barum
06.12.2014, 18:52
Miten venttiilijouset mitoitetaan? Entä mitkä venttiilikoneiston osat ovat massavoimien kannalta tärkeimmässä osassa?
Otetaanpa siis tarkastelun alle LS7 vakionokka ja jouset.
http://kuvapilvi.fi/finnshark/ODu.jpg
X-akselilla nokka-akselin asteet. Nostokäyrällä olevat pisteet edustavat cam analyzer/cam doctor -mittalaitteistolla mitattuja arvoja, joihin on sovitettu cubic spline, jotta saadaan jatkuva 2. derivaatta (=kiihtyvyys).
Ehjät viivat kuvaavat imu- ja pakoventtiilin nostoa nokalta mitattuna nokka-akselin kääntökulman funktiona. Katkoviivat vastaavasti kiihtyvyksiä.
Jousen perustehtävä on pitää seuraaja kiinni nokassa, työntötanko kiinni seuraajassa, keinuvipu kiinni työtötangossa ja venttiili kiinni keinuvivussa koko työsyklin ajan koko moottorin kierroslukualueella. Tavoitteena on siis mahdollisimman hyvin pakkotoimista venttiilikoneistoa "imitoiva" toiminta.
Intuitiivisesti useimmat saattaisivat odottaa, että venttiilijousta tarvitaan toden teolla vasta kun on ohitettu nokan maksiminosto ja venttiili alkaa sulkeutua. Yllä olevasta kuvasta nähdään, että venttiilijouset joutuvat töihin nokan profiilista riippuen jo n. 40 astetta (80 astetta kampiakselin asteina) ennen maksiminostoa.
Kun venttiilikoneiston massat redusoidaan nokka-akselin puolelle keinuvipua, näyttävät ne tältä:
http://kuvapilvi.fi/finnshark/OD2.jpg
Yllä olevassa venttiilijousen massasta on huomioitu 50%, mutta on olemassa myös toinen näkökulma, jossa massoista huomioidaan 1/3. Tätä perustellaan energian säilymisellä jousessa, alla 33% jousen massasta huomioituna.
http://kuvapilvi.fi/finnshark/ODJ.jpg
Laittaisinko titaaniset retainerit? Yllä olevista taulukoista nähdään, että jos retainerin massa putoaa 5,5g (40% retainerin ja lukkopalojen yhteismassasta), on sillä massavoimiin keskimäärin 2,6% vaikutus. Tämän jorinan lopusta löytyy laskettuna, kuinka paljon retainerin vaihtamisella olisi vaikutusta rpm-alueeseen.
Entä käyttäisinkö 65g painavaa single beehive -jousta vai 105 g painavaa kaksoisjousta, jotka tuottavat oleellisesti saman jousivoiman? Jos jousen massasta huomioidaan 50%, vaikutus liikkuviin massoihin on 9,7% kevyemmän eduksi. Huomioitaessa 33% jousen massasta, on vaikutus 6,9%. Myös jouseen liittyvä laskentaesimerkki lopussa.
Vakiojousilla ja tehtaan kierrosluvunrajoittimella LS7:n jousi- ja massavoimat näyttäävät tältä (33% venttiilijousen massasta huomioitu). Voimareserviä jousessa on 23%. Jousen tuottama voima pyrkii vastustamaan venttiilin avautumista, ja siksi siis miinusmerkkistä.
http://kuvapilvi.fi/finnshark/OuO.jpg
Tässä vertailuksi pakoventtiilin (74g) voimatarkastelu, jousivoimareserviä 57% (33% jousen massasta huomioitu):
http://kuvapilvi.fi/finnshark/ODg.jpg
Kevyempi massakin toki merkitsee, mutta tärkeämpää on tässä tapauksessa pakonokan selvästi miedompi profiili.
Jatketaan painavammalla imuventtiilillä. Teoriassa jousivoima riittäisi imupuolella siis 7880 rpm asti:
http://kuvapilvi.fi/finnshark/OuB.jpg
Kierrosluvun kasvattaminen edelleen johtaisi siihen, että massavoimat ylittäisivät jousien tuottaman voiman ja venttiilin kellumista (lofting) alkaa esiintyä.
Käytännössä asia ei välttämättä ole näin yksioikoinen, sillä venttiilikoneiston osien ominaistaajuuksien herääminen voi aiheuttaa kontaktin katoamisen venttiilin ja nokan välillä jo huomattavasti aiemmin. Erityisesti jousen ominaistaajuus (taajuudet kaksois/kolmoisjousen yhteydessä) on tässä tärkeässä roolissa, mutta myös työntötangon jäykkyydellä on oleellinen rooli. Beehive jousi on kartiomaisen rakenteensa vuoksi varsin oiva, sillä sillä ei ole yhtä, selvää ominaistaajuutta kuten perinteisillä jousilla on.
Spintron-testipenkissä voidaan mitata nopealla lasermittauslaitteistolla, kuinka tietyt venttiilikoneiston komponentit toimivat eri kierrosluvuilla. Mittauksessa mitataan venttiilin todellista asemaa verrattuna profiiliin sekä "jälkiponnahdusta" = bouncea venttiilin sulkeutumisen jälkeen. Comp Cams määrittelee bouncelle maksimiraja-arvoksi 0.020" ja Katech 0.015".
Havainnollistava kuva bouncesta:
http://image.hotrod.com/f/9574668+w660+h440+cr1/116_0402_spring_09_z.jpg
Katech mittasi vakiolle LS7-venttiilikoneistolle seuraavat arvot:
1. Stock cam/springs, stock valves
INTAKE: .006" max bounce @ 7000RPM, tested up to 7500RPM
EXHAUST .008" max bounce @ 7100RPM, tested up to 7500RPM
Mittauksista nähdään, että venttiilin kontrolli ei välttämättä ole heikoimmilllaan maksimikierroksilla.
7500 rpm vastaavat voimakuvaajat (edelleen samalla 33% jousimassan huomioimisella):
http://kuvapilvi.fi/finnshark/Ouj.jpg
Jousivoimareserviä 11%.
Vertailuksi 50% jousimassan huomioimisella:
http://kuvapilvi.fi/finnshark/ODH.jpg
Jousivoimareserviä 3%, joten näiden Katechin mittausten perusteella ei voida vielä sanoa onko "oikeammin" huomioida 33% vai 50% jousen massasta liikkuviin massoihin.
Vakioretainerin massa on 11g, mutta mikä hyöty on 5.5g painoisen titaaniretainerin käyttämisellä? Vastaus: 95 rpm (vrt. edellinen kuva)
http://kuvapilvi.fi/finnshark/ODX.jpg
Vakiojousen massa on 93g, mutta jospa vaihdamme tilalle identtisen jousen, joka painaa 65g (kuten PSI LS1511 painaisi, joskin kyseessä on vähän jäykempi jousi)? Tuloksena saadaan 250 rpm lisää kierroslukualuetta vakioon verrattuna samalla jousivoimareservillä.
http://kuvapilvi.fi/finnshark/ODi.jpg
Mikä sitten on riittävä määrä jousivoimareserviä? LS7 koneessa imupuoli on rajoittava, ja siihen GM on varannut voimareserviä 15% (50% jousen massasta huomioitu) tai 23% (33% jousen massasta huomioitu). Kuten aiemmin mainittiin, ei tämä ole ainoa kriteeri, vaan autovalmistajat ja kilpatiimit testaavat myös jousten dynaamista käyttäytymistä testipenkeissä.
Voimatarkastelun tekeminen edellyttää kuitenkin varsin paljon tietoja venttiilikoneistosta, mistä johtuen sitä ei juuri tavallisten virifirmojen toimesta tehdä. Tämä käy ilmi mm. siitä, että samoja (ja hyvin usein todella varman päälle mitoitettuja) jousia käytetään aika suurelle joukolle nokka-akseleita. Liian suuret jousivoimat aiheuttavat tarpeetonta rasitusta ja kulumista, mikä altistaa konerikoille ja lyhentää kansien rebuild -väliä.
Otetaanpa siis tarkastelun alle LS7 vakionokka ja jouset.
http://kuvapilvi.fi/finnshark/ODu.jpg
X-akselilla nokka-akselin asteet. Nostokäyrällä olevat pisteet edustavat cam analyzer/cam doctor -mittalaitteistolla mitattuja arvoja, joihin on sovitettu cubic spline, jotta saadaan jatkuva 2. derivaatta (=kiihtyvyys).
Ehjät viivat kuvaavat imu- ja pakoventtiilin nostoa nokalta mitattuna nokka-akselin kääntökulman funktiona. Katkoviivat vastaavasti kiihtyvyksiä.
Jousen perustehtävä on pitää seuraaja kiinni nokassa, työntötanko kiinni seuraajassa, keinuvipu kiinni työtötangossa ja venttiili kiinni keinuvivussa koko työsyklin ajan koko moottorin kierroslukualueella. Tavoitteena on siis mahdollisimman hyvin pakkotoimista venttiilikoneistoa "imitoiva" toiminta.
Intuitiivisesti useimmat saattaisivat odottaa, että venttiilijousta tarvitaan toden teolla vasta kun on ohitettu nokan maksiminosto ja venttiili alkaa sulkeutua. Yllä olevasta kuvasta nähdään, että venttiilijouset joutuvat töihin nokan profiilista riippuen jo n. 40 astetta (80 astetta kampiakselin asteina) ennen maksiminostoa.
Kun venttiilikoneiston massat redusoidaan nokka-akselin puolelle keinuvipua, näyttävät ne tältä:
http://kuvapilvi.fi/finnshark/OD2.jpg
Yllä olevassa venttiilijousen massasta on huomioitu 50%, mutta on olemassa myös toinen näkökulma, jossa massoista huomioidaan 1/3. Tätä perustellaan energian säilymisellä jousessa, alla 33% jousen massasta huomioituna.
http://kuvapilvi.fi/finnshark/ODJ.jpg
Laittaisinko titaaniset retainerit? Yllä olevista taulukoista nähdään, että jos retainerin massa putoaa 5,5g (40% retainerin ja lukkopalojen yhteismassasta), on sillä massavoimiin keskimäärin 2,6% vaikutus. Tämän jorinan lopusta löytyy laskettuna, kuinka paljon retainerin vaihtamisella olisi vaikutusta rpm-alueeseen.
Entä käyttäisinkö 65g painavaa single beehive -jousta vai 105 g painavaa kaksoisjousta, jotka tuottavat oleellisesti saman jousivoiman? Jos jousen massasta huomioidaan 50%, vaikutus liikkuviin massoihin on 9,7% kevyemmän eduksi. Huomioitaessa 33% jousen massasta, on vaikutus 6,9%. Myös jouseen liittyvä laskentaesimerkki lopussa.
Vakiojousilla ja tehtaan kierrosluvunrajoittimella LS7:n jousi- ja massavoimat näyttäävät tältä (33% venttiilijousen massasta huomioitu). Voimareserviä jousessa on 23%. Jousen tuottama voima pyrkii vastustamaan venttiilin avautumista, ja siksi siis miinusmerkkistä.
http://kuvapilvi.fi/finnshark/OuO.jpg
Tässä vertailuksi pakoventtiilin (74g) voimatarkastelu, jousivoimareserviä 57% (33% jousen massasta huomioitu):
http://kuvapilvi.fi/finnshark/ODg.jpg
Kevyempi massakin toki merkitsee, mutta tärkeämpää on tässä tapauksessa pakonokan selvästi miedompi profiili.
Jatketaan painavammalla imuventtiilillä. Teoriassa jousivoima riittäisi imupuolella siis 7880 rpm asti:
http://kuvapilvi.fi/finnshark/OuB.jpg
Kierrosluvun kasvattaminen edelleen johtaisi siihen, että massavoimat ylittäisivät jousien tuottaman voiman ja venttiilin kellumista (lofting) alkaa esiintyä.
Käytännössä asia ei välttämättä ole näin yksioikoinen, sillä venttiilikoneiston osien ominaistaajuuksien herääminen voi aiheuttaa kontaktin katoamisen venttiilin ja nokan välillä jo huomattavasti aiemmin. Erityisesti jousen ominaistaajuus (taajuudet kaksois/kolmoisjousen yhteydessä) on tässä tärkeässä roolissa, mutta myös työntötangon jäykkyydellä on oleellinen rooli. Beehive jousi on kartiomaisen rakenteensa vuoksi varsin oiva, sillä sillä ei ole yhtä, selvää ominaistaajuutta kuten perinteisillä jousilla on.
Spintron-testipenkissä voidaan mitata nopealla lasermittauslaitteistolla, kuinka tietyt venttiilikoneiston komponentit toimivat eri kierrosluvuilla. Mittauksessa mitataan venttiilin todellista asemaa verrattuna profiiliin sekä "jälkiponnahdusta" = bouncea venttiilin sulkeutumisen jälkeen. Comp Cams määrittelee bouncelle maksimiraja-arvoksi 0.020" ja Katech 0.015".
Havainnollistava kuva bouncesta:
http://image.hotrod.com/f/9574668+w660+h440+cr1/116_0402_spring_09_z.jpg
Katech mittasi vakiolle LS7-venttiilikoneistolle seuraavat arvot:
1. Stock cam/springs, stock valves
INTAKE: .006" max bounce @ 7000RPM, tested up to 7500RPM
EXHAUST .008" max bounce @ 7100RPM, tested up to 7500RPM
Mittauksista nähdään, että venttiilin kontrolli ei välttämättä ole heikoimmilllaan maksimikierroksilla.
7500 rpm vastaavat voimakuvaajat (edelleen samalla 33% jousimassan huomioimisella):
http://kuvapilvi.fi/finnshark/Ouj.jpg
Jousivoimareserviä 11%.
Vertailuksi 50% jousimassan huomioimisella:
http://kuvapilvi.fi/finnshark/ODH.jpg
Jousivoimareserviä 3%, joten näiden Katechin mittausten perusteella ei voida vielä sanoa onko "oikeammin" huomioida 33% vai 50% jousen massasta liikkuviin massoihin.
Vakioretainerin massa on 11g, mutta mikä hyöty on 5.5g painoisen titaaniretainerin käyttämisellä? Vastaus: 95 rpm (vrt. edellinen kuva)
http://kuvapilvi.fi/finnshark/ODX.jpg
Vakiojousen massa on 93g, mutta jospa vaihdamme tilalle identtisen jousen, joka painaa 65g (kuten PSI LS1511 painaisi, joskin kyseessä on vähän jäykempi jousi)? Tuloksena saadaan 250 rpm lisää kierroslukualuetta vakioon verrattuna samalla jousivoimareservillä.
http://kuvapilvi.fi/finnshark/ODi.jpg
Mikä sitten on riittävä määrä jousivoimareserviä? LS7 koneessa imupuoli on rajoittava, ja siihen GM on varannut voimareserviä 15% (50% jousen massasta huomioitu) tai 23% (33% jousen massasta huomioitu). Kuten aiemmin mainittiin, ei tämä ole ainoa kriteeri, vaan autovalmistajat ja kilpatiimit testaavat myös jousten dynaamista käyttäytymistä testipenkeissä.
Voimatarkastelun tekeminen edellyttää kuitenkin varsin paljon tietoja venttiilikoneistosta, mistä johtuen sitä ei juuri tavallisten virifirmojen toimesta tehdä. Tämä käy ilmi mm. siitä, että samoja (ja hyvin usein todella varman päälle mitoitettuja) jousia käytetään aika suurelle joukolle nokka-akseleita. Liian suuret jousivoimat aiheuttavat tarpeetonta rasitusta ja kulumista, mikä altistaa konerikoille ja lyhentää kansien rebuild -väliä.