Ελατήρια Πιστονιών

Τα ελατήρια πιστονιών επιτελούν μία από τις πιο δύσκολες εργασίες στο εσωτερικό ενός κινητήρα. Ανεβοκατεβαίνουν χιλιάδες φορές το λεπτό, υποβάλλονται σε έντονες θερμοκρασίες και ακραίες πιέσεις και συνεχώς “σκουπίζουν” εμπρός και πίσω τα τοιχώματα των κυλίνδρων. Καθ’ όλη αυτή τη διάρκεια, τα ελατήρια αναμένεται να σφραγίσουν την καύση και το κενό, να αποτρέψουν το blowby, να ελέγξουν την κατανάλωση του λαδιού, να εξασφαλίσουν τη λίπανση των τοιχωμάτων των κυλίνδρων, να ψύξουν τα έμβολα και – το πιο σημαντικό – να παραμείνουν σε καλή κατάσταση για μεγάλη διάρκεια (150.000+ μίλια σε μηχανή επιβατικού αυτοκίνητου ή ελαφρού φορτηγού ή μέχρι 1.000.000 μίλια σε βαριά φορτηγά ντίζελ).

Φινίρισμα Κυλίνδρων

Ανεξάρτητα από το είδος ελατηρίων ή των liners χρησιμοποιούνται σε ένα κινητήρα επιδόσεων, τα ελατήρια συνήθως “κάθονται” καλύτερα και διαρκούν περισσότερο όταν οι κύλινδροι υποβάλλονται σε φινίρισμα. Το φινίρισμα αυτό ουσιαστικά διπλασιάζει το τύπου broke-n φινίρισμα, ώστε να υπάρχει λιγότερο scrubbing και φθορά των ελατηρίων κατά τη διάρκεια συναρμολόγησης των κινητήρων. Επιπλέον, αν η επιφάνεια έχει φινιριστεί σωστά, θα παρέχει επίπεδες κι ομαλές επιφάνειες για να υποστηρίξει τα ελατήρια, ενώ παράλληλα θα συγκρατεί λάδι στις κοιλάδες διασταύρωσης (crosshatch valleys) για τη λίπανση των ελατηρίων.

Οι περισσότεροι κατασκευαστές ελατηρίων προτείνουν να χρησιμοποιείται μια διαδικασία λείανσης δύο ή τριών βημάτων για το φινίρισμα των κυλίνδρων. Κατ’ αρχάς, ένα σκληρό γυάλισμα έως το 0,003 του τελικού μεγέθους ώστε να παραμείνει αρκετό μη επεξεργασμένο μέταλλο για τα επόμενα βήματα.

Κατόπιν, για απλό χυτοσίδηρο ή χρωμιωμένα ελατήρια σε εργοστασιακό μοτέρ ή μοτέρ dirt track, γυάλισμα με πέτρες καρβιδίου σιλικόνης #220 (ή #280 – #400 διαμαντένιες πέτρες) έως το 0,0005 του τελικού μεγέθους. Στη συνέχεια, ολοκλήρωση της επεξεργασίας με λίγες κινήσεις χρησιμοποιώντας ειδικό εργαλείο λείανσης από πλαστικό νάιλον, πέτρες από φελλό ή μια εύκαμπτη λειαντική βούρτσα.

Για ελατήρια τύπου moly faced σε βολτίσια, drag ή κυκλικής πίστας μοτέρ, γυάλισμα με συμβατικό λειαντικό καρβιδίου σιλικόνης #280 και στη συνέχεια ολοκλήρωση με συνοπτικό γυάλισμα έως το τελικό μέγεθος με υαλοποιημένες πέτρες #400 ή διαμαντένιες πέτρες #600 (ή και υψηλότερο νούμερο), εργαλείο γυαλίσματος, πέτρες από φελλό ή βούρτσα.

Για στοκ και μοτέρ βόλτας με ελατήρια τύπου moly, συνήθως συνιστάται φινίρισμα κατά μέσο όρο 15 – 20 Ra. Για ανώτερες κατηγορίες αγώνων, το φινίρισμα μπορεί να γίνει λίγο πιο ομαλά, υπό την προϋπόθεση ότι δεν θα (glaze) γυαλιστούν οι κύλινδροι.

Για μοτέρ υψηλών επιδόσεων, με ελατήρια τύπων moly ή nitrited, γυάλισμα με υαλοποιημένες πέτρες # 320 ή #400 και ολοκλήρωση με #600 με πέτρες από φελλό, εργαλείο λείανσης οροφής ή βούρτσα.

Αν οι κύλινδροι είναι έντονα επεξεργασμένοι με διαμάντι, μπορούν να τελειοποιηθούν με λεπτότερο διαμάντι, με λεπτό υαλοποιημένο λειαντικό λείανσης ή με εργαλείο λείανσης ή με πινέλο. Επειδή το διαμάντι είναι σκληρότερο υλικό και φθείρεται πιο αργά από τα συμβατικά λειαντικά, κόβει διαφορετικά και πολλοί απαιτούν μεγαλύτερη πίεση κατά τη διάρκεια γυαλίσματος. Αλλά πολλές νεότερες πέτρες με διαμάντια χρησιμοποιούν πλέον ένα πιο εύθραυστο υλικό που όμως παραμένει αιχμηρό, επιτρέποντας στις πέτρες να κόβουν ομαλότερα και να αφήνουν ένα στρογγυλό, ομαλότερο φινίρισμα.

Όταν χρησιμοποιείτε πέτρες διαμαντιού αντί για υαλοποιημένα λειαντικά, πρέπει γενικά να χρησιμοποιείτε μεγαλύτερο αριθμό κόκκων για να επιτύχετε την ίδια επιφάνεια επιφανείας Ra (μέση τραχύτητα). Για παράδειγμα, αν χρησιμοποιείτε συμβατικές πέτρες # 220 για να ολοκληρώσετε τους κυλίνδρους για δαχτυλίδια από απλό χυτοσίδηρο ή χρώμιο, οι ισοδύναμες πέτρες με διαμάντια μπορεί να είναι πέτρες # 400 – # 500. Οι πραγματικοί αριθμοί θα διαφέρουν κάπως ανάλογα με το εμπορικό σήμα και την ποιότητα των λίθων.

Υπάρχουν μαλακά εργαλεία λείανσης με μικρο-νήματα τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν με φορητό ή αυτόματο εξοπλισμό γυαλίσματος. Ένας άλλος τύπος βούρτσας χρησιμοποιεί χυτές λειαντικές σφαίρες που είναι τοποθετημένες σε εύκαμπτους μεταλλικούς άξονες έτσι ώστε οι μπάλες να μπορούν εύκολα να προσαρμοστούν στην επιφάνεια. Το βούρτσισμα βοηθάει να σκουπίσετε σχισμένο και διπλωμένο μέταλλο στην επιφάνεια ενώ ταυτόχρονα να αφαιρείτε πολλές από τις αιχμηρές κορυφές για να κάνετε την επιφάνεια πιο ομαλή.

Όταν ολοκληρώνετε τους κυλίνδρους με μια βούρτσα, απαιτείται ελαφριά πίεση. Οι στροφές της βούρτσας θα πρέπει να είναι παρόμοιες με εκείνες της αρχικής επεξεργασίας του κυλίνδρου, ενώ δεν πρέπει να εφαρμοστούν περισσότερες από 16 – 18 κινήσεις (μερικοί λένε ότι 8-10 κτυπήματα είναι αρκετά). Πάρα πολλές κινήσεις με μια βούρτσα μπορεί να παράγουν πολύ ομαλό φινίρισμα σε έναν κύλινδρο από χυτοσίδηρο που δεν θα συγκρατεί λάδι. Η αντιστροφή της κατεύθυνσης περιστροφής κατά το βούρτσισμα βοηθά στην απομάκρυνση του ανεπιθύμητου υλικού στην επιφάνεια. Το τελικό αποτέλεσμα θα πρέπει να είναι ένας κύλινδρος που παρέχει άμεση στεγανοποίηση ελατηρίων με ελάχιστη αν υπάρχει φθορά στο τοίχωμα ή στα ελατήρια των κυλίνδρων κατά την εκκίνηση του κινητήρα.

Με τις σωστές τεχνικές λείανσης, θα πρέπει να φτάσετε την επιφάνεια σε μια μέση τραχύτητα 8-12 Ra ή μικρότερη, με RPK (σχετικό ύψος κορυφής) στην περιοχή 5-15 και RVK (σχετικό βάθος κοιλάδας) στην περιοχή 15-30. Αυτοί οι αριθμοί δεν έχουν νόημα αν δεν έχετε ένα κατάλληλο εργαλείο μέτρησης της τραχύτητας της επιφανείας (εργαλείο που έχουν, πια, όλο και περισσότεροι καταστήματα βελτιώσεων).

Γεωμετρία Κυλίνδρων

Η γεωμετρία των κυλίνδρων είναι ιδιαίτερα σημαντική στις μηχανές επιδόσεων λόγω των υψηλότερων πιέσεων που δημιουργούνται και των υψηλότερων rpms στις οποία λειτουργούν. Η χρήση της πλάκας ροπής είναι απαραίτητη για όλους τους κινητήρες υψηλής απόδοσης διότι αντισταθμίζει την παραμόρφωση των κυλίνδρων που συμβαίνει όταν τοποθετούνται οι κεφαλές.

Τυπικά, οι κύλινδροι έχουν την τάση να τσακίζονται και να παραμορφώνονται στις περιοχές που βρίσκονται δίπλα στα μπουλόνια της κεφαλής. Ανάλογα με το πόσα μπουλόνια κεφαλής βρίσκονται γύρω από τον κύλινδρο, θα προκύψουν τέσσερεις, πέντε, έξι ή περισσότερες περιοχές παραμόρφωσης. Επιμήκης παραμόρφωση μπορεί επίσης να προκύψει από την πλευρική φόρτωση κατά τη διάρκεια της διεργασίας λείανσης.

Οι κύλινδροι πρέπει να είναι στρογγυλοί και ίσιοι με ανοχή .0005 ή λιγότερο (ιδανικά, .0002 – .0003). Οι στρεβλώσεις των κυλίνδρων είναι κακές στις υψηλές στροφές, επειδή μπορούν να αποτρέψουν την προσαρμογή των ελατηρίων στην επιφάνεια, επιτρέποντας μεγαλύτερη κατανάλωση καπνού και λαδιού. Εάν οι κύλινδροι δεν είναι ίσιοι, τα ελατήρια μπορούν να αναπηδήσουν μακριά από την επιφάνεια και να χάσουν τη σφράγισή τους με τα ίδια προαναφερόμενα αποτελέσματα.

Η ποσότητα της παραμόρφωσης που παρατηρείται εξαρτάται από το μπλοκ, τη θέση των κυλίνδρων, τη σχεδίαση των κεφαλών και τα φορτία (ποσότητα σφιξίματος) των μπουλονιών κεφαλής. Όσο υψηλότερα είναι τα φορτία των μπουλονιών κεφαλής και όσο λιγότερο άκαμπτο είναι το μπλοκ, τόσο περισσότερη παραμόρφωση συμβαίνει στους κυλίνδρους.

Ανεξάρτητα από το πόσο απόλυτα ίσια και στρογγυλή μπορεί να είναι, όταν γίνεται μηχανουργική κατεργασία, η τρύπα του κυλίνδρου θα αλλάξει σχήμα όταν τοποθετούνται τα πιστόνια και όταν ο κινητήρας φτάσει σε κανονικές θερμοκρασίες λειτουργίας. Οι δοκιμές έδειξαν ότι οι τρύπες των κυλίνδρων μπορούν να στρεβλώσουν έως και 0,0035 στους 104 °C σε σύγκριση με τη κατάστασή τους σε θερμοκρασία δωματίου. Μικρότερη παραμόρφωση, όταν ο κινητήρας είναι ζεστός, σημαίνει καλύτερη σφράγιση και λιγότερες απώλειες.

Θερμό Φινίρισμα

Το θέμα του θερμού φινιρίσματος, ως εκ τούτου, προκάλεσε έντονη συγκίνηση μεταξύ των κατασκευαστών κινητήρων επιδόσεων που την αναζητούσαν με σκοπό να παράσχουν ευθυγραμμισμένες οπές κυλίνδρων, μειώνοντας την κατανάλωση λαδιού, τη φθορά και τριβή του κινητήρα.

Όσον αφορά τη μείωση των τριβών, το θερμό φινίρισμα υποστηρίζεται ότι προσφέρει βελτίωση 1% – 2%, κάτι που είναι αρκετό για ίσως 5 – 6 hp σε κινητήρα 600 ίππων. Οι αριθμοί δεν είναι τεράστιοι, αλλά σε μια αυστηρών προδιαγραφών κατηγορία αγώνων κάθε πλεονέκτημα βοηθά.

Το θερμό φινίρισμα είναι το πιο υποσχόμενο για μηχανές αντοχής που τρέχουν σε υψηλές στροφές σε αγώνες μακράς διαρκείας. Παρέχει όμως λιγότερα οφέλη σε αγώνες dragracing ή street racing. Σε αυτούς τους αγώνες, σημαντική βελτίωση μπορεί να προκύψει από τη χρήση πλακών ροπής.

Απόσπασμα άρθρου που μεταφράστηκε από το περιοδικό Engine Builder, April 2006.