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. 

OLD INDIANS NEVER DIE

Legenda motocykli Indian ze Springfield (któż o niej nie słyszał) miała swoje uzasadnione korzenie w pierwszych dekadach XX wieku, kiedy to motocykle te brylowały na torach wyścigowych, wspinaczkowych i "dirt trackach" zostawiając konkurencję daleko w tyle (wspominałem o tym tutaj Incredibe racing...)  Niewiele firm na rodzimym amerykańskim rynku mogło się mierzyć z motocyklami marki Indian, choć nieliczni tacy jak Merkel ze swoim Flying Merkel czy Excelsior z modelem Super X byli przyczyną wzmożonych wysiłków konstrukcyjnych ze strony Indiana. Legendę tę budowali również uczestnicy wyścigów rywalizujący zaciekle na ówczesnych torach np. wspomniany już kiedyś na blogu Floyd Emde oraz oczywiście Burt Munro ze swoim rekordowym Indian Scout.

Podczas studiów pracowałem w warsztacie motocyklowym i miałem stały kontakt z tymi motocyklami. Wówczas nie znając dobrze tła historycznego zastanawiałem się nad zjawiskiem legendy Indiana- skąd ta legenda się wzięła i jakie ma podłoże a najbardziej nurtowała mnie jej zasadność. Właściciel warsztatu był posiadaczem pięknego Indiana Chief 1200 z 1940 roku i bardzo dużo nim jeździł, lecz zazwyczaj po krótszych lub dłuższych podróżach motocykl wymagał gruntownego przeglądu i wielu napraw. Warto dodać, że miało to miejsce na początku lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku, a mój pracodawca i kolega w jednym, posiadał stały dostęp do nowych oryginalnych części zamiennych, które w owych czasach nie kosztowały fortuny. W warsztacie często słyszało się komunały w stylu "Harley to gówno, Indian jest nie do pobicia" lub "Gdyby nie matactwa Harleya z zamówieniami wojennymi, Indian byłby produkowany do tej pory"itp. lecz nijak nie mogłem zrozumieć jak to się ma do awaryjności Indiana. Problemy pojawiały się na każdym kroku, na przykład luzujący się kosz sprzęgłowy, dociskany nakrętką, która znajdowała się wewnątrz skrzyni biegów i była zabezpieczona specjalną podkładką. Dotarcie do niej zajmowało sporo czasu, gdyż należało zdemontować sporo blach i zmieniacz skrzyni biegów. Kolejnych problemów dostarczało sprzęgło, które z powodu stosowania znanych z Sokoła 1000 mieszanek oleju ze smarem stałym, niechętnie przenosiło całą moc silnika na asfalt czyli krótko mówiąc ślizgało się. Powiecie, że można było zastosować rzadki olej aby zniwelować ten problem, lecz było to niemożliwe z uwagi na nieustanny wyciek z wałka napędowego koła pasowego prądnicy. Nie udało się tej fabrycznej wady całkowicie wyeliminować, pomimo stosowania nowych tulejek i uszczelnień. Wycieki w starych motocyklach nie są niczym niezwykłym, lecz ten wyciek powodował kolejne problemy z prądnicą, ślizgający się zaolejony pasek był przyczyną deficytu prądu w motocyklu. Długo by jeszcze wymieniać niedomagania tego motocykla, dość powiedzieć, że trudno wśród tych wszystkich niedomagań było mi dostrzec jego legendarną doskonałość. Być może jedną z przyczyn naszych zmagań był utrudniony w tamtych czasach dostęp do wysokiej jakości usług obróbki maszynowej, być może również nasza niedostateczna wiedza i doświadczenie, lecz po latach mogę stwierdzić, że niebagatelną rolę odgrywały też błędy fabryczne. 

Jak to się stało, ze fabryka z tak długoletnimi tradycjami pozwalała sobie na jakiekolwiek niedociągnięcia. Przede wszystkim odpowiadały za to ówczesne metody produkcyjne a także raczkujący w ówczesnych czasach system kontroli jakości. Metody produkcyjne jakimi wówczas dysponowano opierały się głównie na pracy ręcznej wspieranej obrabiarkami, z których najbardziej zaawansowanymi technicznie były obrabiarki rewolwerowe oraz wiertarki i wytaczarki wielowrzecionowe.

Ówczesne duże fabryki to tak naprawdę manufaktury w dzisiejszym rozumieniu, dlatego tak trudno było zachować wysoką jakość i powtarzalność produkcji na przestrzeni dłuższego czasu. 

Mimo opisanych wcześniej doświadczeń, darzę tę markę motocykli wielka sympatią i podziwem, w szczególności za jej niepowtarzalną stylistykę oraz za niektóre rozwiązania techniczne, dzięki którym Indian tak długo utrzymywał się na rynku. 

Z mojego punktu widzenia niewątpliwym atutem firmy ze Springfield były dopracowane silniki dolnozaworowe oraz ramy i zawieszenia o dobrych właściwościach jezdnych, choć plamą na honorze konstruktorów tej firmy są prymitywne skrzynie biegów. 

Ostanimi czasy mój warsztat często odwiedzają Indianie- niestety zazwyczaj w złym stanie po wielu bojach i wyprawach wojennych. Na szczęście czuwa nad nimi Wielki Duch i zyskują właściwą opiekę. Opłakany stan Indiana, któremu poświęcony jest ponizszy post wskazywał, że uczetniczył on prawdopodobnie w bitwie pod Little Bighorn.

Pracę w warsztacie organizuję sobie w sposób pozwalający wykonywać pewne operacje w małych seriach. Zaoszczędza mi to trochę czasu na przygotowaniach. Tak było i tym razem, gdy uzbierało mi się kilka wałów do regeneracji, wyważania i centrowania. Wał do opisywanego  poniżej Indiana miał podlegać jedynie wyważeniu i wycentrowaniu, lecz po weryfikacji okazało się, że korbowody zostały zregenerowane nieprawidłowo. W korbowody te zostały wciśnięte bieżnie a czop korbowy został przeszlifowany aby dobrać właściwy luz montażowy. Był to błąd w naprawie, ponieważ wciśnięte w stare korbowody nowe bieżnie zachowały zowalizowane otwory stóp korbowych. Okazało się, że muszę na nowo zregenerować korbowody honując je na wymiar nowego czopa korbowego. Wał był już natomiast kiedyś wyważany, lecz zrobiono to dość niechlujnie, gdyż każdy otwór był innej średnicy a do tego procentowe wyważenie mocno odbiegało od przyjętych norm. Po uporaniu się z korbowodami i wyważeniem zabrałem się za poskładanie wału. Zawsze skręcam wały z nieco większym momentem niż nakazuje specyfikacja fabryczna, aby zagwarantować tym dość mocnym silnikom przedłużoną trwałość za sprawą powiększonej sztywności wału korbowego. Stary wał korbowy doskonale poddał się centrowaniu i skończyłem z wynikiem 0,00 na jednym czopie i 0,02 na drugim, co przy skoku 4 i 7/16" jest bardzo dobrą wartością.  Nie wiem jak to możliwe, że za pomocą ówczesnych obrabiarek ludzie potrafili tak precyzyjnie  wykonać ponad 200 milimetrowej średnicy przeciwwagi, podczas gdy dzisiejszy Harley przy pomocy sterowanych cyfrowo maszyn składa te elementy z tolerancją pięciokrotnie większą. Praca z tym wałem była dla mnie czystą przyjemnością w przeciwieństwie do tego, co nastąpiło później. Kolejną czynnością była naprawa bloku silnika. Był to blok, który najlepsze lata miał już za sobą i kilka jego przygód sprawiło, że przed obróbką musiał trafić na stół spawalniczy. Blok miał zniszczony "łącznik" pomiędzy cylindrami oraz jedno z przednich mocowań silnika do ramy, a także wyszczerbione deflektory olejowe. 

Praca z miejscami spawanymi poszła dość gładko, lecz następne pomiary położenia otworów łożysk głównych ukazały poważny problem wykonawczy a właściwie wadę fabryczną tego bloku- ale o tym za chwilę. 

Frezowanie jednego z otworów mocujących silnik do ramy.

Jak pisałem wcześniej, ujawniła się poważna wada fabryczna, a mianowicie nieosiowość otworów łożysk głównych. Były one przesunięte względem siebie około 0,3mm. Dodatkowo gniazda  łożysk miały zniszczone otwory, co powodowało brak właściwego wcisku montażowego bieżni. Ponadto blok ten miał zwichrowane płaszczyzny przylgowe, czyli po złożeniu dwóch połówek widać było prześwity. 

Aby wyeliminować te wady i uszkodzenia musiałem rozpocząć pracę od odtworzenia "baz obróbczych". W przypadku tego bloku była to płaszczyzna przylgni pokrywy sprzęgła oraz krawędź przylgni pokrywy rozrządu, które to musiałem doprowadzić do idealnej płaskości. 

Płaszczyzny te przed obróbką były zwichrowane do ponad 0,3 mm i po założeniu pryzmy blok silnika nieznacznie się bujał. Najbardziej zwichrowana była płaszczyzna od strony pokrywy rozrządu. Pokuszę się o stwierdzenie, że księgowi ze Springfield mieli dużo większy wpływ na procesy produkcyjne niż podobni im w Milwaukee, być może z tej przyczyny aluminium w bloku sinika Indian jest dużo mniej niż w Harleyu. Te oszczędności materiałowe przyczyniły się do małej sztywności bloku co owocuje jego podatnością na odkształcenia. Należy też nadmienić, że  aluminium użyte do odlewania jest niskiej jakości, co w przypadku odlewów cienkościennych  poskutkowało dużą porowatością odlewu. Krótko rzecz ujmując ten blok bez pomalowania wewnętrznych powierzchni będzie się pocił. 

Po skorygowaniu baz obróbczych przystąpiłem do obróbki przylgni pomiędzy połówkami karterów. Na zdjęciu poniżej widoczna nieobrobiona jeszcze plama- wgłębienie spowodowane zwichrowaniem płaszczyzny mające głębokość ponad 0,2 mm

'
Obróbka płaszczyzny bazowej pokrywy rozrządu, o której pisałem wcześniej. Największe wgłębienie w płaszczyźnie występowało w najsztywniejszej centralnej części bloku czyli w okolicach czopa rozrządu oraz na wystającej części komory rozrządu w tzw. rogalu.  

Przed przystąpieniem do obróbki otworów pod bieżnie łożysk głównych konieczne było wykonanie nowych otworów i poprawienie starych pod szpilki ustalające połówki karteru względem siebie. Po tej operacji musiałem również wykonać nadwymiarowe, pasujące do nowych otworów szpilki. 

Po tych wszystkich zabiegach mogłem przystąpić do wyosiowania bloku.  Zacząłem od powiększenia otworu pod nadwymiarową bieżnię w sprzęgłowej połówce bloku (niewidoczne na zdjęciach). Większy problem stanowiła bieżnia od strony rozrządu, gdyż to właśnie ona była przesunięta ponad 0,3 mm względem zamka ustalającego połówki bloku. Aby zdiagnozować ten błąd nieosiowości spędziłem ponad 3 godzin na samych pomiarach. W przypadku tak dużych przesunięć metoda jest tylko jedna, a mianowicie tulejowanie otworu. 

Przy okazji naprawy otworu zmodyfikowałem gniazdo podpory wału na przelotowe, pozbywając się niepotrzebnej części kołnierza, aby móc bez przeszkód przehonować bieżnię.   

W tak przygotowany otwór została wciśnięta ze znacznym wciskiem tuleja z rodzimego materiału, a następnie roztoczona pod wymiar bieżni. W tych wszystkich operacjach dzielnie pomagało wytaczadło czechosłowackiej firmy Narex, tak precyzyjnie wykonane, że dokładność obróbki do 0,01 mm nie stanowiła żadnego problemu. 

Na filmie widoczne sprawdzenie osiowości otworów w bloku po obróbkach, z wynikiem około 0,02 mm. 

Poniżej widoczna obrobiona "na gotowo" tuleja redukcyjna otworu. 

Zważywszy na ilość włożonej w ten blok pracy mogę śmiało powiedzieć, że w 60% został on wykonany od nowa, lecz dzięki temu została mu wrócona dawna fabryczna świetność i będzie mógł służyć swojemu właścicielowi przez kolejne 70 lat. 
To jeszcze nie koniec działań nad tym blokiem, w jednym z kolejnym odcinków  zaprezentuję pozostałe prace nad przywracaniem dawnej świetności Indianowi. Część dalsza czytaj tutaj.