A szeleprugók bemutatása
Gyakran élünk azzal a lehetőséggel, hogy olyan alkatrészekről írunk ebben a rovatban, melyek nem feltétlenül vannak szem előtt, nem számítanak gyakori beszédtémának sem, mégis rendkívül fontos elemei az adott hajtáslánc, vagy a komplett jármű bármely nagyobb alrendszerének.
A szeleprugók funkciója kevésbé ismert a sofőrök számára, a szerelők viszont annál többet tudnának mesélni erről az elemről. A mostani cikkünkben a szeleprugó tervezési előkészületeiről, általános szerepéről és működéséről írunk, valamint mutatunk néhány olyan megoldást, ahol a szeleprugó nem része a motorvezérlésnek.
Funkció
Elsőként érdemes tisztázni, hogy pontosan mi a feladata a szeleprugónak a belső égésű motorban. Általános értelemben két fő kritériumnak kell eleget tennie. Az egyik, hogy olyan erővel kell a szelepet szorítania a szelepülésre, hogy az teljesen biztosan zárjon és maximális szívóhatás esetén se tudjon elválni a szelep az üléstől. A másik feladat, hogy szelepnyitás közben a szelepet és a vezérlőelemeket ne engedje eltávolodni egymástól és a bütyöktől.
Ez a kettős feladat önmagában nem követel meg nagy rugóerőt, azonban részben biztonsági, részben pedig egyéb szempontok miatt bizonyos esetekben növelni kell azt.
Ez persze felfelé is korlátos, meg kell határoznunk a legnagyobb erőhatásokat is, mivel ha indokolatlanul erős a rugó, akkor nemcsak nehezebbé válik, de a vezérmű alkatrészei is jelentősen gyorsabban mehetnek tönkre általa.
A szeleprugó geometriai méreteit, és egyúttal az erejét nagymértékben befolyásolja a rendelkezésre álló hely is. Egyes alkalmazásokban annyira extrém követelményeket támasztanak a szeleprugóval szemben, hogy azoknak több rugó együttes felhasználása képes megfelelni.
Anyagválasztás
A szeleprugók egészen extrém termikus, kémiai és mechanikus hatásoknak vannak kitéve, ezáltal rendkívül megfontoltan kell megválasztani a megfelelő anyagot a gyártásához, hogy az tartósan képes legyen elviselni a rá nehezedő terheléseket.
Már a második világháború környékén nagymértékben elkezdett terjedni az olajos temperált huzalok felhasználása, a 60-as évekre pedig szinte általános jelleget öltött. Ezek szilícium- és krómtartalmú, olajjal edzett acélok, melyek kitűnő fáradási tulajdonságokkal rendelkeznek (pl: SAE9254, JIS SWOSC-V). Néhány éven belül de facto szabvány lett belőlük.
A gyártás során az egyik legnagyobb kihívás a zárványok, felületi karcolások és a szénmentesített rétegek minél akkurátusabb eltávolítása volt, ugyanis ezek hátrányosan befolyásolják a rugó kifáradási szilárdságát.
A 1980-as években bevezettek egy új kompozíciót KHV7 néven, mely a korábbi SAE9254-es alapult, és a megnövelt szakítószilárdság érdekében nagyobb széntartalommal rendelkezik. Ez finomítja az ausztenites szemcséket és javítja a lágyulási ellenállást. Az SAE9254 huzaljainak szakítószilárdsága közelítőleg 1900 MPa, míg a KHV7-é 2050 MPa. A kifáradási szilárdság körülbelül 110%-a lett a korábbinak.
A 90-es években jött az újabb áttörés a nitridálással, mely újból az 1,3-szorosára növelte a kifáradási szilárdságot. Ez volt a KHV10N, mely 2%-nyi szilíciumot tartalmaz, hogy növelje az edzéssel szembeni ellenállást. A szakítószilárdság itt már meghaladta a 2200 MPa-t.
A KHV10N-hez a kifáradási szilárdság és a hajlásállóság további növelése érdekében nagyobb mennyiségű krómot és vanádiumot adtak. Ezzel még finomabbá váltak a szemcsék – ez lett a KHV12N, amit 2006-ban hoztak kereskedelmi forgalomba.
Igénybevétel és méretezés
A szeleprugó méretezése során olyan rugókarakterisztika meghatározására törekszünk, amely lehetővé teszi. hogy a szelepnyitás teljes lassítási szakaszán a vezérmű elemei ne válhassanak el egymástól, és eközben a rugó anyaga a megengedettnél ne legyen jobban igénybe véve. Ezért a rugódiagramot a szelep gyorsulásából számított tömegtehetetlenségi erőkkel együtt kell egybevetni, figyelembe véve a szelepre ható gázerőt is.
Kialakítás
A szeleprugók legáltalánosabban elterjedt formája a hengeres tekercsrugó. Igénybevétele jelentős mértékben függ a huzal- és a tekercselési átmérőtől. Ez utóbbit meghatározza a rendelkezésre álló hely, a merevséget pedig a működő menetek száma befolyásolja. Ez utóbbi a gyakorlatban 5-8 körül van, mivel a túl hosszú rugót konstrukciós okokból többnyire nincs lehetőség elhelyezni.
Vannak olyan alkalmazások, ahogy egy rugó önmagában nem feltétlenül elegendő. A huzalátmérők általában nem nagyok, a leggyakoribb az 5 milliméter körüli átmérő, ezért a nagy fordulatszámú motoroknál a nagy rugóerőt centrikusan egymásba helyezett, ún. párhuzamos elrendezésű rugókkal érik el. Ekkor a tekercselés iránya ellentétes kell legyen, hogy egy esetleges rugótöréskor az egyik rugó ne tolódhasson a másik menetei közé.
A klasszikus kivitelű, hengeres tekercsrugók állandó menetemelkedésűek. A működő menetszámok megállapítása úgy történik, hogy azokat félmenetekre kerekítik, és a rugó mindkét végén ¾ vagy egy menetet ráhajtanak. Az önmenetszám az ½ egész számú többszöröse kell legyen.
Előfordulhat, hogy az adott konstrukcióban nemkívánatos rugólengési jelenségekkel találkozunk. Erre a menetszám és a rugóerő megváltoztatásán kívül kúpos tekercselésű vagy változó menetemelkedésű rugókat is lehet alkalmazni. Utóbbinál az összenyomódás hatására a kisebb menetemelkedésű menetek egymásra ülnek, ezáltal kikapcsolódnak a rugózásból, ebből következően pedig megváltozik a rugó sajátfrekvenciája.
Vezérlés szeleprugó nélkül
A magas fordulatszámú versenymotorok esetében nagyjából harminc évvel ezelőtt elérték azt a kritikus fordulatszámot, aminél már konstrukciós okokból képtelenség volt olyan szeleprugót használni, amely ne érte volna el a sajátlengését a motor működési tartományán belül, funkcióját elveszítve ezáltal.
A motorsportban ennek köszönhetően került széles körű alkalmazásra a pneumatikus szelepvezérlés. A működtető mechanizmus nagyon hasonló egy egyszerű pneumatikus munkahengerhez. Nyomás alatti gázt (általában nitrogént) pumpálnak be a hengerbe, aminek hatására a dugattyú (azaz a rögzítő) felemelkedik, a szelep pedig lezár. A rendszer rugalmasságát a gáz adja, amely viszont nem rendelkezik azokkal a sajátlengésekkel, mint a tekercsrugó, így ezzel jelentősen könnyebb elkerülni a rezonanciát, és a rendszer is sokkal gyorsabb.
