Vélaruppbygging útskýrð: Raðvélar, V-vélar og boxaravélar

Í árdaga 20. aldarinnar, þegar bílaverkfræðin þróaðist á fullum hraða, gat 10 lítra vél verið annaðhvort einsstrokka eining eða, segjum, raðvél með átta strokkum. Á þeim tíma sló enginn auga yfir 23 lítra raðsexu eða sjö strokka stjörnuvél úr flugvél sem flutt hafði verið í bíl.

Eftir því sem fjöldaframleiðsla jókst og kostnaðarþrýstingur magnaðist féll allt á sinn stað. Einsstrokka vélin varð að minjum fortíðar. Í dag liggur meðalslagrými hvers strokks í venjulegri bílvél á milli 300 og 600 rúmsentimetra, og afköst á lítra eru allt frá um 35 hö/l í sjálfsogandi dísilvél upp í 100 hö/l í afkastamikilli bensínvél. Þetta eru kjörsvæðin fyrir fjöldaframleiðslu — að fara út fyrir þau er einfaldlega ekki hagkvæmt.

En hvernig lítur nútíma vélaheimurinn út? Almennt séð:

• 100 hö vél hefur yfirleitt fjóra strokka
• 200 hö vél er yfirleitt með fjóra, fimm eða sex strokka
• 300 hö vél notar venjulega átta strokka

En hvernig er í raun hægt að raða þessum strokkum? Hvaða uppröðunarmöguleika hafa verkfræðingar þegar þeir hanna fjölstrokka vél? Skoðum það nánar.

Raðvélar: Einfaldar en sífellt óhentugri

Helsta spurningin í huga hvers vélahönnuðar er hvernig megi einfalda hönnunina — halda framleiðslukostnaði lágum og viðhaldi einföldu. Á þeim vettvangi ber raðvélin (línuvélin) höfuð og herðar yfir aðrar. Strokkunum er raðað í eina röð, og að auka rýmd er jafn einfalt og að bæta fleirum við.

Svona skiptast afbrigði raðvéla í reynd:

• Tveggja og þriggja strokka vélar eru tiltölulega sjaldgæfar í bílum, þótt tveggja strokka sniðið sé að gera endurkomu þökk sé háþróaðri eldsneytisinnsprautun og forþjöppun — 85 hö forþjappaða tveggja strokka vélin í Fiat 500 er gott dæmi.
• Raðfjarkinn er vinnuþjarkur fólksbílaheimsins og spannar slagrými frá 1,0 upp í 2,4 lítra.
• Raðfimmur eru nýrri af nálinni. Mercedes-Benz reið á vaðið með dísil-fimmstrokka vél árið 1974 (300D á W123-undirvagninum), og tveimur árum síðar fylgdi tveggja lítra bensín-fimmstrokka vél frá Audi, en Volvo og Fiat bættust í hópinn seint á níunda áratugnum.
• Raðsexur, sem lengi voru í uppáhaldi í Evrópu fyrir mýkt sína, hafa orðið sífellt sjaldgæfari. Enn lengra systkini þeirra, raðáttan, var í raun lögð af þegar á fjórða áratugnum.

Ástæðan fyrir þessari þróun er einföld: því fleiri strokka sem bætt er við, því lengri verður vélin — og það skapar alvarleg vandræði við að koma henni fyrir. Að koma raðsexu þversum fyrir í vélarrými framhjóladrifins bíls hefur til dæmis aðeins tekist í örfá skipti: Austin Maxi 2200 (þar sem gírkassanum þurfti að koma fyrir undir vélinni) og Volvo S80 með sínum afar fyrirferðarlitla gírkassa.

V-vélar og boxaravélar: Fyrirferðarlitlar en flóknar

En hvernig styttir maður raðvél? Glæsilega lausnin: skipta henni í tvennt, setja helmingana tvo hlið við hlið og láta báða knýja einn sveifarás. Það er kjarni V-vélarinnar.

Algengustu V-véla uppsetningarnar nota 60° eða 90° horn milli strokkaraðanna. Opnaðu hornið alla leið upp í 180° — þannig að strokkarnir vísi beint hvor frá öðrum — og þá fæst flöt vél, einnig þekkt sem boxaravél (þaðan koma heitin B2, B4, B6).

Málamiðlanirnar samanborið við raðvél eru umtalsverðar:

• Tvö strokklok — hvert með sína eigin pakkningu og greinarrör
• Fleiri knastásar og flóknari ventladrifsbúnaður
• Meiri breidd (sérstaklega hjá boxaravélum), sem takmarkar hvar hægt er að koma þeim fyrir
• Hærri framleiðslukostnaður og flóknara viðhald

Vegna þessara ókosta eru boxaravélar aðeins notaðar af fáum framleiðendum — Porsche og Subaru eru þeir þekktustu í dag.

En hvað um að gera V-vél enn fyrirferðarminni með því að minnka hornið niður fyrir 60°? Það hefur verið gert — Lancia Fulvia frá áttunda áratugnum var með V4-vél með aðeins 23° horni. En það er hængur á: því þrengra sem hornið er, því erfiðara er að jafnvægisstilla vélina. Sem leiðir okkur að einni mikilvægustu áskoruninni í vélahönnun.

Titringur véla: Kraftar, vægi og hvernig á að temja þá

Engin stimpilbrunavél er algjörlega laus við titring — hann er óaðskiljanlegur hluti hönnunarinnar. En að hafa stjórn á titringi er afar mikilvægt, ekki aðeins fyrir þægindi farþega. Mikill ójafnvægistitringur getur eyðilagt vélarhluta með öllum þeim hörmulegu afleiðingum sem fylgja því þegar hlutar losna á miklum hraða.

Hvaðan kemur titringur véla? Helstu uppspretturnar eru þrjár:

• Ójöfn kveikjubil — í sumum vélauppsetningum verða sprengingarnar ekki með fullkomlega jöfnu millibili, sem skapar gárur í vægi. Þyngra svinghjól getur hjálpað til við að jafna þetta út.
• Tregðukraftar stimpla — þegar stimplar hraða upp á við og hægja á sér efst í slaginu (og öfugt neðst) mynda þeir tregðukrafta svipaða því sem þú finnur þegar bíll hemlar eða eykur hraðann.
• Lögun stimpilstangar — stimpilstöngin ferðast ekki í beinni línu og hreyfing stimpilsins er ekki fullkomin sínusbylgja, sem leiðir til viðbótar kraftþátta við margfeldi af snúningshraða sveifarássins.

Þessir hærri-stigs tregðukraftar eru almennt hverfandi — að undanskildum öðru-stigs kröftum, sem verka á tvöfaldri tíðni sveifarássins og ber alltaf að taka með í reikninginn. Þegar tregðukraftar í aðliggjandi strokkum verka í gagnstæðar áttir í fastri fjarlægð hver frá öðrum mynda þeir einnig vægispör, sem bætir enn einu lagi af flækjustigi við.

Verkfræðingar hafa tvö meginverkfæri til að berjast gegn þessum kröftum:

• Velja eðlislæga jafnvægisuppsetningu — raða strokkum og sveifararma þannig að kraftar og vægi eyði hvort öðru af sjálfu sér.
• Bæta við jafnvægisásum — aukaásum með mótvægisþyngdum sem snúast í gagnstæða átt við sveifarásinn og mynda jafnstóra og gagnstæða krafta. Þeir auka kostnað og vélrænt flækjustig en geta að fullu eytt vandkvæðum titringshömum.

Af öllum algengum véla uppsetningum eru aðeins tvær fræðilega fullkomlega í jafnvægi: raðsexan og boxarasexan. Þetta er einmitt ástæðan fyrir því að BMW og Porsche hafa haldið svo fast í þessar uppsetningar — og hvers vegna aðrir hafa verið tregir til að leggja þær af þrátt fyrir vandræðin við að koma þeim fyrir.

Jafnvægi véla eftir uppsetningu: Hagnýt leiðsögn

Skoðum hvernig hverri helstu vélauppsetningu reiðir af í raunheiminum þegar kemur að titringi og jafnvægi.

Tveggja strokka raðvélar (með sveifararma í sömu átt) haga sér líkt og einsstrokka vél hvað jafnvægi varðar — báðir stimplar rísa og falla í takt. Rússneski Oka notaði tvo gagnsnúna jafnvægisása til að ráða við fyrsta-stigs tregðukrafta, en öðru-stigs kröftum var látið ósvarað. Að bæta við tveimur jafnvægisásum til viðbótar hefði verið með öllu óhagkvæmt í svo litlum og ódýrum bíl. Margar tveggja strokka vélar — eins og upprunalegi Fiat 500 frá 1957 og indverski Tata Nano — gengu einfaldlega án nokkurra jafnvægisása og treystu á eftirgefanlegar vélarfestingar til að taka upp titringinn. Ódýrt, einfalt og ásættanlegt fyrir ódýra bíla.

Tveggja strokka vélar með sveifararma í 180° (stimplar á gagnstæðum fasa) bjóða upp á betra grunnjafnvægi en geta aðeins náð jöfnum kveikjubilum í tvígengisútgáfu — eins og notuð var í DKW-bílum fyrir stríð og afkomendum þeirra, austur-þýska Trabant.

V-tvinnvélar lifa í dag nær eingöngu á bifhjólum — Harley-Davidson og japanskir eftirhermir þeirra eru augljósu dæmin. NAMI-1 er nánast eini bíllinn sem nokkru sinni hefur notað þessa uppsetningu. Mótvægisþyngdir á sveifarásnum geta fært hana nálægt fullu jafnvægi, en jöfn kveikjubil eru áfram utan seilingar.

Þriggja strokka vélar eru verr í jafnvægi en raðfjarkar. Framleiðendur eins og Subaru og Daihatsu setja jafnvægisása sem staðalbúnað; ákvörðun Opel um að sleppa slíkum ási í Ecotec þriggja strokka vélinni fyrir aðra kynslóð Corsa sparaði kostnað en aflaði bílnum slæms orðspors hjá þýskum bílablöðum eftir frumraun hans árið 1996 — honum var lýst sem „algjörlega ómögulegum að aka um borgina við breytilegan akstur“.

Raðfjarkar — algengasta uppsetningin í heiminum — hafa frjálsan öðru-stigs tregðukraft sem aðeins er hægt að eyða með jafnvægisási sem snýst á tvöföldum hraða sveifarássins. Til að eyða væginu sem af því hlýst þarf annan gagnsnúinn ás. Dýrt, vissulega — en Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat og vörumerki Volkswagen-samstæðunnar hafa öll notað þessa uppsetningu þegar mýkt var nauðsynleg.

Boxarafjarkar standa sig örlítið betur en raðsystkini þeirra — aðeins öðru-stigs vægispar verður eftir, sem hneigist til að snúa vélinni um lóðrétta ás sinn. Engu að síður hafa bæði loftkælda Bjölluvélin og boxaravélar Subaru komist af án jafnvægisása í áratugi.

Raðfimmur hafa jafnaða grunntregðukrafta en þjást af rúllandi beygjuvægi sem ferðast stöðugt í gegnum vélarblokkina — sem krefst óvenju stífrar byggingar. Mercedes-Benz, Audi og Volvo tókust á við þetta með vönduðum vélarfestingum og mótvægisþyngdum (svo sem í forþjöppuðu 2.5 TFSI vélinni í Audi TT RS), á meðan verkfræðingar Fiat gengu lengra og notuðu fullan jafnvægisás.

Ein áhugaverð staðreynd: nánast allar fimm strokka vélar eru í grunninn fjögurra strokka vélar með einum auka strokki skrúfuðum á. Þessi einingaskipta nálgun gerir kleift að deila stimplum, stimpilstöngum og ventlabúnaði — aðeins blokkin, lokið og sveifarásinn (með sveifararma á 72° millibili) þurfa að breytast.

V6-vélar sem komu í stað raðsexa búa yfir sömu jafnvægiseiginleikum og þriggja strokka vél — sem er að segja, ekki kjörnum. Allra fyrsta Mercedes-Benz V6-vélin (M112, með þrjá ventla á strokk) tókst á við þetta með jafnvægisási sem komið var fyrir í dalnum milli strokkaraðanna. Þriggja lítra sex strokka vél PSA-samstæðunnar hafði slíkan ás í strokkloki. Aðrir framleiðendur völdu vandlega tilfærslu á sveifartöppum — eins og sést á V6-vél Audi — til að lágmarka titring án viðbótar flækjustigs. V6-vélar með 90° horni bæta við öðru vandamáli: eðlislægt ójöfnum kveikjubilum sem þungt svinghjól getur aðeins að hluta jafnað út.

V8-vélar með 90° rað-horni og sveifararma í tveimur innbyrðis hornréttum plönum eru í mjög góðu jafnvægi. Hægt er að ná jöfnum kveikjubilum, og aðeins tvö vægispör verða eftir — sem auðvelt er að ráða við með mótvægisþyngdum á endalegutöppum sveifarássins. Þetta er stór hluti ástæðunnar fyrir því að bandarískir verkfræðingar tóku V8-vélinni svo fagnandi: þeir einfaldlega þola ekki titring.

V4-vélar voru sjaldgæfar og eru nú nánast horfnar úr bílum. Evrópska Ford V4-vélin (notuð í Taunus, Capri og Saab 96) og hin sérkennilega V4-vél Zaporozhets kröfðust báðar jafnvægisáss vegna fyrsta-stigs vægispara. Fyrirferðarleysi og kostnaður voru drifkraftarnir — jafnvægi var aukaatriði.

V10-vélar búa yfir sömu jafnvægiseiginleikum og raðfimma. Það kom ekki í veg fyrir að hönnuðir Formúlu 1 véla, Dodge Viper eða Dodge RAM notuðu þær — þegar þú þarft aflið, þá ræður þú við titringinn.

Hvað varðar framandlegri uppsetningar: boxaráttan (eins og notuð var í Porsche 917 kappakstursbílum) er í raun tveir boxarafjarkar á sameiginlegum sveifarási, á meðan V12- og boxara-12 vélar má rekja til tveggja raðsexa — sem skýrir einstaka mýkt þeirra.

VR6, VR5 og W-vélar: Snilldarlausn Volkswagen í að koma vélum fyrir

Við minntumst á þröng-horna V-vélar eins og Lancia Fulvia fyrr. Í áratugi var þeim forðast — erfiðara að jafnvægisstilla þær en 60° eða 90° uppsetningar, með ávinningi í fyrirferð sem virtist ekki ómaksins virði. Svo breyttist forgangsröðin.

Tvær framfarir breyttu leiknum:

• Vökvafylltar vélarfestingar urðu víða fáanlegar, sem dró stórlega úr flutningi titrings óháð fræðilegu jafnvægi vélarinnar.
• Pláss undir vélarhlífinni varð sífellt af skornari skammti, sem gerði fyrirferðarleysi að eftirsóttum eiginleika. Hver hefði ímyndað sér hófstilltan hlaðbak fela 2,8 lítra sex strokka vél? Volkswagen lét það verða að veruleika.

Volkswagen VR6 — þar sem „VR“ stendur fyrir V-Reihen (V-röð) — gengur lengra með þröng-horna hugmyndina en Lancia gerði nokkru sinni, og notar aðeins 15° horn milli strokkaraða. Útkoman er svo fyrirferðarlítil að hún virkar í raun eins og hliðruð raðvél, og merkilegt nokk notar hún eitt strokklok fyrir báðar raðir. 2,8 lítra sex strokka vél sem kemst fyrir þar sem hefðbundin V6-vél kæmist ekki — frumsýnd í þriðju kynslóð Volkswagen Golf.

Þaðan héldu verkfræðingar Volkswagen áfram með hugmyndina:

• VR5 kom fram sem VR6 með einn strokk fjarlægðan.
• W8 sameinaði tvær styttar VR-einingar (fjóra strokka hvor) á einum sveifarási — sett í Passat eðalvagninn, flaggskip framleiðandans.
• W12 var frumsýnd árið 1998 í W12 Roadster hugmyndabílnum: tvær VR6-vélar paraðar í 72° horni á einum sveifarási.
• W16 — með fjórum forþjöppum — knýr Bugatti Veyron upp í 431 km/klst, sem gerir hana að öfgafyllstu fjöldaframleiddu útfærslu þessarar byggingar.

Hvers vegna voru þessar uppsetningar ekki til áður? Nútíma tölvustudd hönnun gerði þær mögulegar. Að fínstilla hornið, staðsetningu sveifartappa, kveikjuröð og jafnvægiseiginleika í svo flókinni rúmfræði hefði verið nánast ómögulegt án þess reikniafls sem varð til frá tíunda áratugnum og áfram. Sveifarás W12-vélar einn og sér er martröð fyrir rennismið — sú tegund hluta sem aðeins er vit í þegar tölva hefur staðfest hvert einasta vikmark.

Hvað skiptir raunverulega máli í vélahönnun í raunheiminum

Ef eitthvað eitt á að taka með sér úr þessu öllu, þá er það að fræðilegt jafnvægi er sjaldan úrslitaþátturinn þegar verkfræðingur velur vélauppsetningu. Raunverulegu forgangsatriðin eru:

• Fyrirferð — kemst hún fyrir í vélarrýminu?
• Þyngd og aflþéttleiki — hvað er besta hlutfallið fyrir tilganginn?
• Framleiðslukostnaður — getur hún deilt íhlutum á milli ólíkra gerða?
• Einingaskipan — í auknum mæli byggja framleiðendur heilar vélafjölskyldur á sameiginlegri stimpil- og strokkvíddar-byggingu, allt frá sparneytnum þriggja strokka vélum upp í tólf strokka flaggskip

Núverandi vélaúrval Mercedes-Benz er kennslubókardæmi um einingaskiptu nálgunina: sameiginleg bygging liggur til grundvallar vélum með gríðarlega ólík afköst og strokkafjölda.

Og hvað titring varðar — það er vert að muna að fræðilegt og raunverulegt jafnvægi eru tveir gjörólíkir hlutir. Jafnvel fullkomlega jafnvægisstillt raðsexa mun titra ef sveifaráshlutirnir eru ekki rétt jafnvægisstilltir eða ef stimplar hennar og stimpilstangir eru áberandi mismunandi að þyngd. Vikmörk í raunverulegri framleiðslu og aflögun íhluta undir álagi þýða að engin vél er nokkru sinni jafn mjúk í reynd og jöfnurnar gefa til kynna. Þess vegna er hönnun vélarfestinga — hvernig aflrásin er einangruð frá restinni af bílnum — alveg jafn mikilvæg og uppsetningin sjálf. Stundum mikilvægari.

Þetta er þýðing. Þú getur lesið frumtextann hér: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html