A belső égésű motorok blokkjainak tervezése

Szerencsés esetben sosem látjuk ezt az alkatrész teljes valójában felhasználóként, szerelőként azonban előfordul, hogy kénytelenek vagyunk foglalkozni vele. A motortömb a belső égésű motorok legnagyobb egybefüggő alkatrésze, mondhatnánk, hogy az a szerkezeti elem, amelyhez minden mást hozzáépítenek. A laikus szemlélőnek egy egyszerű, formára öntött fémdarabnak tűnik, a valóságban azonban rengeteg funkciót ellát, melyek hiánya drasztikus következményekkel járna a teljes motorra nézve.

Ebben a cikkben a motortömbök jellemzőit tervezését és kialakítását mutatjuk be.

Általános leírás

Ahogy a felvezetésben is beszéltünk róla, a belső égésű motort a blokk, a motortömb, vagy más néven a forgattyúház foglalja zárt egységgé. Bizonyos régi szakirodalmakban forgattyúszekrényként is hivatkoznak rá. Ez az elem magában foglalja a motor kenési rendszerét, tartja az erőforrás segédberendezéseit, valamint merev megtámasztást biztosít a hajtóegységnek. Folyadékhűtéses motorok eseték a blokkba a hengertömb is beletartozik, a régi léghűtéses változatoknál többnyire különálló hengereket találunk.

Fizikailag a hengerfuratok felől a hengerfej, ellenkező oldalról pedig az olajteknő határolja a forgattyúházat. Az oldalukon található, különböző funkcióval rendelkező furatokat, nyílásokat öntvény- vagy lemezfedelek burkolják.

Tervezés

A konstrukciók kinézetre igen változatosak lehetnek, feladatukban azonban az biztosan közös, hogy a merevség növelésére törekednek. Ez azért indokolt, mert ebben az alkatrészben akkumulálódnak a motor belső és külső erőhatásai. Az üzem közben fellépő hajlító- és csavarónyomatékok nem okozhatnak számottevő vagy maradó deformációt, mert az a szerkezeti részek működését rövid idő alatt lehetetlenné tenné.

A belső terhelések közül a legfontosabb az égéstérben uralkodó gáznyomás, mely egyaránt hatást gyakorol a hengerfejre és a dugattyúra. Ez utóbbin, a hajtórúdon és a forgattyústengelyen átvezetett erő a főcsapágyakon átadódik a forgattyúházra, és a hengerfejcsavarok révén záródik a hengerfejre ható erővel. Ez lényegében a motortömb fő igénybevétele, melyet leghatásosabban megfelelő erősségű húzócsavarokkal lehet felvenni.

Nem meglepő tehát, hogy a blokk méretezésére a hengerben fellépő égési csúcsnyomás az irányadó paraméter. Ma már messze nem ez az egyetlen kezdeti feltétel egy forgattyúház megépítésénél, a korábbiakhoz képes lényegesen kisebb tömegű és kevesebb felhasznált anyagot igénylő tömböket is képesek előállítani, viszont ma is törekedni kell az egyenletes feszültségeloszlásra és az egyenesvonalú erővonal-vezetésre, ami nem minden esetben teljesíthető maradéktalanul.

A másik terhelési forrás a forgattyús hajtómű által keltett periodikus erők és nyomatékok. Tükörszimmetrikus többhengeres motor esetén csak belső nyomatékok keletkeznek, melyek hatására a meghajló forgattyústengely legjobban a középső főcsapnál tér ki. Mivel a tengely játéka a csapágyban nem teszi lehetővé a teljes deformációt, a ház is alakváltozásra kényszerül.

Ebből következtethetünk arra, hogy a motortömb egyik legfontosabb jellemzője a merevség, amely szükséges ahhoz, hogy a mozgó alkatrészek ágyazása biztonságos legyen, és a külső falak rezgése által keltett zaj se lépje túl a korábban tervezett vagy előírt értéket.

Ha továbbhaladunk a fenti gondolat mentén, szintén lényeges, hogy egy motorcsalád fejlesztése során a hengerszám növelésével a forgattyúház merevsége is növekedjen. Például egy soros 6 hengeres motort ha 10 hengeresre növelünk úgy, hogy azonos mértékű deformációt engedünk meg, az 4,63-szor merevebb motortömböt követel. A túl hosszú forgattyústengely okozta vibrációk mellett ez a másik magyarázata annak, hogy miért nem alkalmaznak a gyakorlatban 6-nál nagyobb hengerszámmal soros motorokat.

Külön figyelmet érdemelnek a fekvő helyzetű (boxer, 180°-os V) motorok, ugyanis a járművek pályától eredő gyorsulásai lényegesen nagyobbak, mint a keresztirányúak, így ezek a motortömbök ebből az irányból is megerősítettek. A meredekebb szögben álló V-motorok konstrukciós okokból keresztirányban szélesebbek, ezért összességében önerőből is merevnek számítanak.

Az elmúlt évtizedekben jelentős előrelépést sikerült elérni a motortömbök tervezésében az ún. végelesem-módszer alkalmazásával. Ennek segítségével ugyanis már nem szükséges prototípus építése a deformációk és a feszültségek meghatározásához. A módszer lényege röviden annyi, hogy a térbeli kiterjedési forgattyúházat olyan nagyságú elemekre (angol terminológiában node-okra) osztják fel, melyeken belül a feszültségállapotok egyenletesnek feltételezhetők. Az egész testre nézve, ismerve a terhelési állapotot, a terhelés bevezetésének helyét vagy helyeit, a térbeli szerkezet várható deformációját és ezzel együtt a feszültségi állapotát számítógépes szimuláció segítségével lehetséges megállapítani.

Tömeg, anyagok, további terhelések

A megfelelő szilárdság mellett több szempontból is indokolt, hogy a forgattyúház a lehető legkönnyebb legyen, mely egyrészt anyagválasztási kérdés, másrészt pedig törekvést is jelent a lehető legkedvezőbb fajlagos anyagfelhasználásra. Ez alól részben kivételt képeznek azok az Otto-motorok, melyekben csak minden második forgattyúközt ágyaznak, így a tömböt terhelő nyomaték viszonylag nagy.

A motor méretének növelése esetén az anyag kihasználásának hatékonyságát javíthatjuk, amennyiben kisebb falvastagságot alkalmazunk. Ezt persze nem lehet a végtelenségig csökkenteni. Egy általános cső hajlítómerevsége a falvastagságától függ. Azonos igénybevétel mellett a szükséges falvastagság és az anyagmennyiség annál kisebb, minél nagyobb a külső átmérő.

A gyakorlatban öntéstechnológiai okokból csak kivételes esetekben képesek 5-6 milliméternél kisebb falvastagságot elérni. Kivételt képeznek ez alól a könnyűfém öntvények, melyekkel már évtizedek óta sikerült átlépni ezt az értéket.

Az eltérő anyagok hőtágulásából keletkező feszültség mellett a forgattyúházat külső erőhatások is érik. A nyomaték reakciója, valamint a kiegyenlítetlen szabad tömegerők a motortámaszokat terhelik, mégpedig úgy, hogy a nyomatékreakció a motort igyekszik forgásiránnyal ellentétesen megbillenteni.

Szintén megemlítendő a motorokat érő dinamikus hatás. Ezért a motorágyazás, valamint a motortámasznak az öntvény oldalához való erősítésének méretezésekor rugalmasan felfüggesztett motoregység tömegközéppontjára ható gyorsulásokat is számításba kell venni.