Από τον

Μπάμπη Μέντη

7/9/2022

Σε έναν τετράχρονο κινητήρα, για κάθε δύο πλήρεις περιστροφές του στροφάλου πρέπει να έχουμε μια πλήρη περιστροφή του εκκεντροφόρου (2:1). Για να το πετύχουμε αυτό χρειαζόμαστε ένα σύστημα υποπολλαπλασιασμού, δηλαδή έναν μηχανισμό που να μειώνει στο μισό τις στροφές που περιστρέφεται ο εκκεντροφόρος σε σχέση με τον στρόφαλο.

Η απλούστερη λύση είναι να βάλουμε στην άκρη του στροφάλου ένα μικρό γρανάζι και στην άκρη του εκκεντροφόρου ένα γρανάζι με διπλάσιο μέγεθος από εκείνο του στροφάλου.

Αυτό θα ήταν πολύ εύκολο να γίνει αν η απόσταση μεταξύ στροφάλου και εκκεντροφόρου ήταν πολύ μικρή, ώστε τα δύο γρανάζια να έχουν άμεση επαφή μεταξύ τους.

Στην πραγματικότητα όμως η απόσταση που χωρίζει τον εκκεντροφόρο από τον στρόφαλο είναι πολύ μεγαλύτερη απ’ όσο θα μας βόλευε για να κάνουμε την δουλειά μας μόνο με δύο γρανάζια.

Έτσι οι σχεδιαστές κινητήρων είναι αναγκασμένοι να φτιάξουν έναν πιο περίπλοκο μηχανισμό για την μεταφορά της κίνησης από τον στρόφαλο προς τον εκκεντροφόρο.

Έως σήμερα, έχουμε δει στον κόσμο της μοτοσυκλέτας κινητήρες με ωστήρια, κινητήρες με άξονα, κινητήρες με ιμάντα, κινητήρες με αλυσίδα, κινητήρες με γρανάζια και κινητήρες που έχουν και αλυσίδα και γρανάζια ταυτόχρονα!

Από όλα αυτά τα διαφορετικά συστήματα κίνησης των εκκεντροφόρων, η αλυσίδα έχει κυριαρχήσει απόλυτα στους κινητήρες παραγωγής μοτοσυκλετών, με τους ιμάντες, τα γρανάζια και τα ωστήρια να αποτελούν σπάνιες εξαιρέσεις του κανόνα σε έναν σύγχρονο κινητήρα παραγωγής.

Κατασκευαστικά, ο φτηνότερος και ταχύτερος τρόπος για να μεταφέρεις την κίνηση από τον στρόφαλο στον εκκεντροφόρο και τις βαλβίδες είναι η χρήση ωστηρίων.

Τοποθετώντας τον εκκεντροφόρο πολύ κοντά στο στρόφαλο (μέσα στα κάρτερ) μεταφέρεις την κίνηση με τη βοήθεια μιας μικρής αλυσίδας. Από τον εκκεντροφόρο στα κάρτερ, μεταφέρεις την παλινδρομική πλέον κίνηση στην κεφαλή του κινητήρα χρησιμοποιώντας μεταλλικές ράβδους (ωστήρια). Εκεί στην κεφαλή έχεις μία “τραμπάλα” δηλαδή ένα “κοκκοράκι” όπου στη μία άκρη το σπρώχνει προς τα πάνω το ωστήριο και στην άλλη άκρη πιέζει προς τα κάτω την βαλβίδα και το ελατήριο επαναφοράς.

Τα βασικά μειονεκτήματα αυτού του είδους μηχανισμού έχει να κάνει κυρίως με το φαινόμενο διαστολής των μετάλλων όταν ζεσταίνονται και το βάρος των μεγάλων εξαρτημάτων που παλινδρομούν.  

Καθώς τα ωστήρια έχουν μεγάλο μήκος για να καλύψουν την απόσταση από τα κάρτερ έως την κεφαλή, το μήκος τους μεταβάλλεται έντονα όταν ο κινητήρας έρχεται σε θερμοκρασία λειτουργίας. Οπότε σχεδιάζοντας έναν κινητήρα με ωστήρια για την κίνηση των βαλβίδων, θα πρέπει να υπολογίσεις πολύ μεγάλα διάκενα.

Τα πολύ μεγάλα διάκενα δημιουργούν έντονους μηχανικούς θορύβους μέχρι να έρθει σε θερμοκρασία λειτουργίας ο κινητήρας. Έτσι στους κινητήρες με ωστήρια που προορίζονται για καθημερινή χρήση, χρησιμοποιούν μεταξύ του εκκεντροφόρου και του ωστηρίου “μεταλλικές κάψουλες” που περιέχουν λάδι κινητήρα ή για να είμαστε πιο ακριβείς στην περιγραφή θα μπορούσαμε να τα αποκαλέσουμε φυσίγγια με λάδι.

Η πίεση λαδιού (η οποία μεταβάλλεται από τις στροφές του κινητήρα και ελαφρώς από την θερμοκρασία, η οποία επηρεάζει και την ρευστότητα του λαδιού) μέσα σε αυτές τις μεταλλικές κάψουλες/φυσίγγια δημιουργεί ένα “μαξιλαράκι” που “μαζεύει” τα διάκενα σε όλο το φάσμα των στροφών. Τέτοιες “κάψουλες” χρησιμοποιούνται και σε κινητήρες με επικεφαλής εκκεντροφόρους, οπότε όπου διαβάζετε πως ένας κινητήρας έχει “υδραυλικές, αυτορυθμιζόμενες βαλβίδες” σημαίνει πως τα διάκενα μεταξύ εκκεντροφόρου και βαλβίδας διατηρούνται στο επιθυμητό επίπεδο χάρη σε αυτές τις κάψουλες με λάδι (hydraulic lifters).

Όλα σχεδόν τα σύγχρονα αυτοκίνητα έχουν τέτοιες “κάψουλες”, ενώ στις μοτοσυκλέτες τις χρησιμοποίησε η Honda στις αρχές των 90ies στο Pacific Coast 800 (V2 κινητήρας βασισμένος στον κινητήρα του XLV 750) και τώρα η Harley Davidson στον νέο υγρόψυκτο κινητήρα του Panamerica 1250.

Πρακτικά αυτοί οι κινητήρες δεν χρειάζονται ποτέ ρύθμιση βαλβίδων, όμως καλό είναι να γίνεται ένας έλεγχος, διότι πάντα υπάρχει η πιθανότητα κάποια από αυτές τις κάψουλες να μην μπορεί να διατηρήσει τη σωστή πίεση λαδιού.

Οι κινητήρες με ωστήρια και υδραυλικά αυτορυθμιζόμενες βαλβίδες μπορούν να ανεβάσουν χωρίς ιδιαίτερο πρόβλημα έως και τις 8.000 στροφές. Όμως στους αγωνιστικούς κινητήρες με ωστήρια που χρησιμοποιούνται στους αμερικάνικους αγώνες dragster και NASCAR (οι κανονισμοί επιβάλουν τη χρήση ωστηρίων) οι οποίοι έχουν κόφτη στις 10.000-11.000 στροφές, οι σχεδιαστές χρησιμοποιούν συμπαγείς “καψουλες” με καπελότα ή συμπαγείς “κάψουλες” με τη ρύθμιση του διάκενου να γίνεται πάνω στην κεφαλή μεταξύ κοκκοράκι/βαλβίδας με κόντρα-παξιμάδι.

Ο βασικός λόγος που ακόμα και σήμερα χρησιμοποιούν ωστήρια σε σύγχρονους κινητήρες (αμερικάνικης σχεδίασης και κατασκευής στην πλειοψηφία τους) είναι πως αυτού του τύπου το σύστημα κίνησης εκκεντροφόρου/βαλβίδας “συγχωρεί” πολλές ατέλειες στην κατασκευή των εξαρτημάτων ενός κινητήρα και μπορείς να έχεις υψηλό ρυθμό παραγωγής και “χαλαρό” ποιοτικό έλεγχο. Αντιθέτως όλα τα υπόλοιπα συστήματα κίνησης εκκεντροφόρου/βαλβίδας απαιτούν πολύ πιο αυστηρό ποιοτικό έλεγχο, διότι το παραμικρό κατασκευαστικό σφάλμα θα έχει καταστροφικές συνέπιες για τον κινητήρα.

Είναι πολύ σημαντικό να καταλάβουμε πως στις γραμμές παραγωγής οι άνθρωποι και τα ρομπότ δεν ελέγχουν ένα-ένα τα εξαρτήματα ενός κινητήρα. Αυτό υποτίθεται πως έχει γίνει πριν, δηλαδή κατά την διαδικασία κατασκευής των εξαρτημάτων. Τα συστήματα κίνησης των βαλβίδων με ωστήρια, αφήνουν πολύ μεγάλα περιθώρια ρύθμισης στις γραμμές συναρμολόγησης ενός κινητήρα και μπορείς να φτιάξεις έναν απόλυτα λειτουργικό κινητήρα που θα αντέξει εκατοντάδες χιλιάδες χιλιόμετρα, ακόμα κι αν το μήκος των ωστηρίων δεν είναι ακριβώς ίδιο!

Άλλο ένα πλεονέκτημα των συστημάτων κίνησης των βαλβίδων με ωστήρια είναι το πολύ μικρότερο ύψος της κεφαλής. Αυτό μπορεί να μην έχει σχέση με την απόδοση του κινητήρα, όμως έχει σχέση με την χωροταξία και την αισθητική των μοτοσυκλετών. Ποτέ δεν πρόκειται να πετύχεις τη χαμηλή και μακριά σιλουέτα μιας Brough Superior ή μιας Indian του 1930 χρησιμοποιώντας κινητήρα με εκκεντροφόρο επικεφαλής.

Τι γίνεται όμως όταν θέλεις να φτιάξεις έναν κινητήρα που έχει κόφτη πάνω από τις 10.000 στροφές; Σε αυτή την περίπτωση η ακρίβεια στη μεταφορά της κίνησης είναι κρίσιμη και τα ωστήρια δεν μπορούν να την προσφέρουν.

Όσο παράξενο κι αν ακούγεται, η συμπεριφορά των κινούμενων και περιστρεφόμενων μετάλλων ενός κινητήρα στις υψηλές στροφές θυμίζει περισσότερο λάστιχο παρά κάποιο συμπαγές και άκαμπτο υλικό.

Πέρα από τη διαστολή των μετάλλων όταν ζεσταίνονται, τα ίδια τα μέταλλα παρουσιάζουν ελαστικότητες λόγω των ισχυρών δυνάμεων που τους ασκούνται.

Καθώς η συμπίεση του μείγματος μέσα στο θάλαμο καύσης έχει πρωταγωνιστικό ρόλο στην ταχύτητα και την ποιότητα της καύσης στις υψηλές στροφές, οι βαλβίδες θα πρέπει να σφραγίζουν τον θάλαμο καύσης τη στιγμή που έχουν σχεδιαστεί να το κάνουν με όσο το δυνατόν μικρότερη απόκλιση.

Απόκλιση πάντα θα υπάρχει διότι όλα τα ζωτικά κινούμενα εξαρτήματα ενός κινητήρα θα πρέπει να έχουν μεταξύ τους διάκενα, ώστε να περνά το λάδι ανάμεσά τους και να αποφεύγεται η καταστροφική επαφή μεταξύ τους. Όμως όσο μεγαλύτερη είναι η απόκλιση, τόσο μεγαλύτερη η πτώση της συμπίεσης στις υψηλές στροφές, οπότε… αντίο ιπποδύναμη!

Ο καλύτερος τρόπος για να μειώσεις στο ελάχιστο την απόκλιση μεταξύ του θεωρητικού και του πραγματικού χρονισμού των βαλβίδων στις υψηλές στροφές είναι να φέρεις τον εκκεντροφόρο όσο πιο κοντά γίνεται στις βαλβίδες.  

Μειώνοντας το μέγεθος και τον αριθμό των μεταλλικών εξαρτημάτων μεταξύ εκκεντροφόρου και βαλβίδας, αυτομάτως μειώνεις τις επιπτώσεις από τη διαστολή των μετάλλων και μειώνεις τον αριθμό των διάκενων, οπότε η βαλβίδα ακολουθεί όσο πιο πιστά γίνεται τις εντολές του εκκεντροφόρου. Όλοι οι αγωνιστικοί κινητήρες έχουν εκκεντροφόρους επικεφαλής (εξαιρούνται τα αγωνιστικά Nascar και τα Dragster στις ΗΠΑ λόγω κανονισμών που επιβάλουν τα ωστήρια).

Όμως ανεβάζοντας τον εκκεντροφόρο στην κεφαλή, αυτομάτως τον απομακρύνεις από τον στρόφαλο.  

Σαφώς η μεταφορά της περιστροφικής κίνησης του στροφάλου προς τον εκκεντροφόρο ο οποίος επίσης περιστρέφεται είναι πιο απλή υπόθεση από την μεταφορά και μετατροπή της περιστροφικής κίνησης του εκκεντροφόρου σε παλινδρομική στις βαλβίδες, όμως το “πιο απλή” δεν σημαίνει πως είναι “απλή”.

Θυμάστε που είπαμε πιο πάνω πως τα μέταλλα συμπεριφέρονται σαν λάστιχα στις υψηλές στροφές; Ακριβώς αυτό συμβαίνει και με τη μεταφορά της κίνησης από τον στρόφαλο προς τον εκκεντροφόρο στην κεφαλή.

Η χρήση αλυσίδας είναι η πιο διαδεδομένη πρακτική στις μέρες μας, διότι είναι η δεύτερη φτηνότερη λύση κατασκευαστικά μετά τα ωστήρια και συγχωρεί κάποια μικρά κατασκευαστικά λάθη στις γραμμές παραγωγής.

Καθώς το μήκος της είναι αρκετά μεγάλο (μεγαλύτερο απ’ όσο πραγματικά χρειάζεται για να διευκολύνει τους εργάτες στη συναρμολόγηση), η χρήση τεντωτήρα και γλίστρας είναι απαραίτητη για να μαζεύει τα μπόσικα, κυρίως όμως για να μειώνει στο ελάχιστο τον θόρυβο στους κινητήρες παραγωγής.

Όσο καλές κι αν έχουν γίνει οι αλυσίδες σε ποιότητα σήμερα (χειρότερες έχουν γίνει αλλά αυτό είναι μια άλλη ιστορία…) οι αλυσίδες πάντα θα ξεχειλώνουν και πάντα θα καθυστερούν να μεταφέρουν την κίνηση του στροφάλου προς τον εκκεντροφόρο στις πολύ υψηλές στροφές, ρίχνοντας τη συμπίεση στο θάλαμο καύσης, οπότε και την ιπποδύναμη.

Μια εξίσου φτηνή λύση κατασκευαστικά που έχει λιγότερα προβλήματα από τη διαστολή των μετάλλων και τα διάκενα μεταξύ των μετάλλων, είναι η αντικατάσταση της αλυσίδας με ιμάντα.

Ο ιμάντας δεν μεταβάλει το μήκος του όταν ζεσταίνεται (οι περισσότεροι κατασκευάζονται από ίνες Kevlar ή carbon) και δεν “ξεχειλώνει” τόσο έντονα όσο η αλυσίδα στις πολύ υψηλές στροφές, όμως έχει περιορισμένη διάρκεια ζωής, διότι το λάστιχο που περιβάλει τις ίνες kavlar/carbon δεν αγαπάει καθόλου τις υψηλές θερμοκρασίες και καταστρέφεται.

Ιμάντες χρησιμοποίησε η Ducati στους V2 κινητήρες της από τις αρχές της δεκαετίας του ’80 με σκοπό για να μειώσει το κόστος κατασκευής και τον θόρυβο, αντικαθιστώντας το σύστημα με άξονα (Bevel) που χρησιμοποιούσε έως τότε.

Οι ιμάντες έγιναν δημοφιλείς και στους κινητήρες αυτοκινήτων, λόγω του χαμηλού θορύβου, όμως το ακριβό κόστος αντικατάστασής τους και η αμέλεια (ασχετοσύνη…) των οδηγών αυτοκινήτων για την ανάγκη αντικατάστασής τους (αυστηρά κάθε πέντε χρόνια ανεξαρτήτως χιλιομέτρων) έχει κάνει τους κατασκευαστές να επιστρέφουν στις αλυσίδες.

Στα μειονεκτήματα του ιμάντα θα πρέπει να προσθέσουμε και το μεγαλύτερο πλάτος του σε σχέση με την αλυσίδα. Αν μιλάμε για ένα στενό V2 δεν υπάρχει πρόβλημα, όμως αν μιλάμε για τετρακύλινδρο εν σειρά τότε το μειονέκτημα γίνεται πονοκέφαλος για τον σχεδιασμό του πλαισίου μιας σπορ μοτοσυκλέτας.

Η χρήση άξονα για την μεταφορά της κίνησης από τον στρόφαλο προς τον εκκεντροφόρο ήταν η πιο συνηθισμένη επιλογή για τους κινητήρες με επικεφαλής εκκεντροφόρο έως τον Β’ Παγκόσμιο Πόλεμο και παρέμεινε αρκετά δημοφιλής στους αγωνιστικούς κινητήρες έως τη δεκαετία του ’60 διότι προσφέρει εξαιρετική ακρίβεια στη μεταφορά της κίνησης, ακόμα και στις πολύ υψηλές στροφές.

Το βασικό του μειονέκτημα είναι φυσικά το υψηλό κόστος κατασκευής, όχι μόνο λόγω των ακριβότερων και δύσκολων στην κατασκευή εξαρτημάτων του, αλλά και λόγω του χρόνου συναρμολόγησης που απαιτεί στις γραμμές παραγωγής. Εντελώς ακατάλληλο δηλαδή για μαζική παραγωγή σε οχήματα ευρείας κατανάλωσης.

Εξίσου σημαντικό πρόβλημα είναι και ο όγκος που προσθέτει στα κάρτερ και την κεφαλή το ζεύγος γραναζιών στις άκρες του άξονα, αλλά και το μεγάλο συνολικό βάρος του μηχανισμού για μια σπορ ή αγωνιστική μοτοσυκλέτα.

Αν θέλεις να έχεις έναν μικρών εξωτερικών διαστάσεων και ελαφρύ κινητήρα όπως εκείνοι που χρησιμοποιούν αλυσίδα, αλλά την ίδια στιγμή να έχεις το επίπεδο ακρίβειας του άξονα, τότε η μόνη λύση είναι να χρησιμοποιήσεις μια συστοιχία από γρανάζια υποπολλαπλασιασμού.

Πρόκειται για το σύστημα που χρησιμοποιούν όλοι οι κατασκευαστές κινητήρων στη Formula 1 και τα MotoGP, δηλαδή σε κινητήρες που δουλεύουν πάνω από τις 16.000 στροφές και παράγουν σοβαρές ιπποδυνάμεις έως και τις 20.000 στροφές.

Είναι απόλυτα σημαντικό να καταλάβουμε τη διαφορά μεταξύ ενός κινητήρα που έχει κόφτη στροφών στις 18.000 στροφές/λεπτό και ενός κινητήρα που συνεχίζει να αυξάνει την ιπποδύναμή του έως τις 18.000 στροφές. Πρόκειται για δύο εντελώς διαφορετικά πράγματα.

Ώπα! Αφού είναι τόσο καλά τα γρανάζια γιατί δεν τα έχουν όλοι οι υψηλής απόδοσης κινητήρες παραγωγής; Για δύο βασικούς λόγους, τους οποίους μάλλον έχετε ήδη καταλάβει.

Κόστος και θόρυβος. Η Honda τα χρησιμοποίησε σε κάποια V4 μοντέλα της που είτε προορίζονταν για αγωνιστική χρήση όπως τα VF 1000 R, VFR 750 R και RVF 750 R (RC 30 / RC 45) είτε είχαν κινητήρα που βασιζόταν σε αυτά τα μοντέλα.

Τα τελευταία χρόνια όμως τα εγκατέλειψε και αυτή, διότι οι αυστηρότερες προδιαγραφές θορύβου, σε συνδυασμό με την ανάγκη μείωσης του κόστους παραγωγής δεν άφησαν περιθώρια για τέτοιου είδους πολυτέλειες. Ειδικά όταν μιλάμε για V2 ή V4 κινητήρες, όπου έχεις δυο ξεχωριστά συστήματα για τη μεταφορά της κίνησης στους εκκεντροφόρους και όχι ένα όπως στους μονοκύλινδρους και στους εν σειρά πολυκύλινδρους, το κόστος και ο θόρυβος είναι πολύ πιο σημαντικά μειονεκτήματα απ’ όσο φαίνεται αρχικά.

Μια λύση που βρήκε η Honda για να μειώσει το κόστος και τους μηχανικούς θορύβους στους V4 κινητήρες παραγωγής πριν τους καταργήσει εντελώς όταν μπήκαν σε εφαρμογή οι προδιαγραφές Euro 5, ήταν να χρησιμοποιήσει ένα υβριδικό σύστημα κίνησης που συνδύαζε τα γρανάζια με μια πολύ μικρού μήκους αλυσίδα.

Το πλεονέκτημα αυτής της λύσης είναι πως η μικρή αλυσίδα “λαστιχάρει” πολύ λιγότερο στις υψηλές στροφές σε σχέση με μια τριπλάσιου μήκους αλυσίδα που θα έπρεπε να χρησιμοποιήσουν και μειώνει αρκετά τους μηχανικούς θορύβους σε σχέση με ένα σύστημα που έχει μόνο γρανάζια. Το σπουδαιότερο όλων είναι πως διατηρεί σε λογικά επίπεδα το κόστος στη γραμμή παραγωγής, διότι η αλυσίδα απλοποιεί τη διαδικασία συναρμολόγησης ενός κινητήρα και δεν χρειάζεται να είσαι μηχανικός του HRC για να “κουμπώσεις” σωστά τα γρανάζια μεταξύ τους.

Ακριβώς αυτή τη λύση ακολούθησε και η Ducati στους δικούς της V4 κινητήρες παραγωγής, όχι όμως στους αγωνιστικούς των MotoGP.

Αν οι προδιαγραφές Euro 5 και Euro 5+ δεν ήταν τόσο αυστηροί με τον θόρυβο, να είστε σίγουροι πως όλα τα superbike παραγωγής της τελευταίας διετίας θα είχαν γρανάζια για την κίνηση των εκκεντροφόρων. Τα προηγούμενα χρόνια δεν χρειαζόταν διότι οι κανονισμοί των WSBK επέτρεπαν στους κατασκευαστές να κάνουν πολύ μεγάλες αλλαγές στο σχεδιασμό των κινητήρων που χρησιμοποιούσαν στους αγώνες.