Geometria del braccio a bilanciere e allineamento del treno valvole

Una spiegazione dettagliata degli obiettivi di allineamento del treno di valvole

Vedi tutte le 9 fotoBob BolleswriterNov 1, 2006

Le prestazioni del motore sono come una formula complicata in cui ogni singola parte gioca un ruolo nella risposta finale. Alcune parti della formula influenzano il risultato finale più di altre. La parte della geometria del valvolame della formula del motore è una di quelle parti dell’equazione che può fare una differenza significativa in termini di potenza e durata. Qui cercheremo di spiegare in modo completo come i componenti dovrebbero funzionare insieme e come, inoltre, tutto può andare terribilmente male.

La geometria in sé è un argomento abbastanza complicato da padroneggiare. Molti di noi hanno frequentato le lezioni del liceo e/o del college che si occupavano di questa materia, ma, come molti dei nostri studi, abbiamo dimenticato le lezioni non appena il test è stato superato. Chi ha bisogno di sapere cosa non verrà mai usato nella vita reale, giusto? Per me, la mia carriera iniziale ha comportato per oltre 20 anni pesanti calcoli geometrici su base giornaliera. Quindi cercherò di utilizzare queste conoscenze per spiegare, in modo semplice e comprensibile, che cos’è la geometria del valvetrain.

Molto lavoro è dedicato alla progettazione di profili di camme per applicazioni specifiche. Le differenze tra le camme in un particolare tipo di corsa sono piccole e quasi indistinguibili. Ma la composizione della camma ha uno scopo molto definito, e tutto ciò che dovrebbe fare per la valvola viene tradotto attraverso i componenti del treno valvole. Il design della camma è direttamente influenzato dalla geometria della valvola (VTG).

L’industria è costantemente alla ricerca di modi per progettare lobi a camme, sollevatori, bilancieri, valvole e valvole in una combinazione che permetta di ottenere risultati migliori per gli usi previsti. Noi, i corridori, possiamo prendere il meglio delle parti disponibili e, attraverso errori di montaggio, sconfiggere tutto ciò che ci sono voluti anni per realizzare. Vediamo come è possibile.

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Il concetto di una corretta geometria della valvola è in vigore da molto tempo. Non si tratta solo di qualcosa che è emerso negli ultimi anni, tramandato dalla Nextel Cup, dalla Indy Car o dalle corse di Formula Uno. Quando ho letto il libro Power Secrets di Smokey Yunick, anni fa, ha fatto riferimento a come raggiungere la corretta geometria, avendo imparato l’importanza di questo concetto molto prima della prima data di copyright del libro. Smokey non ha inventato il metodo per la VTG corretta, lo ha solo spiegato. Vi mostreremo come questo metodo risuoni ancora oggi.

Ogni principale produttore di kit di valvolame e bilancieri ha i propri parametri di progettazione e obiettivi di progettazione. L’approccio e il dimensionamento dei componenti saranno necessariamente diversi per ogni produttore, anche quando i risultati sono quasi identici. Ma la geometria, essendo un risultato finito, richiede che tutti i sistemi si attengano a determinate tolleranze quando si tratta di correggere la VTG.

Un gentiluomo arrivò persino a brevettare un preciso disegno geometrico chiamato sistema Mid-Lift(r) nel 1982. Jim Miller ne vide l’importanza, come altri prima e dopo, nel mantenere corretti gli angoli geometrici del valvetrain. Abbiamo parlato con Jim e con alcuni dei leader tecnici dei principali produttori, e tutti sono concentrati sui propri progetti geometrici con obiettivi specifici.

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Gli obiettivi non dichiarati, poiché ogni azienda mantiene la segretezza in questo ambito di prestazioni, differiscono da azienda a azienda. Se a uno dei tanti produttori là fuori manca qualcosa di importante in questo senso, ne sarei molto sorpreso. Questo non vuol dire che non si possa imparare qualcosa da tutti noi da una presentazione dettagliata di come funziona la geometria.

Come detto, ogni azienda ha il proprio specifico dimensionamento dei pezzi, componenti abbinati in set di valvolame, e così via. Non siamo qui per dire a nessuno come progettare i componenti del valvetrain. Non siamo qui nemmeno per criticare qualsiasi progetto di parti VTG o combinazioni di tali parti. In ogni progetto di ogni azienda ci sono molti pensieri e test, e il bello delle corse è che siamo liberi di deviare dalla norma a volte per trovare la potenza e/o la resistenza nascosta.

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I problemi che affronteremo in questa sede si presentano quando un costruttore assembla quei pezzi in modo errato o assembla vari numeri di pezzi che non sono stati progettati per lavorare insieme. Questo può accadere molto facilmente nel complicato processo di montaggio e assemblaggio di un motore da corsa.

Ci sono così tanti processi critici di dimensionamento, bilanciamento, montaggio e finessing coinvolti nella costruzione di un motore da corsa competitivo, che non è fuori questione che qualcosa possa essere trascurato, come la garanzia di una corretta VTG. Per ottenere la VTG ottimale, dobbiamo sapere come funziona e perché.

Useremo come punto di partenza la logica comune e la comprensione dei primi obiettivi di progettazione utilizzati da Smokey e da altri. Forniremo dati che mostreranno i risultati dei diversi layout geometrici che influenzano la quantità di alzata delle valvole. Non è solo la camma che regola l’alzata della valvola. Anche la VTG ha un effetto.

Ciò a cui si è alluso sia nel passato che nel presente è la vista della spazzata della punta del bilanciere attraverso l’estremità dello stelo della valvola che si conforma strettamente al mantenimento della corretta VTG. Questo prende in considerazione solo metà della geometria del bilanciere dal lato della valvola, e copriremo l’altro lato più tardi. Ecco cosa è stato offerto.

Si è detto che con un bilanciere con punta a rullo, il punto di contatto con lo stelo della valvola dovrebbe, all’inizio del ciclo di apertura della valvola, spostarsi verso il lato di scarico della testa, raggiungere un apice a circa metà del ciclo, e poi spostarsi indietro verso il lato di aspirazione della testa all’incirca nella stessa posizione di quando il ciclo è iniziato quando la valvola diventa completamente aperta. Se ciò si verifica, allora la geometria è necessariamente una certa configurazione e non può essere in nessun altro modo.

In geometria, quando ciò si verifica, l’angolo formato da una linea attraverso l’asse dell’albero del bilanciere e l’asse del rullo è a 90 gradi o molto vicino allo stelo della valvola quando la valvola si trova nel punto centrale della sua corsa verso la posizione di apertura completa. Miller ha dichiarato come obiettivo brevettato del suo sistema Mid-Lift(r) che l’angolo a metà sollevamento sarebbe stato esattamente di 90 gradi. Le opinioni variano su questo punto, ma pochi sarebbero in disaccordo sul fatto che deviare troppo da questo concetto non è vantaggioso.

Posizionando l’altezza del bilanciere in un certo modo, il percorso di spazzata del contatto può essere o meno centrato sullo stelo della valvola. In un mondo perfetto, questo sarebbe il caso. Ma ci sono variazioni nella lavorazione dei blocchi, nel posizionamento dei perni del bilanciere, nella lunghezza di rotazione dei diversi bilancieri e nelle lunghezze delle valvole che alterano leggermente la posizione del percorso di spazzata della punta del bilanciere sull’estremità dello stelo della valvola. L’elemento critico non è il posizionamento del percorso di sweep sulla punta della valvola, ma gli angoli geometrici dei perni del bilanciere rispetto allo stelo della valvola.

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Naturalmente, non vogliamo che il punto di contatto del bilanciere a rulli si avvicini di più di 0,020 pollici al bordo dello stelo della valvola, come ha dichiarato Smokey, ma il fatto di essere decentrato non ha un effetto negativo su componenti come le guide della valvola e le armoniche del treno valvole e non ha alcun effetto sulle prestazioni. Non è un miglioramento delle prestazioni avere il percorso di sweep centrato sullo stelo della valvola, né significa necessariamente che abbiamo la VTG corretta se è centrata.

La configurazione geometrica ideale deve essere ripetuta anche sul lato dell’asta di spinta del bilanciere. Con un piccolo sforzo da parte del costruttore e un bilanciere progettato correttamente, possiamo scegliere la giusta lunghezza dell’asta di spinta in modo che la nostra geometria sia corretta. La chiave è trovare una posizione della coppa dell’asta di spinta che riproduca la geometria che abbiamo ottenuto dall’altro lato dell’albero del bilanciere e poi scegliere una lunghezza dell’asta di spinta che corrisponda a quella posizione.

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Se trattiamo il centro di rotazione della punta dell’asta di spinta allo stesso modo in cui abbiamo trattato il centro dell’albero della punta del rullo quando abbiamo trovato misure angolari, allora, mentre la valvola viene sollevata a metà del ciclo, l’angolo da una linea tracciata attraverso l’asse dell’albero oscillante e l’asse della punta dell’asta di spinta all’asta di spinta dovrebbe essere molto vicino a 90 gradi. Il fatto che abbiamo una regolazione per la sferzata della valvola significa che possiamo usare aste di spinta di lunghezza diversa per ottenere una migliore VTG.

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Anche in questo caso, ogni azienda ha obiettivi di progettazione diversi, ed essere esattamente a 90 gradi a metà del ciclo non è l’obiettivo preciso di tutti i progettisti. Sbagliare non è necessariamente definito come deviare di pochi gradi rispetto ai 90.

Nella ricerca di una VTG adeguata dal lato dell’asta di spinta, non si dovrebbe indietreggiare il regolatore fino a indebolire la struttura non avendo fili sufficienti per resistere alle forze che il bilanciere sperimenterà. In alcuni casi può essere necessario un compromesso, ma solo fino ad un certo punto. Il fatto di essere lontani dal VTG può indicare che avete le parti sbagliate per i tipi di testate, o che i bilancieri che avete non sono fatti per essere usati con la lunghezza delle valvole che avete installato.

Per esempio, se ho bisogno di girare il mio regolatore per una VTG corretta al punto in cui non ci sono filettature sufficienti per contenere le forze del treno valvole, posso usare una valvola più lunga, spostare il mio bilanciere verso l’alto mantenendo la VTG corretta sul lato della valvola, e poi avvitare ulteriormente il regolatore per usare più filettature quando sto regolando il gioco della valvola su sollevatori solidi o il precarico su sollevatori idraulici. Assicuratevi di guardare dove il bilanciere a rulli sta spazzando l’estremità della valvola e assicuratevi che non si avvicini troppo al bordo.

Suggerimento Se siete preoccupati per la posizione del percorso di spazzata del rullo oscillante e siete convinti che debba essere centrato, ci sono dei passi da fare per migliorare la situazione. Da una vista laterale, lo stelo della valvola, l’albero di montaggio del bilanciere e l’asta di spinta sono tutti ad angoli diversi. Lo stelo della valvola e l’asta di spinta convergono se il loro allineamento è esteso verso l’alto, mentre l’angolo dell’albero oscillante si trova da qualche parte tra questi due.

Mentre alziamo e abbassiamo il bilanciere sul suo albero, muoviamo anche il bilanciere a rulli avanti e indietro attraverso la punta dello stelo della valvola. Alzando il bilanciere si muove il rullo verso il lato di scarico dello stelo della valvola, e abbassando il bilanciere si muove il rullo verso il lato di aspirazione dello stelo della valvola.

Questa regolazione può arrivare solo fino ad un certo punto, e un grave disallineamento nell’allineamento della punta del bilanciere all’asta della valvola può essere corretto solo andando in un design diverso in cui la distanza dall’asse dell’asta del bilanciere all’asse dell’asta del rullo è diversa nella direzione necessaria. La chiave è di mantenere sempre la VTG corretta.

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Supponiamo di acquistare un set di bilancieri di qualità da utilizzare su testate dove le valvole sono già installate e di avere un buon set di aste di spinta per carichi pesanti. Potremmo aver rotto un bilanciere o aver deciso di fare un cambiamento. Ci avviteremo ai bilancieri, imposteremo la sferzata solida del sollevatore o il precarico idraulico e andremo a correre. Abbiamo fatto la cosa giusta? Potremmo rovinare un motore altrimenti buono se non ci assicuriamo che la nostra VTG sia corretta.

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Peggio ancora, decidiamo che il percorso di spazzata del rullo oscillante deve essere centrato sulla punta della valvola. Diciamo che è di 0,100 pollici fuori centro verso il lato di scarico del centro della valvola. Se abbassiamo il supporto del bilanciere per portare la punta del rullo vicino alla linea centrale, dobbiamo spostare il bilanciere verso il basso di 0,325 pollici. Il nostro percorso di spazzata della punta del rullo aumenta in larghezza da una larghezza di geometria corretta di 0,027 pollici a 0,108 pollici. Questo è un aumento di 0,081 pollici, che ci riporta quasi al punto di partenza.

Non sono gli unici cambiamenti. L’alzata della nostra valvola passa da 0,290 pollici con geometria corretta a 0,280 pollici nella prima metà del ciclo per una perdita totale di 0,010 pollici. Si tratta di una perdita dell’1,7 per cento dell’alzata totale. Quindi modificare la nostra geometria nel tentativo di centrare il nostro bilanciere a rulli sullo stelo della valvola avrà conseguenze dannose.

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Gli stessi problemi di geometria possono sorgere sul lato dell’asta di spinta del bilanciere. Se non selezioniamo la lunghezza corretta dell’asta di spinta, gli angoli del bilanciere rispetto all’asta di spinta ne risentiranno. Per mostrare quanto sia critica la lunghezza dell’asta di spinta, solo 0,100 pollici di differenza nella lunghezza dell’asta di spinta equivalgono a 6,3 gradi di differenza angolare nel bilanciere. La nostra metà della corsa della punta dell’asta di spinta è di soli 0,170 pollici, quindi se mettiamo un’asta di spinta troppo lunga di 0,170 pollici, allora abbiamo creato un errore angolare di 10,75 gradi.

L’alzata della nostra camma è influenzata dal fatto di essere di 0,0058 pollici in meno, e l’alzata della valvola è inferiore di 0,0102 pollici. Se avessimo il nostro errore di centraggio dello stelo della valvola dall’altro lato per aggiungere a questo, allora perderemmo un totale di 0,0202 pollici di alzata. Si tratta di una perdita di quasi il 311/42 per cento della dimensione dell’alzata della valvola da noi prevista. È proprio come mettere una camma di sollevamento inferiore nel nostro motore.

Qualsiasi cosa il vostro produttore di bilancieri voglia per gli angoli geometrici sarà molto influenzato se le parti non sono installate correttamente. Le variazioni si traducono attraverso il treno valvole alla valvola, influenzando la quantità di sollevamento, le velocità di apertura delle valvole ed eventualmente la fasatura della valvola tra le valvole di aspirazione e di scarico sia per cilindro che da un cilindro all’altro.

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Molti dei principali produttori di componenti per valvetrain forniscono severe istruzioni per l’installazione di bilancieri e aste di spinta. Alcuni forniscono strumenti utilizzati per controllare la corretta geometria e altri dettano esattamente dove deve essere posizionata la vite di regolazione della sferzata dopo che il lato della valvola è stato corretto. Poi il costruttore può ordinare le aste di spinta per adattarsi a quella posizione.

Nella ricerca della VTG ideale, dobbiamo ricordarci di controllare le distanze in movimento di tutti i componenti. In realtà, quando avremo una VTG migliore, le distanze saranno probabilmente migliori che se avessimo un progetto fuori angolo. In ogni caso, dobbiamo sempre essere consapevoli dei movimenti dei componenti e delle distanze tra i componenti adiacenti e le teste.

Consultate il vostro produttore di componenti valvetrain su come installare i vostri componenti. Assicuratevi di aver capito come questi componenti devono essere montati insieme; il risultato sarà un motore molto più potente che funziona in modo più fluido e ha un maggiore equilibrio tra i cilindri. Anche la durata dei componenti aumenterà, con un possibile risparmio di denaro. Sta tutto nella geometria.

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