Il-Konfigurazzjoni tal-Magni Spjegata: Magni Dritti, f'Forma ta' V, u Ċatti

Fil-bidu tas-seklu 20, meta l-inġinerija awtomobilistika kienet qed timxi ‘l quddiem bl-aktar veloċità, magna ta’ 10 litri setgħet tkun jew unità b’ċilindru wieħed jew, ngħidu aħna, dritta tmienja. Dak iż-żmien, ħadd ma kien jistagħġeb b’magna dritta sitta ta’ 23 litru jew b’magna radjali tal-ajruplani b’seba’ ċilindri li ġiet trapjantata f’karozza.

Hekk kif il-produzzjoni tal-massa kibret u l-pressjoni fuq l-ispejjeż żdiedet, kollox waqa’ f’postu. Il-magna b’ċilindru wieħed saret fdal tal-passat. Illum, l-ispostament medju ta’ ċilindru f’magna konvenzjonali ta’ karozza jinsab bejn 300 u 600 ċentimetru kubu, bi produzzjoni speċifika li tvarja minn madwar 35 hp/l f’diżil naturalment aspirat sa 100 hp/l f’magna tal-petrol b’rendiment għoli. Dawn huma l-punti ideali għall-produzzjoni tas-suq tal-massa — li toħroġ minnhom sempliċement mhuwiex ekonomiku.

Mela kif tidher il-pajsaġġ modern tal-magni? B’mod ġenerali:

• Magna ta’ 100 hp tipikament ikollha erba’ ċilindri
• Magna ta’ 200 hp normalment tħaddem erba’, ħamsa, jew sitt ċilindri
• Magna ta’ 300 hp komunement tuża tmien ċilindri

Imma kif jistgħu fil-fatt jiġu rranġati dawn iċ-ċilindri? X’għażliet ta’ tqassim għandhom l-inġiniera meta jiddisinjaw magna b’ħafna ċilindri? Ejja nanalizzawha.

Magni Dritti: Sempliċi imma Dejjem Aktar Imprattiċi

L-ewwel mistoqsija f’moħħ kull min jiddisinja l-magni hija kif tissimplifika d-disinn — billi żżomm l-ispejjeż tal-produzzjoni baxxi u l-manutenzjoni sempliċi. F’dak ir-rigward, il-magna in-line (dritta) tirbaħ b’mod ċar. Iċ-ċilindri huma rranġati f’ringiela waħda, u li żżid il-kapaċità huwa daqstant faċli daqs li żżid aktar minnhom.

Hawn kif jitqassmu fil-prattika l-varjanti tal-magna dritta:

• Il-magni b’żewġ u tliet ċilindri huma relattivament rari fil-karozzi, għalkemm il-format b’żewġ ċilindri qed jerġa’ jirritorna grazzi għall-injezzjoni avvanzata tal-fjuwil u t-turbocharging — il-magna b’żewġ ċilindri turbocharged ta’ 85 hp fil-Fiat 500 hija eżempju ewlieni.
• Il-dritta erbgħa hija ż-żiemel tax-xogħol fid-dinja tal-karozzi tal-passiġġieri, u tkopri spostamenti minn 1.0 sa 2.4 litri.
• Il-magni dritti ħamsa huma żvilupp aktar reċenti. Mercedes-Benz kienet pijuniera tad-diżil b’ħames ċilindri fl-1974 (l-300D fuq il-pjattaforma W123), segwita mill-magna tal-petrol b’ħames ċilindri ta’ żewġ litri ta’ Audi sentejn wara, imbagħad Volvo u Fiat ingħaqdu fl-aħħar tas-snin tmenin.
• Il-magni dritti sitta, ilhom favoriti fl-Ewropa minħabba l-mod liss tagħhom, saru dejjem aktar rari. L-aħwa tagħhom saħansitra itwal, id-dritta tmienja, ġiet effettivament abbandunata fis-snin tletin.

Ir-raġuni għal din it-tendenza hija sempliċi: iktar ma żżid ċilindri, iktar twila ssir il-magna — u dan joħloq uġigħ ta’ ras serju fl-imballaġġ. Li tqiegħed dritta sitta b’mod trasversali fil-kompartiment tal-magna ta’ karozza b’trazzjoni fuq quddiem, pereżempju, irnexxa biss f’ftit każijiet: l-Austin Maxi 2200 (li kien jeħtieġ li l-kaxxa tal-ingranaġġi titqiegħed taħt il-magna) u l-Volvo S80 bil-kaxxa tal-ingranaġġi ultra-kompatta tagħha.

Magni f’Forma ta’ V u Ċatti: Kompatti imma Kumplessi

Mela kif tqassar magna in-line? Is-soluzzjoni eleganti: aqsamha fin-nofs, poġġi ż-żewġ nofsijiet ġenb ma’ ġenb, u saq crankshaft wieħed biż-żewġ partijiet. Dik hija l-essenza tal-magna V.

L-aktar konfigurazzjonijiet komuni tal-magna V jużaw angolu inkluż ta’ 60° jew 90° bejn il-bankijiet taċ-ċilindri. Imbotta dak l-angolu sa 180° — biċ-ċilindri jippuntaw direttament ‘il bogħod minn xulxin — u tikseb magna ċatta, magħrufa wkoll bħala magna boxer (minn hawn id-deżinjazzjonijiet B2, B4, B6).

Il-kompromessi meta mqabbla ma’ magna dritta huma sinifikanti:

• Żewġ irjus taċ-ċilindri — kull wieħed bil-gasket u l-manifolds tiegħu
• Aktar camshafts u arranġament aktar kumpless tal-valvijiet
• Wisa’ akbar (speċjalment għall-magni ċatti), li tillimita fejn jistgħu jiġu installati
• Spiża tal-manifattura ogħla u servizz aktar kumpless

Minħabba dawn l-iżvantaġġi, il-magni ċatti jintużaw biss minn numru żgħir ta’ manifatturi — Porsche u Subaru huma l-aktar notevoli llum.

X’inhi l-ħaġa dwar li tagħmel magna V saħansitra aktar kompatta billi tnaqqas l-angolu inkluż taħt is-60°? Saret — il-Lancia Fulvia tas-snin sebgħin ħaddmet V4 b’angolu ta’ 23° biss. Imma hemm problema: iktar ma jkun dejjaq l-angolu, iktar diffiċli tkun biex tibbilanċja l-magna. Li jwassalna għal waħda mill-aktar sfidi kritiċi fid-disinn tal-magni.

Il-Vibrazzjoni tal-Magna: Forzi, Torki, u Kif Trażżanhom

L-ebda magna b’kombustjoni interna bil-pistuni mhija kompletament ħielsa mill-vibrazzjoni — hija inerenti fid-disinn. Imma l-immaniġġjar tal-vibrazzjoni huwa kritiku, mhux biss għall-kumdità tal-passiġġieri. Vibrazzjoni qawwija u żbilanċjata tista’ teqred fiżikament komponenti tal-magna, bil-konsegwenzi katastrofiċi kollha li jiġu meta partijiet jittajru bil-libertà b’veloċità għolja.

Minn fejn tiġi l-vibrazzjoni tal-magna? Hemm tliet sorsi prinċipali:

• Intervalli ta’ tisparar mhux uniformi — f’xi konfigurazzjonijiet tal-magna, il-power strokes ma jisparawx f’intervalli perfettament ugwali, u joħolqu mewġ tat-torque. Flywheel itqal jista’ jgħin biex iħaffef dan.
• Forzi tal-inerzja tal-pistuni — hekk kif il-pistuni jaċċeleraw ‘il fuq u jiddeċeleraw fil-quċċata tal-istroke tagħhom (u viċeversa fil-qiegħ), jiġġeneraw forzi inerzjali simili għal dak li tħoss meta karozza tiffrena jew taċċelera.
• Il-ġeometrija tal-connecting rod — il-connecting rod ma jivvjaġġax f’linja dritta, u l-moviment tal-piston mhuwiex sinusojde perfett, li jintroduċi komponenti ta’ forza addizzjonali f’multipli tal-veloċità tal-crankshaft.

Dawn il-forzi inerzjali ta’ ordni ogħla huma ġeneralment negliġibbli — ħlief għall-forzi tat-tieni ordni, li jaġixxu għad-doppju tal-frekwenza tal-crankshaft u dejjem iridu jiġu meqjusa. Meta l-forzi inerzjali f’ċilindri ġirien jaġixxu f’direzzjonijiet opposti f’distanza fissa minn xulxin, jiġġeneraw ukoll kopji ta’ torque, u jżidu saff ieħor ta’ kumplessità.

L-inġiniera għandhom żewġ għodod prinċipali biex jiġġieldu dawn il-forzi:

• Agħżel konfigurazzjoni bbilanċjata b’mod inerenti — irranġa ċ-ċilindri u t-throws tal-crankshaft b’tali mod li l-forzi u t-torki jikkanċellaw lil xulxin b’mod naturali.
• Żid balance shafts — shafts sekondarji b’kontrapiżi li jduru fid-direzzjoni opposta għall-crankshaft, u jiġġeneraw forzi ugwali u opposti. Dawn iżidu l-ispiża u l-kumplessità mekkanika imma jistgħu jinnewtralizzaw kompletament modi ta’ vibrazzjoni problematiċi.

Mit-tqassim komuni kollu tal-magni, tnejn biss huma teoretikament bbilanċjati b’mod perfett: id-dritta sitta u ċ-ċatta sitta. Din hija preċiżament ir-raġuni għaliex BMW u Porsche żammew ma’ dawn il-konfigurazzjonijiet b’tant determinazzjoni — u għaliex oħrajn kienu riluttanti li jabbandunawhom minkejja l-isfidi tal-imballaġġ.

Il-Bilanċ tal-Magna skont il-Konfigurazzjoni: Gwida Prattika

Ejja naraw kif kull konfigurazzjoni ewlenija tal-magna timxi fid-dinja reali fir-rigward tal-vibrazzjoni u l-bilanċ.

Il-magni dritti b’żewġ ċilindri (cranks fl-istess direzzjoni) jġibu ruħhom b’mod simili għal magna b’ċilindru wieħed fir-rigward tal-bilanċ — iż-żewġ pistuni jitilgħu u jinżlu f’fażi. L-Oka Russa użat żewġ balance shafts li jduru f’direzzjonijiet opposti biex tindirizza l-forzi inerzjali tal-ewwel ordni, imma l-forzi tat-tieni ordni tħallew mhux ikkontrollati. Li żżid żewġ balance shafts oħra kien ikun kompletament imprattiku fuq karozza daqshekk żgħira u affordabbli. Ħafna magni b’żewġ ċilindri — bħall-Fiat 500 oriġinali tal-1957 u t-Tata Nano Indjana — sempliċement ħadmu mingħajr ebda balance shaft, u sserraħu fuq mounts tal-magna flessibbli biex jassorbu l-vibrazzjoni. Irħas, sempliċi, u aċċettabbli għal applikazzjonijiet baġitarji.

Il-magni b’żewġ ċilindri bil-cranks f’180° (pistuni jiċċaqilqu f’antifażi) joffru bilanċ primarju aħjar imma jistgħu jiksbu intervalli ta’ tisparar uniformi biss f’forma ta’ żewġ strokes — kif użat fid-DKWs ta’ qabel il-gwerra u d-dixxendenti tagħhom, it-Trabant tal-Ġermanja tal-Lvant.

Il-magni V-twin jibqgħu jeżistu llum kważi esklussivament fuq il-mutoċikletti — Harley-Davidson u l-imitaturi Ġappuniżi tagħha huma l-eżempji ovvji. In-NAMI-1 tibqa’ kważi l-unika karozza li qatt użat dan it-tqassim. Il-kontrapiżi fuq il-crankshaft jistgħu jġibuha qrib bilanċ sħiħ, imma intervalli ta’ tisparar uniformi jibqgħu impossibbli li jintlaħqu.

Il-magni bi tliet ċilindri huma bbilanċjati agħar minn dritta erbgħa. Manifatturi bħal Subaru u Daihatsu jinstallaw balance shafts bħala standard; id-deċiżjoni ta’ Opel li taqbeż wieħed fil-magna Ecotec bi tliet ċilindri għat-tieni ġenerazzjoni tal-Corsa ffrankat l-ispiża imma kisbet lill-karozza reputazzjoni ħarxa mal-istampa awtomobilistika Ġermaniża wara d-debutt tagħha fl-1996 — ġiet deskritta bħala “assolutament impossibbli biex issuq madwar il-belt f’modi varjabbli”.

Il-magni dritti b’erba’ ċilindri — l-aktar tqassim komuni fid-dinja — għandhom forza inerzjali tat-tieni ordni libera li tista’ tiġi nnewtralizzata biss minn balance shaft li jaħdem għad-doppju tal-veloċità tal-crankshaft. Biex tikkanċella t-torque li jirriżulta, hemm bżonn ta’ tieni shaft li jdur fid-direzzjoni opposta. Għali, iva — imma Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat, u l-brands tal-Grupp Volkswagen kollha użaw din is-sistema meta r-raffinatezza kienet teħtieġha.

Il-magni ċatti b’erba’ ċilindri jagħmlu ftit aħjar mill-kontropartijiet in-line tagħhom — tibqa’ biss kopja ta’ torque tat-tieni ordni, li tixtieq iddawwar il-magna madwar l-assi vertikali tagħha. Anke hekk, kemm il-magna tal-Beetle imkessħa bl-arja kif ukoll l-unitajiet boxer ta’ Subaru rnexxielhom jaħdmu mingħajr balance shafts għal għexieren ta’ snin.

Il-magni dritti b’ħames ċilindri għandhom il-forzi inerzjali primarji kkumpensati imma jbatu minn torque tal-liwi (rolling bending) li kontinwament jivvjaġġa mill-blokk — u jeħtieġu struttura eċċezzjonalment riġida. Mercedes-Benz, Audi, u Volvo indirizzaw dan permezz ta’ mounts tal-magna raffinati u kontrapiżi (bħat-2.5 TFSI supercharged fl-Audi TT RS), filwaqt li l-inġiniera ta’ Fiat marru aktar ‘il bogħod u użaw balance shaft sħiħ.

Nota interessanti waħda: kważi l-magni kollha b’ħames ċilindri huma essenzjalment magni b’erba’ ċilindri b’ċilindru żejjed wieħed imwaħħal magħhom. Dan l-approċċ modulari jippermetti li jiġu kondiviżi l-pistuni, il-connecting rods, u l-komponenti tal-valvetrain — biss il-blokk, ir-ras, u l-crankshaft (bit-throws f’intervalli ta’ 72°) jeħtieġ li jinbidlu.

Il-magni V6 li ħadu post id-dritti sitta jikkondividu l-istess karatteristiċi ta’ bilanċ ma’ magna bi tliet ċilindri — li jfisser, mhux ideali. L-ewwel V6 ta’ Mercedes-Benz (l-M112, bi tliet valvijiet għal kull ċilindru) indirizzat dan b’balance shaft immuntat fil-wied bejn il-bankijiet. Is-sitt ċilindri ta’ tliet litri tal-Grupp PSA poġġiet wieħed f’ras taċ-ċilindru. Manifatturi oħra għażlu li joffsetjaw bir-reqqa l-crank pin — kif jidher fil-V6 ta’ Audi — biex jimminimizzaw il-vibrazzjoni mingħajr il-kumplessità miżjuda. Il-magni V6 b’angolu inkluż ta’ 90° iżidu uġigħ ta’ ras ieħor: intervalli ta’ tisparar mhux uniformi b’mod inerenti li flywheel ippiżat jista’ jħaffef biss parzjalment.

Il-magni V8 b’angolu tal-bank ta’ 90° u throws tal-crankshaft f’żewġ pjani perpendikulari għal xulxin huma bbilanċjati tajjeb ħafna. Intervalli ta’ tisparar uniformi jistgħu jintlaħqu, u jibqgħu biss żewġ kopji ta’ torque residwu — faċilment indirizzati b’kontrapiżi fuq il-ġurnali tat-truf tal-crankshaft. Din hija parti kbira mir-raġuni għaliex l-inġiniera Amerikani ħaddnu l-V8 b’tant entużjażmu: sempliċement ma jittollerawx il-vibrazzjoni.

Il-magni V4 kienu rari u issa huma kważi estinti fil-karozzi. Il-V4 Ewropew ta’ Ford (użat fit-Taunus, Capri, u Saab 96) u l-V4 stramb tal-Zaporozhets it-tnejn kienu jeħtieġu balance shaft għall-kopji ta’ torque tal-ewwel ordni. Il-kompattezza u l-ispiża kienu l-fatturi mexxejja — il-bilanċ kien sekondarju.

Il-magni V10 jikkondividu l-istess karatteristiċi ta’ bilanċ ma’ dritta ħamsa. Dan ma waqqafx lid-disinjaturi tal-magni tal-Formula 1, id-Dodge Viper, jew id-Dodge RAM milli jużawhom — meta jkollok bżonn il-qawwa, timmaniġġja l-vibrazzjoni.

Fir-rigward tat-tqassim aktar eżotiku: iċ-ċatta tmienja (kif użata fil-karozzi tat-tlielaq Porsche 917) hija effettivament żewġ ċatti erbgħa fuq crankshaft komuni, filwaqt li l-magni V12 u ċatta 12 jirriduċu għal żewġ dritti sitta — li jispjega l-mod liss eċċezzjonali tagħhom.

Magni VR6, VR5, u W: Il-Kapulavur tal-Imballaġġ ta’ Volkswagen

Aktar kmieni semmejna l-magni V b’angolu dejjaq bħall-Lancia Fulvia. Għal għexieren ta’ snin dawn kienu evitati — aktar diffiċli biex jiġu bbilanċjati minn tqassim ta’ 60° jew 90°, bi gwadanji ta’ imballaġġ li ma kinux jidhru li jiswew it-taħbit. Imbagħad il-prijoritajiet inbidlu.

Żewġ żviluppi bidlu l-logħba:

• Il-mounts idrawliċi tal-magna saru disponibbli b’mod wiesa’, u rażżnu b’mod drammatiku t-trażmissjoni tal-vibrazzjoni irrispettivament mill-bilanċ teoretiku tal-magna.
• L-ispazju taħt il-bonnet sar dejjem aktar skars, u għamel il-kompattezza karatteristika ta’ valur kbir. Min kien jimmaġina hatchback modesta li taħbi magna sitta ta’ 2.8 litri? Volkswagen għamlitha realtà.

Il-Volkswagen VR6 — fejn il-“VR” tirrappreżenta V-Reihen (V-in-line) — tieħu l-kunċett tal-angolu dejjaq aktar ‘il bogħod milli qatt għamlet Lancia, billi tuża angolu ta’ 15° biss bejn il-bankijiet. Ir-riżultat huwa daqshekk kompatt li effettivament jiffunzjona bħala magna in-line offset, u b’mod notevoli, juża ras waħda taċ-ċilindru għaż-żewġ bankijiet. Magna sitta ta’ 2.8 litri li toqgħod fejn V6 konvenzjonali ma kinitx toqgħod — iddebuttat fit-tielet ġenerazzjoni tal-Volkswagen Golf.

Minn hemm, l-inġiniera ta’ Volkswagen marru ‘l quddiem bil-kunċett:

• Il-VR5 waslet bħala l-VR6 b’ċilindru wieħed imneħħi.
• Il-W8 għaqqdet żewġ unitajiet VR imqassra (erba’ ċilindri kull waħda) fuq crankshaft wieħed — installata fis-sedan ammirall Passat.
• Il-W12 iddebuttat fl-1998 fuq il-concept W12 Roadster: żewġ magni VR6 magħquda f’angolu ta’ 72° fuq crankshaft wieħed.
• Il-W16 — b’erba’ turbochargers — tħaddem il-Bugatti Veyron sa 431 km/h, u tagħmilha l-aktar applikazzjoni estrema ta’ din l-arkitettura fil-produzzjoni.

Għaliex dan it-tqassim ma kienx jeżisti qabel? Id-disinn modern megħjun mill-kompjuter għamilhom possibbli. L-ottimizzazzjoni tal-angolu inkluż, il-pożizzjonijiet tal-crank pin, l-ordni tat-tisparar, u l-karatteristiċi tal-bilanċ f’ġeometriji daqshekk kumplessi kienet tkun prattikament impossibbli mingħajr il-qawwa komputazzjonali disponibbli mis-snin disgħin ‘il quddiem. Il-crankshaft ta’ W12 waħdu huwa ħolma kerha għal magnista — it-tip ta’ parti li tagħmel sens biss meta kompjuter ikun ivverifika kull tolleranza.

X’Verament Jgħodd fid-Disinn tal-Magni fid-Dinja Reali

Jekk hemm ħaġa waħda li tista’ tittieħed minn dan kollu, hija li l-bilanċ teoretiku rarament huwa l-fattur deċiżiv meta inġinier jagħżel it-tqassim ta’ magna. Il-prijoritajiet reali huma:

• L-imballaġġ — toqgħod fil-kompartiment tal-magna?
• Il-piż u d-densità tal-qawwa — x’inhu l-aħjar proporzjon għall-applikazzjoni?
• L-ispiża tal-produzzjoni — tista’ tikkondividi komponenti fost firxa ta’ mudelli?
• Il-modularità — dejjem aktar, il-manifatturi jibnu familji sħaħ ta’ magni minn arkitettura komuni ta’ piston u bore, minn unitajiet ekonomiċi bi tliet ċilindri sa ammiralli bi tnax-il ċilindru

Il-firxa attwali ta’ magni ta’ Mercedes-Benz hija eżempju tal-ktieb tal-approċċ modulari: arkitettura kondiviża tisserva ta’ bażi għal magni b’qawwiet u numri ta’ ċilindri ferm differenti.

U fir-rigward tal-vibrazzjoni — ta’ min jiftakar li l-bilanċ teoretiku u dak attwali huma żewġ affarijiet ferm differenti. Anke dritta sitta bbilanċjata b’mod perfett titriegħed jekk l-assemblaġġ tal-crankshaft tagħha ma jkunx ibbilanċjat sew jew jekk il-pistuni u l-connecting rods tagħha jvarjaw b’mod notevoli fil-piż. It-tolleranzi tal-produzzjoni fid-dinja reali u d-deformazzjoni tal-komponenti taħt il-piż ifissru li l-ebda magna mhi qatt daqshekk lixxa fil-prattika daqs kemm jissuġġerixxu l-ekwazzjonijiet. Huwa għalhekk li d-disinn tal-mounts tal-magna — il-mod kif l-unità tal-qawwa tiġi iżolata mill-bqija tal-karozza — huwa daqstant importanti daqs it-tqassim innifsu. Kultant aktar.

Din hija traduzzjoni. Tista’ taqra l-oriġinal hawn: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html