i ciśnieniem. To rozwiązanie techniczne pomp pozwala na zastosowanie w silniku dysz natryskujących olej na denka tłoków, dzięki czemu łatwiej będzie utrzymać dobre warunki pracy silnika niezależnie od prędkości i warunków atmosferycznych. Będzie możliwość wyposażenia silnika w chłodnicę i filtr oleju, oraz elektroniczny zapłon. Przeniesienie napędu będzie realizowane za pomocą dwu- lub trzyrzędowego łańcucha sprzęgłowego napędzającego czterobiegową skrzynię przekładniową. Dodatkowo silnik zostanie wyposażony w alternator około 180W. Z racji pojemności silnik najprawdopodobniej zostanie wyposażony w elektryczny rozrusznik. Silnik z przeznaczeniem do budowy ciężkiego motocykla turystyczno-szosowego. 

Sokół Hemi-head 

Bazą tego silnika będzie powyższa konstrukcja Sokoła Bonneville 1300 o nieco zmienionych parametrach, a mianowicie silnik ten będzie miał skok około 100 mm a średnicę cylindra około 75 mm. Przewidywana pojemność około 900 ccm. Moc powinna oscylować w okolicach 60 hp. Będzie to silnik z przeznaczeniem do motocykla sportowego i tak pierwotnie zamierzałem będę zmierzał do podjęcia próby prędkościowej.

Sokół Millennium 

Ten silnik to najnowocześniejsza i najbardziej zaawansowana z trzech konstrukcji. Przewidywana pojemność tego silnika to około 1200 ccm a moc około 90 hp. Pojemność tę zamierzam uzyskać ze skoku około 108 mm przy średnicy tłoka około 82 mm. Silnik ten będzie mocno odbiegał konstrukcją rozrządu od rozwiązań wspomnianych wcześniej. Pomimo, ze nadal będzie wyposażony w dwa wałki rozrządu, to konstrukcja napędu zębatkowego będzie inna niż w powyższych silnikach. Każdy z wałków rozrządu otrzyma dwie krzywki i za pomocą hydraulicznych popychaczy będzie sterował wydajnymi zaworami. Aby osiągnąć najlepszą geometrię układu popychaczowego umieszczę zaprojektowane przeze mnie dźwigienki zaworowe o różnych długościach dla każdego z zaworów w głowicy oraz charakterystyczne pokrywy zaworowe przypominające nieco kształtem legendarnego Harleya Knucklehead. Przeniesienie napędu i skrzynia będą wykorzystane z poprzednich modeli, choć będzie też możliwość założenia piątego biegu. 

W planie jest budowa kilku egzemplarzy tych silników, lecz ich liczba raczej nie przekroczy 10 sztuk. 

W związku z tym, że ten układ napędowy będzie charakteryzował się małymi gabarytami i zwartą konstrukcją mam zamiar wykonać do niego specjalnej konstrukcji ramy klasyczną kołyskową i grzbietową.

IN POWER WE TRUST c.d. Dwa parametry skok tłoka/średnica cylindra- odwieczni rywale

W pierwszej części wstępnej czytaj tutaj nadmieniłem, że przedmiotem moich rozważań będzie silnik podkwadratowy gdzie d <s (średnica cylindra < skok tłoka) ewentualnie silnik kwadratowy gdzie d=s. 

Na wstępie trzeba powiedzieć co konkretnie wiąże się z taką geometrią silnika oraz jakie są zalety i wady silnika długo-skokowego. W obecnych czasach z niezrozumiałych dla mnie przyczyn odchodzi się od konstruowania silników długo-skokowych na rzecz krótko-skokowych, a co za tym idzie szybkoobrotowych konkurentów. Ta popularność jest niewątpliwie spowodowana większym popytem na motocykle z rodowodem z torów wyścigowych. Dlatego coraz większą część rynku motocyklowego zajmują konstrukcje, których „czerwone pole obrotomierza” zaczyna się grubo ponad 10 tysięcy obrotów. Konstrukcje te mają komory spalania przystosowane do szybkiej wymiany ładunku w bardzo krótkim czasie, w związku z tym muszą dysponować dużą ilością zaworów na cylinder. Poza konstrukcyjną komplikacją układu rozrządu, która jest konieczna przy silnikach wysokoobrotowych, przy okazji otrzymujemy również dużą i nieefektywną komorę spalania, która poza zwiększoną ilością zaworów dodatkowo musi pomieścić świecę zapłonową. Przy bardzo dużych komorach spalania oscylujących w granicach 100 mm i powyżej, aby skrócić czas rozchodzenia się płomienia, stosuje się nawet dwie świece zapłonowe jak np. w najnowszym produkcie Harley’a: Milwaukee-Eight. Efektem tego jest strata stref wyciskania mieszanki (squish band), będących częściami komory głowicy, do których w górnym martwym punkcie maksymalnie zbliża się tłok wyrzucając mieszankę paliwowo-powietrzną w kierunku świecy zapłonowej.

Przez analogię zatem, w silnikach wolnoobrotowych nie musimy całej ich konstrukcji podporządkowywać potrzebie błyskawicznej wymiany ładunku. A zatem konstrukcja ta pozwala na budowę zwartych i mniejszej średnicy komór spalania, efektywną i pełniejszą wymianę ładunku dzięki dłuższym czasom pomiędzy poszczególnymi suwami a także na pełniejsze spalenie ładunku. Długi skok w połączeniu ze zwartą komorą spalania powoduje, że czoło płomienia spalanej mieszanki zaraz po wystąpieniu iskry rozchodzi się bardzo szybko i do tego ma do pokonania niewielką drogę, aby zająć całą niespaloną do tej pory mieszankę. Pomimo, że spalanie jest bardzo szybkie, to dzięki dobremu wymieszaniu paliwa z powietrzem (squish band) tendencja do wystąpienia szkodliwego spalania stukowego w funkcji stopnia sprężania jest dużo mniejsza, innymi słowy zwarta komora spalania pozwala zwiększyć stopień sprężania bez występowania tego zjawiska. Dokładniej o komorach spalania i możliwościach ingerencji w nie napiszę w jednym z kolejnych odcinków.
Nie bez znaczenia pozostaje też potencjalnie mniejsze nagrzewanie denka tłoka dzięki jego mniejszej powierzchni, dlatego bilans cieplny pozwala na olejowo-powietrzną metodę chłodzenia silnika, co dodatkowo redukuje masę w stosunku do silników chłodzonych cieczą. To co jest zaletą może stać się wadą, gdyż w przypadku chłodzenia powietrzem, długotrwała praca silnika na postoju lub w skrajnie wysokich temperaturach bądź też pod długotrwałym maksymalnym obciążeniem, może spowodować jego przegrzanie.

Jest też jeszcze jedno podstawowe ograniczenie dla silników długo-skokowych, które również w takim samym stopniu dotyczy jednostek krótko-skokowych, mianowicie jest to parametr średniej prędkości tłoka w cylindrze. Przekroczenie dopuszczalnej średniej prędkości tłoka w cylindrze będzie skutkować gwałtownym jego zużyciem lub nawet całkowitym zniszczeniem. Przy ogólnie dostępnych możliwościach technicznych średnia prędkość tłoka w cylindrze może na krótko i sporadycznie przekraczać około 26m/s. bez obawy o zniszczenia silnika. Z racji tego, że producenci nie podają nigdzie tego parametru dla swoich silników a jest on dla nas niezmiernie ważny przy tuningu, warto policzyć go samodzielnie. Dla Harley’a, który został zbudowany w systemie calowym liczy się ten parametr w następujący sposób

Powyższy wzór funkcjonuje jeśli skok tłoka liczymy w calach. Natomiast skok tłoka podany w milimetrach dzielimy przez 25,4 (1 cal = 25,4 mm).

Jeśli chcemy uzyskać wynik w metrach na sekundę (m/s) należy pomnożyć otrzymany ze wzoru wynik przez współczynnik 0,00508. 

I tak dla przykładu, we współczesnym dwucylindrowym Ducati 959 Panigale z silnikiem o pojemności 955 i średnicy cylindra s=100 mm oraz skoku d=60,8 mm, średnia prędkość tłoka w cylindrze to 21,34m/s. (dla 10 500 max rpm) natomiast często spotykana modyfikacja Harley’a na dłuższy skok s= 120,65 mm (4,75”), którego silnik może osiągnąć 6000 rpm przy mocy podobnej do ww. Ducati da średnią prędkość tłoka w cylindrze 24,13 m/s. (dla 6000 max. rpm), co jest wartością o 13% większą od krótko-skokowego Ducati. Z powyższego przykładu widać jak łatwo „przedobrzyć” przy tuningu silników długo-skokowych, zbliżając się niebezpiecznie do granicznej prędkości tłoków, co może spowodować ich uszkodzenie. 

Jak zatem usprawnić i zoptymalizować mechanizm korbowy i jednocześnie ulżyć ciężkiej doli tłoka użytkowanego w silniku długo-skokowym. 

Jest kilka zmiennych, które możemy modyfikować tak, aby zoptymalizować działanie tego prostego mechanizmu. Jego podstawową wadą, o której pisałem już w jednym z poprzednich wpisów jest to, że przekazuje mimośrodowo ruch posuwisto-zwrotny na ruch obrotowy przy pomocy wykorbienia, a maksymalne ciśnienie naciskające na tłok wypada w chwili, gdy korbowód jest ustawiony prawie pionowo czyli w jednej linii z osią cylindra i osią obrotu łożysk głównych wału korbowego. Z tego powodu większość ciśnienia spalania oddziałującego na tłok jest bezpowrotnie tracone na zwiększone tarcie tłok-cylinder, siły gnące korbowód, temperaturę, dlatego silnik spalinowy charakteryzuje się max. 35 % wydajnością. Jedną z lepszych modyfikacji dla tego układu jest wydłużenie korbowodu, tak aby współczynnik jego długości (n) zawierał się w przedziale od 1,8 do 2. Współczynnik ten liczymy dzieląc długość korbowodu przez skok wału

Większa długość korbowodu ustawia go pod mniejszym kątem względem wykorbienia w chwili wystąpienia maksymalnego ciśnienia nad tłokiem, przez co redukujemy siły gnące i wyboczenie korbowodu. Redukcja sił gnących pozwala nam dodatkowo wysmuklić przekrój trzona korbowodowego i zmniejszyć jego masę pomimo zwiększonej długości. Jest to dokładnie widoczne jeśli porównamy korbowody silnika H-D i dolnozaworowego silnika Indian Chief 1200. Silniki Indian charakteryzują się smukłymi i dłuższymi o 18 mm korbowodami. Aby zniwelować „wyginanie” (wyboczenie) smukłego korbowodu Indian zastosował szersze łożyskowanie główki i stopy korbowodu. Nie wskazane jest wydłużanie korbowodu poza współczynnik n=2,2, gdyż poza wpływem sił gnących zwiększamy również masę po stronie ruchu posuwisto-zwrotnego, a to z kolei przekłada się na poziom drgań silnika. Ten aspekt również opiszę dokładniej w kolejnych odcinkach.

* żródło victorylibrary.com

Innym sposobem na odciążenie korbowodu oraz zmniejszenie nacisku tłoka na ściankę cylindra podczas suwu pracy, jest przesunięcie osi cylindra lub osi sworznia tłokowego względem osi symetrii wału korbowego w kierunku obrotu kół zamachowych. Powoduje to mniejszy kąt nachylenia korbowodu względem osi symetrii wału korbowego i cylindra w chwili wystąpienia maksymalnego ciśnienia spalania mieszanki, co pozwala na lepsze spożytkowanie energii.

Kolejnym czynnikiem, który należy brać pod uwagę podczas planowania usprawnień naszego silnika jest masa kompletnego wału korbowego. Masa ta wiąże się bezpośrednio ze zjawiskiem nierównomierności biegu silnika czyli pulsacyjnym charakterem oddawania momentu obrotowego podczas pracy. Ten problem bardziej dotyczy silników długo-skokowych i wolnoobrotowych dysponujących wystarczającym do jazdy momentem obrotowym już niemal od biegu jałowego i jest najbardziej widoczny w silnikach jednocylindrowych. Przy niskich obrotach silnika i dużym obciążeniu, gdy nie zredukujemy w porę biegu, a także przy ruszaniu z miejsca jest odczuwalne charakterystyczne „szarpanie” motocyklem. Oznacza ono, że właśnie weszliśmy w nieużytkowy zakres momentu obrotowego. Zjawisko to, poza tym, że wywołuje dyskomfort użytkownika pojazdu, to może być szkodliwe dla silnika- szczególnie w niskim zakresie obrotów. Wówczas z pomocą przychodzi nam moment bezwładności obracającego się wału korbowego, czyli jego wirująca masa, im jest ona większa tym silnik będzie wolniej schodził z obrotów i wyrównywał szarpnięcia związane ze zmianą jego obciążenia podczas jazdy. Właściwa masa tego układu zależy od tego w jakim zakresie obrotów będzie najczęściej użytkowany nasz silnik, a ściślej rzecz ujmując sposobu w jaki ma być użytkowany (turystyka, sport). Nie będzie to szczególnie odkrywcze, gdy napiszę, że w zastosowaniach sportowych dążymy do zredukowania masy, także tej wirującej w silniku. Nie każdy zaś zdaje sobie sprawę z tego, że ekstremalna redukcja masy przy normalnym użytkowaniu jest wręcz szkodliwa. Zadajmy sobie zatem pytanie, dlaczego odpowiednia masa układu korbowego jest dla nas tak ważna. Bezwładność koła zamachowego ma wpływ na wiele parametrów pracy silnika:
- stabilność pracy na wolnych obrotach,
- tolerancje na spalanie stukowe przy wysokich stopniach sprężania,
- płynność pracy sprzęgła szczególnie widoczną na niskich obrotach,
- wibracje silnika,
-wewnętrzne opory tarcia silnika poprzez wielkość łożysk głównych wału korbowego,
- ciśnienie oleju na wolnych obrotach,
- warunkuje czasy i kształt krzywek wałków rozrządu.

Co zatem uzyskamy „odchudzając” wał korbowy:
- trudniejszy rozruch silnika przy rozruchu nożnym,
- wyższe obroty silnika biegu jałowego,
- łatwiejsza zmiana biegów oraz lepsza praca sprzęgła przy niskich obrotach silnika,
- krótsza żywotność układu przeniesienia napędu (łańcuch/pas sprzęgłowy),
- brak płynności ruchu przy wolnych przejazdach,
- lepsza reakcja na gaz i hamowanie silnikiem,
- większa trwałość łożysk głównych,
- mniejszy wpływ żyroskopowy wału korbowego na właściwości jezdne motocykla.
W przypadku Harley’a i Indiana mamy do wyboru kilku producentów wałów korbowych np. Truet&Osborn, S&S, Jims, którzy oferują przeciwwagi o różnych masach. Dla przykładu T&O sprzedaje wały w dwóch grupach wagowych. Ciężkie koła zamachowe wałów dedykowane do motocykli z nożnym sprzęgłem i ręczną zmianą biegów oraz jazdy turystycznej o nazwie Torque Monster ważą 15,4 kg. Dla porównania fabryczne H-D do tych samych motocykli 14,51 kg. T&O oferuje też lekkie przeciwwagi o standardowym jak i wydłużonym skoku dedykowane do motocykli z ręcznym sprzęgłem i nożną zmianą biegów- ważą one 12,7 kg. Jeszcze lżejsze wagi o masie 11,34 kg oferuje firma S&S .
A zatem dobór konfiguracji skokowej i wagowej wału korbowego wcale nie jest prosty i warto przemyśleć wszystkie za i przeciw zanim podejmiemy decyzję.
Jeśli zdecydujemy się już na redukcję masy wału korbowego to należy pamiętać o dodatkowych funkcjach, które mogą pełnić koła zamachowe. W H-D właściwa średnica przeciwwag warunkuje pozbywanie się nadmiaru oleju z komory korbowej, dlatego w tym przypadku lepiej pozbyć się masy z powierzchni czołowych kół zamachowych, lecz i tu tkwi pułapka, gdyż tym sposobem zmienimy procentowe wyważenie wału korbowego. Innymi słowy, cytując klasyka „nie ma nic za nic”.

  Rozmowy przy wycinaniu lasu: Nie ma nic za nic 😏

W kolejnej części opiszę aspekty dotyczące komory spalania.