Kepsud, väntvõll, kolvid (2)

Väntvõll, kepsud ja kolvid
Käesolevas loos on vaatluse all mootori väntmehhanismi osad, mille ülesandeks on põlevate gaaside rõhu muutmine pöörlemiseks. Nagu allpool selgub, on sarnaselt plokiga ka nende osade puhul määravaks nende tugevus.
Alustades altpoolt on esimene komponent väntvõll. Sellest, miks väntvõll peab tugev olema, annab ehk ettekujutuse see, et näiteks Hemi kolb -kolvisõrm- keps kaaluvad kokku 1,5 kuni 2 kilo ja selliseid asju on väntvõllil 5000 pöörde juures kaheksa tükki küljes rippumas ja seda ise suunas kiskumas.
Ülevalpool peavad kolvid vastu võtma kogu põlemisrõhu ja temperatuuri, millest tulenevalt ei saa neid ka just õhkõrnu teha. Seda eriti nitro ja/või kompressori kasutamise korral. Ja vahest kõige raskemas olukorras on kepsud, kes peavad väntvõlli ja kolbide vahel kuidagi hakkama saama. Nüüd aga siis lähemalt sellest, mida neeb jupid endast kujutavad ja kuidas oma raskele koormusele vastu peavad.
 
Väntvõll
 
Väntvõll ( crankshaft , crank) on mootoris väga keskne komponent, mis muudab kolbide üles-alla liikumise pöördliikumiseks, mis lõpuks paneb pöörlema rattad . See, kas rattad ka kenasti kohapeal ringi käia suudavad, jällegi väntvõlli omadustest eriti ei sõltu, välja arvatud niipalju, et väntvõll määrab kindlaks mootori kolvikäigu, mis koos silindri läbimõõduga annab töömahu, millest omakorda sõltuvad pöördemoment ja võimsus.
Ajades nagu ikka taga suurimat pöördemomenti ja võimsust, võiks küsida: miks mitte teha megapika kolvikäiguga mootorit, et suure töömahuga suur võimsus saavutada? Loomulikult on üheks piiravaks teguriks mootoriploki füüsilised mõõtmed. Teiseks suurendab pikem kolvikäik küll väga efektiivselt pöördemomenti (suureneva töömahu ja pikeneva jõuõla tõttu), kuid pöörete ja võimsuse arendamisel tuleb mängu see, et mida pikem on kolvikäik, seda suurema maa peab kolb mingi kindla mootori töökiiruse juures läbima. Näiteks, kui oletada, et mootor teeb 5000 RPM (revolutions per minute , pööret minutis ) ja kolvikäik on 3 tolli, siis läbib ta ühe pöördega 2x3=6 tolli (alla-üles), minutis seega 30000 tolli, tunnikiiruseks annab see 46 km/h, 4-tollise kolvikäigu puhul oleks kiirus juba 61 km/h, mida polekski nagu eriti palju, kuid see on keskmine kiirus - maksimumkiirus on palju suurem ning vahepeal peab kolb ka suunda muutma . Näiteks kui auto liiguks ühel hetkel kiirusega 61 km/h ja sajandiksekund hiljem sama kiiresti vastassuunas , oleks selles autos tõenäoliselt reisijate asemel kompott.
Järelikult satuvad komponendid - eriti kepsud, aga ka väntvõll - kolvikäigu pikenedes ja pöörete suurenedes kasvava koormuse alla ning suureneb ka suunamuutmisel ületatav inerts . Seepärast ongi suuremad mootorid, näiteks big-blockid (kolvikäik taval. üle 4 tolli), üldiselt vähem pööretelembesed kui näiteks small-blockid (kolvikäik alla 4 tolli). Samas pole see iseenesest paha, kuna selle kompenseerivad nad oma pöördemomendiga, mis ongi tänavasõiduauto juures nauditavam kui suur tippvõimsus kõrgetel pööretel.
Nagu öeldud, panevad mootoris toimuvad protsessid väntvõlli suure koormuse alla. Väntvõlli küljes ripuvad suhteliselt rasked ja väga kiiresti liikuvad ning suunda muutvad kepsud ja kolvid. Seepärast polegi väntvõll lihtne vänt, vaid kepsude kinnituskohtades on vastukaalud , milles eesmärgiks on pöörlemisel tekkivaid jõude tasakaalustada. Probleeme põhjustab ka see, et eri silindrites toimuvad korraga erinevad taktid , mõnes tekitab töötakt jõudu, teises vajab survetakt jälle mõningast kaasa aitamist, kõik see põhjustab vibratsiooni ja väntvõlli väänet, mis mõnedel eriti ekstreemsetel juhtudel (Top Fuel) võib ulatuda kuni 90 kraadini.
Seetõttu on oluline, et väntvõlli tugevus oleks vastavuses selle kasutamisega. Mida suurem kolvikäik, pöörded ja pöördemoment, seda tugevam peab väntvõll olema. Materjaliks on malm või teras, kuid tähtis on ka valmistusmeetod. Kõige tugevam on nn. billet väntvõll, mis on sisuliselt ühest konkreetsest terasekamakast välja lõigatud. Selliseid kasutatakse üldjuhul vaid ekstreemsetes võistlusmootorites, näiteks Top Fuelis. Tugevuselt järgmine on forged crank ( sepistatud väntvõll). Selline väntvõll valmib nii, et poolsula materjal (teras) pressitakse (lüüakse) vormi tohutu jõuga, mille tõttu valmiv jupp on suure tihedusega ja üsna tugev (ja raske). Sepistatud väntvõlle pandi tehases vaid suurematesse ja võimsamatesse mootoritesse.
Kõige tavalisem moodus väntvõlli valmistamiseks on valamine ( cast crank), kus sula materjal vormi valatakse ning seal lihtsalt tahkuda lastakse. Sellised väntvõllid on nõrgemad kui sepistatud, kuid laiemalt kasutuses. Lisaks mainitutele tulevad kõne alla mõned muud valmistusmeetodid, mis on tavaliselt sama tugevad või nõrgemad kui valatud jupid, ja leiavad kasutamist stock mootorites.
Tuntumad väntvõllivalmistajad on Lunati, Crower, Cola ja Callies.
 
Kepsud
 
Keps (rod, con rod, connecting rod) on ühenduslüliks kolvi ja väntvõlli vahel ning annab kolvi üles-alla liikumise väntvõllile edasi. Nagu öeldud ülalpool, on ta selle rollis pidevalt suure koormuse all. Õigupoolest ongi just kepsud võistlusmootorites kõige enam purunev komponent. Kõrgetel pööretel purunenud keps ('throwing a rod', tõlkida võiks (kolvi)varre viskamine :) toob aga sageli kaasa kõlbmatuks muutunud väntvõlli ja/või augu plokis ning tihti ka muud hävingut.
Kepsusid valmistatakse muuhulgas titaanist (eksootiline ja kallis, kasutusel võistlusmootorites); alumiiniumist (kasutatakse samuti võistlusmootorites, näiteks Top Fuelis, vajab sama tugevuse saavutamiseks rohkem materjali, kuid on sellele vaatamata kergem ning elastsem , mis aitab 'neelata' lööke - järske muutusi koormuse tugevuses ja suunas -, mis teraskepsud purustaks). Vähemeksootilised materjalid on teras ja malm. Ka siin kehtib väntvõllidest tuttav jaotus billet, forged (sepistatud) ja cast (valatud) kepsudeks, kuid õieti valmistatud näiteks 4340 terasest sepistatud keps on isegi tugevam kui billet keps. Sepistatud kepsud on kasutuses paremates tehasemootorites ning pea alati forsseeritud mootorites. Tehnoloogiatest kõige viimane - valamine ( casting ) ja materjalidest kõige nõrgemad (iron või powdered metal) - on kõige laiemalt kasutuses ja kõige nõrgemad.
Olgu öeldud, et nii väntvõllide, kepsude kui ka kolbide puhul on valatud juppide nõrkus küllaltki suhteline mõiste, probleeme hakkavad nad tekitama üldjuhul alles siis, kui võimsus hakkab 500hj kanti jõudma, pöörded üle 6000 lähevad, samuti kui kasutuses on nitro ja/või kompressor ; sealjuures on väntvõll ja kepsud rohkem tundlikud kõrgete pöörete suhtes, kolvid aga võimsuse ja nitro/ülelaadimise suhtes.
Kepsude tugevust on mingil määral võimalik ka silma järgi hinnata, tugevamad kepsud on üldjuhul märgatavalt jämedamad (rohkem tugevust suuremast hulgast materjalist) ning ka sujuvama (vähem nurgelise) kujuga, kuna teravad nurgad põhjustavad materjalis tavaliselt pingeid, ning on kohaks, kust keps tavaliselt puruneb.
Kepsude vastupidavuse seisukohalt on oluline ka kepsupoltide (rod bolts) kvaliteet.
Parimaid kepse teevad Oliver, Manley, Childs & Albert , kepsupoltide tuntuim valmistaja on ARP.
 
Kolvid
 
Kolb ( piston ) on põrandaks põlemiskambrile ning just talle saab osaks põlevate gaaside surve, mille ta siis kepsu kaudu väntvõllile edasi annab. Kolvid on valmistatud alumiiniumisulamist ning valmistusmeetodid on juba tuttavad cast ja forged, ning tugevuselt nende vahele jääv hypereutectic (ei teagi, kuidas seda eesti keelde tõlkida). Levinuimad on jällegi cast e. valatud kolvid, kuid suurte võimsuste korral, eriti nitro ja ülelaadimisega, osutuvad vajalikuks forged (sepistatud) kolvid. Nende puuduseks on see, et nad on küllaltki suure soojuspaisumisega, nii et külm mootor, milles kolvid pole veel normaalsete mõõtudeni paisunud, võib olla väheke häälekas ning ka õli kulutada. Forged kolvid on üldjuhul teistest ka raskemad, kuna materjal on suurema tihedusega.
Kolbide puhul on üheks teguriks ka kolvi kuju. See mõjutab nii surveastet kui küttesegu liikumist põlemiskambris ja selle põlemise efektiivsust. Kolvi ülemise pinna kuju järgi jagatakse kolvid flat -top (lamedad), domed (kolvipind on kumer) ja dished (kolvipind on nõgus).
Klobide puhul on oluline osa ka kolvirõngastel, mille eesmärgiks on tagada, et kolb silindris tihedalt liiguks ja küttesegu põlemisel tekkiv surve ei läheks kolvist mööda karterisse ja et õli alt ei tungiks põlemiskambrisse, mis põhjustaks detonatsiooni. Kolvirõngaid on tavaliselt kaks-kolm, ülemine on surverõngas, mille pealmiseks ülesandeks on põlevate gaaside survet ülalpool kolbi hoida ja alumine on õlirõngas, mille eesmärgiks on õli allpool kolbi hoida. Võimalik keskmine rõngas täidab mõlemat ülesannet.
Tuntuimad kolvivalmistajad on Ross, Wiseco, J&E, TRW, Aries , Keith Black (KB)
 
Surveaste
 
Nagu öeldud, sõltub kolvist surveaste, mis omakorda mõjutab mootori võimsust ja kasutatavalt bensiinilt nõutavat oktaaniarvu. Surveaste, nagu ehk on meeles sissejuhatavast artiklist , on see suhtarv , mis näitab mitmekordselt küttesegu survetakti käigus kokku surutakse. Lihtsustatult öeldes, mida rohkem küttesegu enne süütamist kokku surutakse, seda suuremat rõhku saab ta plahvatamisel kolvile avaldada, millest omakorda tuleneb suurem pöördemoment ja võimsus.
Paraku ei saa küttesegu suurema võimsuse lootuses lõputult kokku suruda, sest liigse surve ja sealjuures tekkiva temperatuuri tõttu süttib küttesegu enneaegselt, s.t. enne süüteküünla sädet. Sellist iseeneslikku süttimist nimetatakse detonatsiooniks ja see toob silindris kaasa tohutu rõhu alles üles liikuvale kolvile ning põhjustab mootori komponentidele vibratsiooni ja suurt koormust, mis on suutelised mootori suhteliselt lühikese ajaga hävitama.
Seda, millise surveastme juures mingi konkreetne kütus veel detonatsiooni põhjustama ei peaks, näitab tema oktaaniarv . Jällegi lihtsustatult, jagades bensiini 98E oktaaniarvu 98 kümnega, saame, et ta peaks toime tulema surveastmega 9,8; 95E järelikult aga 9,5ga. Sellel põhjusel on tänapäeva mootorite surveastmeks u. 9-10.
Kõige tõsisemate muskelautode surveastmed oli 1960-ndatel isegi üle 11, kuna selleks nõutavat kütust oli vabalt saada kuni 1971 . aastani, kui keskkonnaindlejate surve tõttu algas üleminek viletsamatele kütustele. See tähendas võimsuste langust ning oli üheks teguriks muskelautode kuldajastu lõppemisel. Näiteks legendaarse Chevy LS6 mootori surveaste oli 1970. a. 11,25 ja 1971. a. 9,00. Võimsust läks seepärast kaotsi vähemalt 25 hj.
Kvaliteetse bensiini ja sobivate plokikaante korral on siiski ka tänapäeval võimalik kasutada surveastmeid kuni 11ni, näiteks nagu ZR-1 Corvette'i mootor.
Olgu öeldud veel niipalju, et seni oli juttu staatilisest surveastmest, kuid praktikas on määrav dünaamiline surveaste, mis näitab, milline reaalne rõhk silindris valitseb ja palju seal küttesegu kokku surutakse. See sõltub staatilisest surveastemest, aga ka muudest komponentidest, mis määravad, kui palju ja millise kiiruse ja rõhuga küttesegu silindrisse jõuab, nagu näiteks nukkvõll ja sisselase.
Näiteks ülelaadimisega mootorites kasutatakse madalama staatilise surveastmega kolbe (7,5-9), kuna ülelaaderõhk ise põhjustab tegeliku rõhu kasvu silindris, mis tavapärase staatilise surveastme juures võiks kergelt detonatsioonini viia. Kompressor rohkem kui kompenseerib surveastme vähenemisest tingitud võimuskao.
 
Kokkuvõte
 
Selles jaotises käsitlesime väntmehhanismi (rotating assembly), ning nägime, et nagu mootoriploki puhul, on siin kõige olulisemaks kriteeriumiks vastupidavus. Väntmehhanismi kui terviku kohta võiks öelda veel niipalju, et oluline on selle tasakaalustatus . Tasakaalustatus nii üldises mõttes (pole mõtet kasutada nõrku cast kepse forged väntvõlli ja kolbidega, sest rasked kolvid rebivad kepsud ruttu ribadeks ning tõenäoliselt hävib selle käigus ka tugev ja kallis väntvõll), kui ka kitsamas tähenduses, kuna kui ehitatakse vähegi tõsisemat mootorit, hoolitsetakse selle eest, et üksikud komponendid (näiteks kolvid omavahel) oleksid võimalikult võrdsete ning ideaallähedaste mõõtmete ja massiga, kuna nii välditakse liigset vibratsiooni ja kulumist ning tagatakse mootori pikk iga ja suurim võimsus. Sellisel põhimõttel ehitatud mootori kohta kasutatakse väljendit 'balanced and blueprinted'.
Olles nüüd ploki ja väntmehhanismiga lõpule jõudnud, saame asuda nende juppide kallale, mis tegelikult määravad mootori võimsuse ja käiguomadused.
Järgmine artikkel ongi Õhu tee läbi mootori I.