История производительности коромысла

Многие европейские и азиатские двигатели используют верхние распредвалы в течение многих лет, поэтому, когда Ford решил пойти по пути с верхним расположением распредвалов в своем 4,6-литровом двигателе V8, некоторые предполагаемые двигатели с толкателями были на исходе. Но GM и Chrysler придерживались конструкции толкателя для своих двигателей LS и 5,7 л и 6,2 л Hemi соответственно.

Легко понять, почему коромысла и толкатели по-прежнему являются горячей темой для создания высокопроизводительных двигателей, если добавить все старые двигатели и современные комбинации блоков и головок вторичного рынка, в которых до сих пор используются толкатели и коромысла.

Коромысел перенаправляют восходящее движение толкателей и толкателей на движение вниз, необходимое для открытия клапанов. Вал коромысла или шаровая опора служит точкой опоры, вокруг которой происходит это движение, а относительная длина рычага коромысла с каждой стороны от центральной точки опоры определяет коэффициент подъемной силы коромысла.

Преимущество использования коромысла с более высоким передаточным отношением заключается в том, что тот же профиль кулачка может обеспечить общий подъем клапана для большей мощности.

Как и любой рычаг, рычаг увеличивается, когда сторона клапана коромысла длиннее, чем сторона толкателя. Чем короче сторона толкателя коромысла и чем длиннее сторона клапана коромысла, тем выше коэффициент подъемной силы коромысла.

Если длина стороны клапана коромысла в 1,5 раза больше длины стороны толкателя, передаточное отношение будет 1,5:1. Если сторона клапана коромысла в 2 раза длиннее стороны толкателя, передаточное отношение будет 2,0:1.

Если вы используете типичный распредвал в небольшом блоке Chevy V8, который производит 0,480 дюйма полного подъема на клапане, сам кулачок создает только около 0,320 дюйма подъема на лепестке. Коромысел с передаточным отношением 1,5 умножают подъемную силу (0,320 x 1,5) для достижения подъемной силы клапана 0,480 дюйма.

Преимущество использования коромысла с более высоким передаточным отношением заключается в том, что тот же профиль кулачка может обеспечить общий подъем клапана для большей мощности.

Система крепления на пьедестале может обеспечить многие из тех же преимуществ, что и качающаяся система на валу, но с меньшими затратами.

Коромысел с более высоким передаточным числом также требует меньшего хода подъемника и толкателя для достижения той же подъемной силы, что и коромысло с более низким передаточным отношением. Более высокое передаточное число также снижает крутящий момент распределительного вала, необходимый для открытия клапанов для заданного подъема. Более того, чем длиннее клапанная сторона коромысла, тем больше диаметр дуги, по которой он следует при движении вверх и вниз. Это снижает боковую нагрузку, трение и износ штоков и направляющих клапанов. Вот почему многие высокооборотистые двигатели NASCAR обычно имеют очень высокие передаточные числа коромысел, до 2:1 или выше.

Изменение передаточного числа коромысла
Скажем, заменить стандартные коромысла с передаточным числом 1,5 на более высокие коромысла с передаточным числом 1,6. Тот же распределительный вал теперь будет создавать 0,512 дюйма подъема на клапане (0,320 дюйма умножить на 1,6). Таким образом, просто заменив стандартные коромысла на коромысла с большей подъемной силой, вы увеличите общую подъемную силу на 6,7% и, вероятно, получите от 15 до 20 лошадиных сил.

Как изменение передаточного числа коромысел влияет на срок службы распределительного вала? Поскольку выступ кулачка остается прежним, точка, в которой кулачок начинает перемещать подъемник, остается прежней. То же самое верно и для закрывающей стороны пандуса. Но скорость, с которой открывается клапан, теперь несколько выше из-за более высокого передаточного числа коромысла, поэтому эффективная продолжительность работы распределительного вала немного увеличена — может быть, на пару градусов в приведенном выше примере.

Многие компании используют сложные компьютерные программы для разработки новых конструкций коромысел.

Небольшое изменение передаточного отношения не окажет большого влияния на диапазон оборотов, в которых двигатель развивает мощность, или на его низкий крутящий момент, качество холостого хода или величину вакуума на впуске, который он производит. Но большое изменение передаточного отношения, которое значительно увеличивает продолжительность среднего диапазона, сдвинет пик мощности двигателя вверх по шкале оборотов. Вот почему дикие кулачки с большой продолжительностью и перекрытием клапанов, которые производят тонны высокоскоростной мощности, обычно плохо подходят для низкого крутящего момента, качества холостого хода и повседневной езды.

Есть несколько вещей, на которые следует обратить внимание при изменении передаточных чисел коромысла. Один из них — убедиться, что пружины клапанов имеют достаточный зазор между витками, чтобы пружины не заедали. Другой заключается в том, чтобы убедиться, что прорезь в коромысле, установленном на шпильке, может выдержать увеличенный ход, не задев шпильку. Что-то сломается, если это произойдет. Кроме того, убедитесь, что держатель клапана не ударяется о верхнюю часть направляющей клапана при увеличении подъема. Должен быть некоторый зазор для предотвращения механического контакта, что может стать еще одним убийцей клапанного механизма.

Крепление на шпильке и коромысла с креплением на валу
Вплоть до середины 1950-х годов в двигателях с верхним расположением клапанов использовались коромысла, установленные на валу. Когда компания Chevrolet представила свои высокооборотные малоблочные двигатели V8 с коромыслами из штампованной стали, установленными на шпильках, это открыло глаза конструкторам двигателей на возможности рокеров, установленных на шпильках. Форд и другие вскоре последовали его примеру, и рокеры на шпильках стали «горячей» установкой того времени.

Поскольку рокеры продолжают развиваться, сохранится и текущая тенденция к более легкому и прочному дизайну.

Коромысел, установленные на шпильках, начали проявлять свои недостатки, когда производители двигателей внесли модификации для увеличения скорости и мощности двигателя. Запрессованные шпильки коромысла имели тенденцию вытягиваться, если двигатель чрезмерно раскручивался или давление пружины было слишком сильно увеличено. Некоторые производители высокопроизводительных двигателей начали закреплять шпильки штифтами, чтобы удерживать их на месте, в то время как другие заменили шпильки с запрессовкой на ввинчиваемые шпильки.

Поскольку давление пружины клапана продолжало увеличиваться, стало очевидно, что шпильки коромысла чрезмерно изгибаются на высоких оборотах. Исправление состояло в том, чтобы установить более длинные шпильки и зажать стержень (пояс шпилек) в верхней части головки цилиндров, чтобы связать все шпильки вместе.

Это, в свою очередь, потребовало более высоких крышек клапанов для размещения пояса шпилек. Это также усложняло регулировку клапанов.

Роликовые коромысла на вторичном рынке также были представлены для замены хлипких и довольно изнашиваемых рокеров из штампованной стали. Рокеры Performance имели центральную точку опоры роликового подшипника и ролик на клапанном конце рычага для уменьшения трения. Это было огромным улучшением по сравнению со стандартными рокерами и позволяло работать на более высоких оборотах с большей надежностью и меньшим трением.

По мере того, как гонщики продолжали расширять границы возможного, вскоре стало очевидно, что некоторые из этих алюминиевых коромыслов, закрепленных на шпильках, недостаточно прочны, чтобы выдерживать нагрузки клапанных пружин и обороты, с которыми их просили справляться.

Рокеры на валу вторичного рынка были представлены как средство повышения жесткости клапанного механизма, а стальные коромысла стали вариантом модернизации для серьезных гонок с высокими ценами.

По данным некоторых производителей, замена коромысла на шпильке на коромысло на валу (с тем же коэффициентом подъемной силы, что и раньше) обычно дает на 10–15 лошадиных сил больше мощности благодаря повышенной стабильности клапанного механизма.

Преимущества установки коромысла с валом заключаются в том, что вал удерживает коромысла в лучшем положении, что устраняет необходимость в отдельной направляющей пластине для толкателей. Это уменьшает изгиб в клапанном механизме на более высоких скоростях для лучшего управления клапаном. Положение вала также может немного снизить точку поворота коромысла по отношению к клапанам и толкателям, чтобы уменьшить трение между кончиками рычагов и верхней частью клапанов. Вал также может подавать масло непосредственно на коромысла, чтобы улучшить смазку и уменьшить трение.

Система коромысел, установленная на валу, является излишним для большинства уличных приложений, потому что такому двигателю на самом деле не нужен такой уровень жесткости и прочности. Но для гонок система на валу может обеспечить повышенную жесткость и надежность.

Поддержка коромысла на жестком стальном или алюминиевом валу означает, что коромысла не могут отклоняться от своего фиксированного положения из-за изгиба шпильки или вертикального движения на шпильке коромысла. Жесткость, обеспечиваемая валом, удерживает все коромысла в идеальном положении и позволяет им безопасно справляться с более высокими нагрузками и оборотами. Коромысел на валу также не требует прорези на нижней стороне корпуса коромысла для освобождения шпильки, поэтому коромысла на валу по своей природе прочнее.

Устанавливаемые на вал системы коромысел доступны для многих головок цилиндров с повышенными характеристиками послепродажного обслуживания. Во многих случаях это простая установка с болтовым креплением, которая требует незначительных модификаций головки или вообще не требует их. Коромысел на опоре также доступны для многих двигателей с коромыслами на шпильках.

Система крепления на пьедестале может обеспечить многие из тех же преимуществ, что и система коромысла на валу, но с меньшими затратами. Многие из них представляют собой простые установки с болтовым креплением, но они не будут работать на том же уровне, что и настоящая система крепления на валу, в полномасштабных гонках.

Выбор коромысла
Сегодня производители двигателей имеют огромный выбор высокопроизводительных коромысел и систем коромысел, из которых можно выбирать. Существуют «экономичные» алюминиевые рокеры, обычно изготавливаемые из литого под давлением алюминия, которые обеспечивают повышение производительности по сравнению со стандартными штампованными стальными рокерами. Но для более требовательных приложений часто необходимо перейти на экструдированные или кованые алюминиевые или стальные коромысла с ЧПУ.

Легкие рокеры необходимы, потому что они уменьшают массу в клапанном механизме. Уменьшение «момент инерции» за счет облегчения коромысла позволяет двигателю работать на более высоких оборотах с теми же пружинами.

Коромысел, очевидно, должен быть прочным, чтобы выдерживать возложенные на него нагрузки, но уменьшение массы коромысла со стороны клапана оказывает более положительное влияние на снижение инерции, чем изменение массы со стороны толкателя коромысла. . Это также объясняет, почему большие или более жесткие толкатели, которые весят больше, чем стандартные толкатели, оказывают минимальное влияние на импульс клапанного механизма. Вам нужны более жесткие и прочные толкатели для надежности и стабильности клапанного механизма, особенно при более высоком давлении пружин клапанов в сильно модифицированном высокооборотном двигателе.

Некоторые современные стальные рокеры такие же легкие, если не чуть легче, чем алюминиевые рокеры с сопоставимыми характеристиками. Сталь может безопасно выдерживать большое давление пружины клапана, до 950 фунтов или выше, говорят люди, которые делают такие коромысла. Сталь обладает лучшей усталостной прочностью и жесткостью, чем алюминий, и может выдерживать суровые условия гонок в течение более длительного периода времени — часто в 2–4 раза дольше, чем у сопоставимых алюминиевых рокеров.

Для сравнения, типичные экономичные литые алюминиевые коромысла не следует использовать с давлением открытой пружины более 350–450 фунтов в зависимости от марки коромысла. Рокеры из экструдированного алюминия обычно могут выдерживать до 700 фунтов давления открытой пружины, а некоторые рассчитаны на пружины до 900 фунтов. Всегда руководствуйтесь тем, что производитель коромысла говорит, что его руки могут безопасно работать. Не нажимайте на коромысла сверх их номинальной мощности, если вы не хотите что-то сломать.

Еще одна вещь, на которую следует обратить особое внимание при выборе коромысла, — это конструкция роликов и игольчатых подшипников. Чем больше игл в центральном подшипнике, тем лучше, потому что нагрузка распределяется по большей поверхности, что повышает долговечность. Ролики на концах многих коромыслов не имеют игольчатых подшипников, но некоторые из них имеют, что помогает уменьшить трение и износ штока клапана.

Разрешенный тип коромысла может быть ограничен правилами в некоторых гоночных приложениях. Если правила требуют «стандартных» коромыслов или штампованных стальных коромыслов, это не значит, что вы застряли на стандартных коромыслах. Многие компании послепродажного обслуживания предлагают штампованные стальные коромысла, изготовленные из более прочных сплавов для повышения надежности.

И даже если правила не являются ограничивающим фактором, коромысла из штампованной стали обычно могут выдерживать обороты двигателя до 6500 об/мин и подъем клапана до 0,600″, если прорезь коромысла имеет достаточный зазор для шпильки, чтобы работать с кулачком с большим подъемом. То же самое относится и к коромыслам из литой стали на двигателях Ford и Chrysler, в которых используется какой-либо тип установки коромысла, установленного на валу.

Для двигателей, требующих повышения, замена штатных штампованных или литых стальных коромыслов алюминиевыми роликовыми коромыслами обычно дает прирост от 10 до 15 л.с. при том же коэффициенте подъемной силы и даже больший прирост мощности при более высоком коэффициенте подъемной силы. Дополнительная мощность достигается за счет уменьшения трения, обеспечиваемого роликовыми коромыслами, что также способствует охлаждению масла.

Проблемы с установкой

В зависимости от конструкции коромысла замена коромысла часто требует изменения длины толкателя. В случае с коромыслами, установленными на шпильках, расположение коромысла на шпильке определяет геометрию клапанного механизма.

Когда толкатель имеет правильную длину для приложения, кончик коромысла будет центрирован на кончике штока клапана, когда кулачок находится на 50-процентном подъеме. Если толкатель слишком длинный или слишком короткий, кончик коромысла будет смещен наружу или внутрь штока клапана, а не по центру над ним. Это может создавать боковые нагрузки на шток клапана, что увеличивает трение, износ штока и направляющей.

Толкатель регулируемой длины можно использовать для определения оптимальной длины толкателя для любой комбинации коромысла/распределительного вала.

Отрегулируйте толкатель, когда кулачок находится на 50-процентном подъеме, чтобы кончик коромысла находился точно по центру, затем снимите коромысло и толкатель и измерьте длину толкателя от конца до конца, чтобы определить оптимальную длину толкателя.

Если в двигателе есть гидравлические подъемники, подъемник слегка опустится, когда клапанный механизм находится под нагрузкой. Использование легкой контрольной пружины, а не реальной пружины клапана, позволит более точно определить длину толкателя.

После определения длины толкателя найдите самые жесткие и прочные толкатели, которые будут соответствовать применению и ожидаемому диапазону оборотов двигателя. Стандартные толкатели могут подойти для стандартных клапанных пружин и скорости вращения 5 500 об/мин, но они будут изгибаться и изгибаться при более высоких нагрузках на пружину и скорости вращения.