Főtengely

FőtengelyFőtengely. Hát, itt is akad egy pár érdekes finomság, amiről beszélnünk kell. De kezdjük mai adag mesét is valahol a legelején. Tehát, mik is a főtengely feladatai? Legtriviálisabb, hogy az égés során keletkező erő átalakítása forgó mozgássá. Ehhez szükséges egyrészt a főtengelyt magát csapágyazni, másrészt pedig a hozzá kapcsolódó hajtókart is. S ha már csapágyazásról beszélünk, akkor azokat kenni is szükséges, tehát az olajzás és a főtengelyen belüli olaj megfelelő helyekre való juttatása, továbbítása is eggyel növeli a funkciók számát. S ha már a csapágyazási helyeknél tartunk, akkor mindenképpen megemlítendő, hogy a hajtókarcsapok egymáshoz képesti elrendezését is a hengerszámtól és a hengerelrendezéstől függően gondosan meg kell tervezni, hogy a gyújtásköz egyenletes lehessen. Ezeken felül még a tömegkiegyenlítést is meg kell valósítania, mivel a főtengelynek nem csak önmagában kell kiegyensúlyozottnak lennie, hiszen hozzá szorosan kapcsolódik a hajtókar-dugattyú páros is, amikből a hajtókar nagy-szeme is forgó mozgást végez - ellentétben a kis-szemmel, amire viszont csak alternáló mozgás jellemző. Tehát túlvagyunk az erő átalakításon, a csapágyazáson, a gyújtásközökön, a kenésen, a tömegkiegyenlítésen, de mi van még? Nos, a keletkező erőt továbbítani is kell, tehát szükséges egy olyan kialakítás, ami által a létrejött forgó mozgást továbbítani tudjuk.; vagyis fel kell tudni szerelni egy lendkereket. Viszont van még egy pár más dolog is: szükséges a szelepvezérlés pontos meghajtása. Legyen az szíj, lánc, fogaskerék, királytengely, stb. ezek számára is szükséges “helyet biztosítani”. És akkor még van egy olajpumpánk is, ami számos esetben a főtengely végére van ráhúzva, de mindenképpen a főtengelyhez szorosan kapcsolódik, tehát még az is ott nyújtózgat a hátsó sorban, hogy ő is kér egy szeletet. S végül, de egyáltalán nem utolsó sorban ott vannak még a mellékhajtások is, mint pl. a generátor, vízpumpa, szervopumpa, klímakompresszor, stb., amik rendszerint egy ékszíjjal a főtengelyről kapják a meghajtást. Tehát ha ezeket gombócba gyúrjuk, akkor jöhet a gógyizás, hogy hogyan is nézzen ki a főtengely. Én már korábban is sokszor csodáltam egy-egy alkatrészt, ami ránézésre oly egyszerűnek tűnt, de amikor számba kellett venni, hogy én hogy alakítanám ki, akkor már azért gyorsan megjelentek az első izzadtságcseppek. A főtengely is ránézésre csak egy darab vas, amire pikk-pakk rácsavarozzuk a hajtókarokat, oszt’ már mehet is. De hogy az a hajtókarcsap miért pont ott van, milyen széles, mekkora az átmérője, miért pont ott jön ki belőle az olajfurat, már rögtön elgondolkodtat…? Aztán miért akkora az a sonka; miért csak egy sonka tartozik egy hajtókarcsaphoz, s miért nem kettő? Hosszasan lehetne még sorolni a kérdéseket, de nézzük inkább az izgalmasabb részleteket!

Kapcsolat az egyenletes gyújtásközök és a hajtókarcsap el-ékelés között. Itt azonnal egy kérdés vetődhet fel az emberben. A főtengely a cikk témája, mégis, amikor az izgalmasabb részleteket vetítem előre, rögtön másról, a gyújtásról kezdek el beszélni. Senki ne lepődjön meg, ezt még fogom tudni tetézni: lesz itt még szó a henger-elrendezésről is.

Tehát, egy négyütemű motor egy hengerében két teljes fordulat alatt zajlik le a négy ütem. Vagyis 720° alatt van egy hasznos ütemünk. Azonnal felvetődik a kérdés, hogy hogyan lehet egyenletesebbé tenni egy motor járását. Ha növeljük a hengerszámot, akkor egy teljes periódus, vagyis 720° alatt annyi hasznos ütem keletkezik, annyival is simább lesz a motor járása. Egy négyhengeres motornál már ezt a 720°-ot azonnal eloszthatjuk néggyel, így 180°-onként jutunk egy hasznos ütemhez. S innen már egyszerű a képlet; egy 12-hengeres motornál 60°-onként. (Jééé, egy V12-es motor hengerszöge pont 60°… ;-) ).

De nézzük a dolog miértjét, miért is olyan fontos az egyenletes gyújtásköz. Piros lámpánál állva biztos csodáltunk már meg egy Harley-t, milyen szép is. És azt is figyeltük, hogy alapjáraton mennyire remeg a kormány? Láthatóan cm-es amplitúdókkal! Azt, hogy ez a fajta vibráció mennyire fárasztó, csak az tudja, akinek volt (szerencséje) tartósan vibráló kormányt, vagy bármit fogni. Tehát a legnagyobb ellenségünk a rezonancia. Ezért fontos az egyenletes gyújtásköz. Ha nem egyenletes, akkor az aszimetrikusan érkező hasznos ütemek vibrációkat generálnak, amik láthatatlanul is megkeserítik a vezetést.

Hayabusa főtengely

Hayabusa főtengely

De vissza a főtengelyhez. Illetve előtte még a gyújtásközökhöz. Szóval a képlet egyszerű, annyival kell osztani a 720°-ot, amennyi a hengerek száma, s a keletkezett szögérték megegyezik a gyújtásköz értékével.  Na, ezt már tudjuk. Akkor induljunk el e mentén, hogy is kell, hogy kinézzen egy főtengely ékelése. Vegyük egy sornégyes (négyütemű) motor főtengelyét - mert talán ez a legegyszerűbb és legismertebb. Egy sornégyes motor főtengelye síkforgattyús. Ez azt jelenti, hogy mind a négy hajtókarcsap egy síkban található. (Egyébként ez a legfeltűnőbb különbség egy sornégyes és egy V8-as főtengely között, hogy ez utóbbi térforgattyús; de erről egy kicsit később.) Szóval a középső két csap lefelé áll, míg a két szélső felfelé. Elsőre, s látszólag lehet, hogy nem logikus, de pillanatok alatt azzá teszem. A 720°-os elosztottuk néggyel, ezzel kaptunk egy 180°-os értéket. Tehát 180°-onként kell jönnie egy szikrának. Ez pedig úgy lehetséges, hogy az azonos irányban álló hajtókarcsapok más ütemben járnak. Amikor az egyik gyújt, akkor a másik épp szelepváltáson van. S így már ki is jön. Ha egy 1-3-4-2 gyújtási sorrendű motort nézünk, akkor elsőre gyújt az egyes henger. Ezek után fordítunk rajta 180°-ot, ekkor gyújt a 3-as. Újabb 180°-ot fordítva a 4-es henger csapja megint felülre kerül, de itt már nem szelepváltáson van, hanem gyújtáson, miközben az egyes került szelepváltásra. S a 4-es henger gyújtását követően, újabb 180°-os fordításra fogja a kettes henger is hozzátenni a magáét az egészhez. S így már össze is állt a kép.

Sor 6-os főtengely

Sor 6-os főtengely

Ugyanilyen alapelvek mentén egyszerűen kilogikázható egy sorhatos motor főtengely-ékelése is. Itt a 180° helyett már 120°-onként kell jönnie a szikráknak, vagyis ahogy az a baloldalt található képen is látható, két csap áll felfelé, két csap tőle 120°-ra jobbra és két csap 120°-ra balra. Egy lehetséges gyújtási sorrend pedig: 1-5-3-6-2-4. Ha az ember végigköveti a folyamatot, meglepő módon kijön… :-D

V6-os főtengely

V6-os főtengely

De mi van a V-elrendezésű motorokkal? Na, itt jön be a henger-elrendezés a főtengely kialakításának a kérdésébe. Tehát odáig jók vagyunk, hogy 720/6=120°. Oké, de a hengerek meg állnak széjjel-szanét, mint az  a bizonyos ökörhugyozás. Akkor most a főtengelyen hogy álljanak a csapok? Vegyük a legegyszerűbb esetet, hogy minden hajtókarcsapon csak egy hajtókar van. Így ugyan nagy a szabadságfokunk, de egy V6-os főtengely pont ugyanolyan hosszú lesz, mint egy sorhatosé. Akkor viszont az egyes V-ágakban negyed óránként találunk csak egy hengert. Hát ennek így nem sok értelme van, ennyi erővel már sorhatos is lehetne. Akkor viszont csak úgy lehet egy hathengeres V-motorból rövidet csinálni, ha egy csapra két hajtókart fűzünk. Az itteni képen viszont még sincs így.

Osztott csapú V6 főtengely

Osztott csapú V6 főtengely

Ezen viszont majdnem így van, de miért néz ki minden csap úgy, mintha elfűrészelték és egy kicsit elfordították volna? Itt jön be a hengerelrendezés. Ha két hajtókarnak azonos csapon kell lennie, akkor az azonos csapon lévő hengerek közötti gyújtásköz nagyságát a hengerszög határozza meg. Vagyis ha egy motor hengerszöge 90°, akkor az azonos csapon lévő, két bankban lévő hengerek FHP-ja közötti szög csak 90° lehet. De nézzük, mi a konkrét helyzet a V6-tal. Ennek a gyújtásköze 120°. Ez viszont azt jelenti, hogy a két hengersort ilyen mértékben kellene szétnyitni, ami nagyon széles motort eredményezne; akár hosszában, akár keresztben kerül beépítésre. Létezik ugyan 120°-os V6-os, de nagyon nem tipikus. Helyette sokkal inkább bevált a 90°-os hengerszög. De akkor még van 30°-unk, amit nem tudunk hova tenni. Na, és itt jön be az osztott hajtókarcsap! Az egy hajtókarcsap valójában nem is egy, hanem kettő, hiszen nem ugyanazon a csapon van a két hajtókar. És hogyha alaposabban megvizsgálnánk bármely fenti két képen lévő főtengelyt, látható lenne, hogy az osztott csapok közötti szögkülönbség pont 30° lenne. És ha megnézzük a gyújtási sorrendet, akkor egy V6-osnak a következő a tipikus: 1-4-2-5-3-6. Vagyis, ismerjük fel, hogy az egy csapon lévő hengerek közvetlen egymás után gyújtanak. Az “1″ a “4″-gyel van szemben, a “2″ az “5″-tel, s a “3″ a “6″-tal. S innentől viszont már az egyes csapok közötti 120°-os  különbség is kijön°. Miután gyújtott az “1″-es, ha 90+30°-ot fordul a főtengely, akkor kerül gyújtásba a “4″-es. Tovább 120°-ra érkezik a “2″-es, 90+30°-ra az “5″-ös. És ugyanígy a hengersor utolsó hengereinél is.
Ezeknek a főtengelyeknek az a része a legkritikusabb, ami vonza is a szemet; az osztott hajtókarcsap. Ahogy a gépészek alap axiómája is tartja, éles sarok -> kezdő törés. Hát ha megnézzük, akkor itt aztán mindent megtettünk annak érdekében, hogy feszültség-gyűjtő helyeket hozzunk létre. Persze, minden méretezhető, így ez most már nem jelent gondot, de azért valljuk be, nem a legszebb, legegyszerűbb megoldás. Egy kicsit túlerőltetett, nem?

V8 kontra W8

V8 kontra W8

Ehhez képest egy V8, vagy egy V12 már nagyon egyszerű, hiszen a V8-asnak pont 90° a szükséges és megvalósított hengerszöge, míg egy V12-esnek pedig 60°. Ez a felépítés már nem széles, tehát megvalósítható a kívánt hengerszög, ergo nem szükséges semmilyen gépészetileg csúnya megoldáshoz folyamodni, mint egy V6-osnál. De viszont itt jött egy pár, gyerekszoba nélkül felnőtt perverz mérnök, aki kitalálta, hogy csináljunk olyan V8-ast, amely még akár keresztben is elférne a motortérben. Szerencsére erre a keresztben beépítésre már nem vetemedtek, de a motor elkészült, és úgy hívják, hogy W8. Ez tulajdonképpen két darab VR6-os motor 4 hengerre rövidítve, amelyet egymás mellé forgattak és egy főtengelyre fűztek.  S bár a VR6-os főtengelyéről nem ejtettem szót a V6-osok között, de ugyanúgy működik. A 15°-os hengerszög mértékével vannak a hajtókarcsapok elfordítva egymáshoz képest. De vissza a W8-hoz. A fenti képen nagyon jól látszik az alsó, szokványos V8-as főtengely mellett milyen pilinszkának tűnik a W8-asé. A V8-as főtnegelye szép, arányos, mindenhol ott van benne az anyag, ahol kell, ránézésre is bizalmat ébreszt - hogy bírni fogja a kiképzést. Ehhez képest a VW által megalkotott négyliteres 275 lóerős W8-asának a főtengelyéről már nincs ez a “Hú, de stramm!” érzésünk. Vékony kis csapágyacskák, osztott hajtókarcsapok, párizsi-szeletelőn készített sonkák… Az emberben azért felmerül a kétely. A motor fajlagos kihasználtsága sem igazán élvonalbeli, tudtommal a fogyasztás is hagy kívánnivalót maga után, de maga az a tény, hogy egy Passat-ba bele tudtak rakni egy prémiumkategóriás méretű, erejű és elrendezésű motort, mindenképpen nagy szó. Valamit valamiért. A főtengelyének a kialakítása pedig a fenti elvek mentén most már kilogikázható.

Tömegkiegyenlítés. A főtengely egy meglehetősen nagy és meglehetősen magas fordulatszámmal forgó alkatrész. Innentől kezdve, a legkisebb excentricitás is komoly erőket hoz létre, ami jobb esetben csak vibráció formájában érezhető, rosszabb esetben idővel akár töréshez is vezethet. Pont ezért is nagyon fontos a kiegyensúlyozás. És sokan itt esnek tévhitbe, nem csak elsőrendben kell kiegyensúlyozottnak lennie. Ha egy sornégyes motor síkforgattyús főtengelyét fogjuk kézbe, akkor látható, hogy ha valamennyi anyagot elveszünk az 1-4 hengerek sonkáiból és ugyanennyit a 2-3 hengerek ellenkező oldalon álló sonkáiból is, akkor a kiegyensúlyozottság nem változott, csak könnyebb lett. Ugyanakkor elég sok könnyített főtengelyes Ladás találkozott már törött főtengellyel, amellyel szépen forgott a motor, nem is voltak vibrációk, de egyszercsak mégis eltört. Valahol a magasabb rendű felharmónikusok kiegyenlítésében keresendő a válasz. És sajnos ez pont az, ami nem látszik, de egyszerű módon még csak nem is mérhető. Tehát óvatosan a főtengely könnyítésével…

Sok megközelítésben, de itt is igaz, hogy az ideális hengerszám a hat. Nem szeretnék hosszas elméleti részletekbe merülni, de a tömör lényeg, hogy a tömegerők, illetve azok másod- és magasabb rendű felharmónikusai egy hathengeresnél a leginkább kiegyenlítettebbek. Ezért is szokásos és egyre inkább bevett módszer, hogy a négyhengeresekbe ún. kiegyenlítő tengelyt építenek, amelyen két kiszámolt nagyságú, a főtengelyhez képest meghatározott helyzetű tömeg kétszeres sebességgel forog egymással szemben. Így, az általuk gerjesztett erők kizárólag függőleges összetevőjűek lesznek, hiszen mivel a tengelyekre helyezett tömegek egymással szemben forognak, az erők vízszintes összetevői kioltják egymást.

Hayabusa főtengely

Hayabusa főtengely

De nézzük csak meg azt a Hayabusa főtengelyt még egyszer. Ránézésre is gyönyörű. Miért? Mert minden letisztult, szimmetrikus, arányos. S ami szép, az (legtöbbször) jó is. Egyrészt nincsenek rajta nagy sonkák, ami csak a magas fordulat elérését és a fordulatszám-rugalmasságot korlátozná. Másrészt még az is úgy van kialakítva, hogy ne negyen nagy közegellenállása. Harmadrészt minden egyes hajtókarcsapnak mind a két oldalán van egy sonka. S ez utóbbi miért fontos? Képzeljük el fejben. Adott egy kéttamaszú tartó, melynek a két támasza a hajtókarcsap két oldalán lévő főcsap. Ehhez képest középen helyezkedik el a hajtókarcsap. Eddig még jó is, de nincs kiegyensúlyozva. Tegyünk rá súlyt. Ha a hajtókarcsap mind a két oldalára teszünk súlyt, akkor a szimmetria megmarad. Ha csak az egyik oldalára teszünk, akkor felborul, és a hajtókar-dugattyú páros, illetve az őt kiegyenlítő sonka erő-hatásvonala nem esik egy síkba, távolság van köztük. S ha így van, akkor köztük nyomaték fog ébredni, ami a főtengelyt hajtogatja. Képzeljünk el egy rudat, melyet két kézzel fogunk magunk előtt. A rúd bal oldalát húzza valaki előrefelé, a másik végét pedig valaki hátrafelé. S nekünk kell ezt megtartanunk - merőlegesen. S most képzeljük el ugyanezt annyi különbséggel, hogy a rúd mind a két végét előrefelé húzzák, s nekem csak az erőt kell megtartanom, nincs, ami a merőlegesség ellen hat. Érezzük a különbséget?

Cosworth főtengely

Cosworth főtengely

Itt azért mindenképpen érdemes említést tenni erről a Cosworth főtengelyről is, amely bár nem kétsonkás kivitelű, de azért mindenki biztos benne, hogy nem fog eltörni. Akkor mégis mivel operáltak a tervezéskor? Nézzük csak meg, hogy a főtengely végig van fúrva az 1-4 és a 2-3 hajtókarcsapja mentén is. Vagyis úgy voltak vele, hogy ha könnyítjük azon tömegeket, amiket ki kell egyensúlyoznunk, akkor kisebb kiegyensulyozó tömegek is elegendőek lesznek. Érdekes ötlet, nem? Ez viszont felvet egy érdekes kérdést. Az tiszta sor, hogy a hajtókar-csapágyak a főtengelybe fúrt olajfuraton keresztül, a főcsap felől kapják az éltető kenőanyagot. Ezt rendszerint úgy szokták megoldani, hogy egyetlen furattal kötik össze a főcsapot a hajtókarcsappal, átlósan (ez megfigyelhető a fentebbi főtengelyek képein is). Persze úgy, hogy az csak anyagban mehet, különben nem tölti be a szerepét. Hát ez itt nem megvalósítható, hiszen amint elkezdenénk fúrni a hajtókarcsap felől, azonnal egy jókora furatban (mit furatban…? BARLANGBAN) találnák magunkat. Tehát így nem megoldható. De figyeljük csak meg azt a furatot az első főcsap oldalán! A fölött van az olajcsatorna bejárata a főcsap felől. Így az olaj a főcsapnál bemegy a likba, elfordul, átmegy a sonkán és a megfelelő helyen elkészített furatból kilép a hajtókarcsapra. A furatok nyitott végeit pedig ledugózzák. Szintén zseniális megoldás!

Kenés. Ez az imént említett megoldás már csak azon okból kifolyólag is zseniális, mert egy siklócsapágynak nem mindegy, hogy az őt terhelő erő hatásvonalához képest hol kapja az olajbevezetést. Egyes elméletek szerint körülbelül 30°-kal az erő hatásvonala előtt kell az olajat bevezetni, így a csapágy magától “behúzza” maga alá az olajat, így adva leghatásosabb kenést. A fentebbi, átlósan egy furattal megvalósított olajcsatorna esetében ennek azért elég kicsi az esélye, míg egy ilyen többszörös furatokkal megvalósított olajcsatornával szinte fok pontossággal érhető el a kívánt eredmény.

A sallangok. A további részleteknek (mint a lendkerék rögzítése, az olajpumpa és a külső segédberendezések meghajtása) már nem kívánok pár mondatnál többet szentelni, ezek már igazából csak geometriai alapokon nyugvó dolgok. Természetesen a lendkerék rögzítése is, szilárdságtani megközelítésben is jelentős, nem elhanyagolható, illetve a motorblokk tömítése is a főtengely megfelelő felületéhez kapcsolódó szimeringen keresztül történik, de ezekben már tényleg nincs sok nyalánkság.

Főtengely lengések. Van viszont még egy nagyon fontos dolog, amiről szót kell ejtenünk, s amit tulajdonképpen a fejezet lezárásának is szántam. Ez pedig a főtengely lengéseit bemutató rövid számítógépes animáció. Sok szót erre nem pazarolnék, ez tipikusan az, amiről 1000 szó sem adja vissza azt, amit egy pár képkocka.

Ha valakinek nem indulna el a video, akkor itt találja a közvetlen linket.

Geree