Как металлические пружины клапанов работают в сравнении с альтернативами

27 марта
Один из наших читателей выразил любопытство относительно того, как двигатели с металлическими клапанными пружинами работают в сравнении с двигателями с беспружинной «десмодромной» системой клапана.

В течение многих лет World Superbike организовывал своего рода соревнование «пружины против беспружинной системы», так как все мотоциклы, которые Ducati создавали в этой серии, имели уникальные комплекты клапанов десмо, в то время как все их конкуренты использовали стальные клапанные пружины. С 1988 года, когда эта серия запустилась, Ducati выиграл много чемпионатов мира по супербайку, но последние пять лет подряд Джонатан Ри выигрывал эту гонку на Kawasakis с металлическими пружинами.

А как насчет пневматических систем? Системы пневматических клапанов просто заменяют сжатый воздух при умеренном давлении на металлические пружины - все остальное как в двигателях с металлическими пружинами.

Поскольку некоторые люди не уверены, как работают эти «операционные системы» клапанов, вот несколько объяснений:

Пружины по-прежнему занимают свое место в мотоциклетных клапанах, но как насчет альтернатив?


Обычные распредвалы плюс металлические пружины

Большинство мотоциклов, легковых автомобилей и легких грузовиков имеют клапанную систему, в которой кулачок (вращающийся вал с «выпуклостями» на нем) проталкивает клапаны в открытое положение под действием давления металлических пружин. Ни одна клапанная система не открывает клапан, а затем позволяет ему мгновенно закрыться - удары клапанов о седла клапанов приведут в негодность клапаны всего за несколько интенсивных циклов. Скорее, цель пружины (пружин) клапана состоит в том, чтобы удерживать клапан и его толкатель кулачка относительно точно заземленной формы кулачка, которая предназначена для устранения резких пиковых нагрузок, которые могли бы со временем повредить детали. При некоторых высоких оборотах двигателя давления пружин клапанов может быть недостаточно для удержания инерции ряда клапанов относительно направляющей поверхности кулачка, что приводит к «плаванию клапана» - состоянию, при котором кулачок движется слишком быстро, чтобы пружина (ы) клапана заставили клапан и толкатель кулачка оставаться в контакте с кулачком.


Десмодромный клапан

Принцип открытия клапана в десмо-системе идентичен ситуации с металлической пружиной. Большая разница состоит в том, что вместо пружин, заставляющих клапан следовать положению кулачка, имеется рычаг закрытия клапана, приводимый в движение вторым и дополнительным профилем кулачка. Этот закрывающий рычаг во многих моделях Ducati имеет форму буквы «L» с осью вращения через вершину. Один конец буквы «L» опирается на закрывающий профиль кулачка, а другой принимает форму вилки, которая опирается на нижнюю часть втулки, прикрепленной к верхнему концу стержня клапана. Закрывающий кулачок и рычаг создают усилие на эту втулку, которая закрывает клапан. Как и в случае с металлической пружиной, когда быстродвижущийся клапан приближается к своему седлу во время процесса закрытия, это кулачок открытия, профиль которого контролирует плавное замедление клапана, позволяет ему сидеть с оптимальной скоростью закрытия (пару футов в секунду).

Чертеж первого десмодромного клапана Ducati с 1956 года.


Конкурентоспособность десмо в гонках

Как видно из приведенного выше абзаца, все зависит от жесткости рычага закрытия десмо. В моделях с низкой производительностью этот рычаг представляет собой простую L-образную стальную кованую пластину, точно закаленную и отшлифованную там, где она опирается на закрывающий кулачок и втулку клапана. Для работы на более высоких оборотах двигателя простая L-образная форма закрывающего рычага заменяется более сложными формами с глубокими ребрами жесткости, чтобы усилить их стойкость к очень большим нагрузкам, которые они должны переносить.

Насколько мощнее? Когда я посетил Del West, который производит титановые клапаны и обеспечивает разработку системы пневматических клапанов, мне сказали, что изобретение Renault F1 примерно удвоило ускорения клапанов, которые можно было надежно контролировать. Благодаря этому стало возможным ускорение клапана примерно 3000 Гс.

Из этих результатов в MotoGP становится ясно, что Ducati, используя свою систему десмо, может соответствовать или даже превышать мощность двигателя и обороты, производимые Honda. Оба двигателя - 90-градусные V-4 с 81 x 48.5 мм внутренним диаметром и ходом развивают приблизительно 18 000 оборотов в минуту.

Все сводится к разработке. Когда Ducati решили присоединиться к MotoGP в 2003 году, они рассматривали другие системы привода клапанов, такие как пневматические пружины, но решили, что, поскольку их опыт заключался в десмо-дизайне, именно эта система могла наиболее быстро предоставить подходящее решение.

Металлические пружины ушли в прошлое в MotoGP - все конкуренты, за исключением Ducati, теперь используют пневматические пружины. Последнее использование металлических пружин в MotoGP было вместе с «серийным байком», который Honda создали за короткое время. Предполагается, что он будет на 30 л.с. на поле, но это не увенчалось успехом.


World Superbike - особый случай?

Если пневматические пружины и десмо дают одинаковые результаты в MotoGP, как двигатели с металлическими пружинами все еще могут выигрывать чемпионаты в World Superbike? В настоящее время Superbikes должны сохранить ту же систему привода клапанов, с которой они продавались, исключая пневматические пружины. Поскольку нынешние правила ограничения числа оборотов в этом классе в некоторой степени основаны на пределах производства, пиковые обороты ограничены примерно 16 000, в отличие от безграничного состояния MotoGP. До сих пор на этом низком уровне металлические пружины оставались конкурентоспособными. Новый Honda CBR1000RR-R Fireblade SP теперь присоединяется к World SBK с металлическими пружинами.

В чем вся суть? MotoGP считает, что система десмо может быть развита для конкуренции с пневматическими пружинами, но также верно и то, что все конкуренты в Формуле 1 пользуются пневматическими системами. Поэтому логично предположить, что производители будут выбирать операционную систему клапана, которая наиболее быстро, надежно и дешево будет отвечать их потребностям. Для Ducati, разрабатывающих десмо в течение нескольких десятилетий, мудрым выбором было пойти по проверенной дорожке. Что касается других, то при выборе, по крайней мере, трех коммерческих источников для проектирования пневматической пружинной системы, предпочтение отдалось пневматике. Металлические клапанные пружины, ограниченные своей значительной массой, склонностью их катушек к колебаниям и проблемами быстрого усталостного растрескивания при высоких напряжениях, остаются полезными и экономически эффективными в более мягких условиях.

ИСТОЧНИК

https://www.cycleworld.com/story/blogs/ask-kevin/how-metal-valve-springs-compare-to-alternatives/
Что почитать?
ТРК СпортЕХ
г. Москва, 5-я Кабельная, д.2
м. Авиамоторная и МЦК Нижегородская

+7 (495) 958-88-88
info@sportex-tc.ru

11:00-21:00 (ежедневно)