TUNE-IT: ΚΕΦΑΛΑΙΟ 28

Κάποιοι σοφοί το έχουν ψάξει –άκρη έβγαλαν?

Πριν μερικές …χιλιάδες χρόνια, το 2002 (τόσα δε φαίνονται?) η σεβαστή κοινότητα SAE (Society of Automotive Engineers) πραγματοποίησε ένα συνέδριο με θέμα τα συστήματα μετάδοσης, όπου βέβαια έγινε σοβαρή και λεπτομερέστατη συζήτηση της σχετικής τεχνολογίας, συμπεριλαμβάνοντας το πρόβλημα των απωλειών και πιθανούς τρόπους ελαχιστοποίησης τους. Δεν ξέρω τι θα μπορούσατε να περιμένετε/ελπίζετε, αλλά οι παγκοσμίου κύρους μηχανικοί δεν ασχολήθηκαν με συγκεκριμένα νούμερα για να απαντηθούν εύκολα τα ερωτήματα μας. Ένα από τα συμπεράσματα ήταν ότι κάθε τύπος οχήματος έχει συγκεκριμένες απώλειες μετάδοσης κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες που οφείλονται στο κιβώτιο ταχυτήτων και τα υπόλοιπα στοιχεία, όπως κεντρικοί άξονες, διαφορικά, μπιλιοφόρους/σταυρούς και ελαστικά. Μέρος της παραγόμενης ισχύος «χάνεται» σε αδράνεια, διάφορες μορφές αντίστασης (ιξώδες λιπαντικών), άντληση και τριβή, αεροδυναμική αντίσταση περιστροφής εξαρτημάτων… και με άλλα λόγια, η απώλειες είναι διαφορετικές για κάθε σύνολο μοτέρ/σασμάν/διαφορικού/τροχών, ακόμα και σε ίδια μοντέλα ενός κατασκευαστή που προσφέρει διαφορετικού κυβισμού μοτέρ και άλλο τύπο ελαστικών πχ – καλά κρασιά δηλαδή- για να μη πάμε σε μπροστοκούνες vs πισωκούνες… 

Βλέπουμε δηλαδή καθαρά ότι δεν υπάρχει κάποιο συγκεκριμένο ποσοστό ή κάποιος κανόνας που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε για να υπολογίσουμε τις απώλειες σε οποιοδήποτε αυτοκίνητο. Μπορούμε φυσικά πολύ εύκολα να κατανοήσουμε γιατί ένα 4κίνητο Evo έχει μεγάλες απώλειες: διότι η μετάδοση του είναι «φορτωμένη» με 3 διαφορικά, εμπρός-πίσω ημιαξόνια, κεντρικό άξονα και ανθεκτικό για τη μεγάλη ροπή σασμάν. Σίγουρα οι απώλειες ενός τέτοιου συνόλου είναι πολύ μεγαλύτερες από αυτές ενός ταπεινού Hyundai Getz, με το μικρό σασμάν/διαφορικό και τα ανάλογα ημιαξόνια! Εκεί όμως που τα χαλάμε είναι στο πόση είναι η διαφορά μεταξύ των δυο? Σαν να μη φτάνει αυτό, να είστε και βέβαιοι ότι αν πάμε δύο καινούργια και ακριβώς ίδια αυτοκίνητα στο ίδιο δυναμόμετρο, στην καλύτερη περίπτωση θα έχουν 1,5-2% διαφορά μεταξύ τους -και δεν φταίει το δυναμόμετρο!

Ποιες είναι οι απώλειες?

Προχωρώντας στην ανάλυση των απωλειών, βρίσκουμε ότι υπάρχουν δύο είδη, οι σταθερές (ή σχεδόν σταθερές…) και οι δυναμικές απώλειες. Οι σταθερές μπορούν να μετρηθούν όταν το εργαλείο κινείται με σταθερή ταχύτητα σε οριζόντιο δρόμο ή με σταθερές στροφές στο δυναμόμετρο. Σ’ αυτή την περίπτωση δεν υπάρχουν γωνιακές επιταχύνσεις εξαρτημάτων διότι δεν απαιτείται πρόσθετη ροπή για επιτάχυνση της περιστρεφόμενης μάζας και τότε στο σύνολο της μετάδοσης, οι σταθερές απώλειες είναι η τριβή/ολίσθηση του συμπλέκτη, απώλειες από τσιμούχες/ρουλεμάν, τριβή/ιξώδες λαδιού/βαλβολίνης σασμάν/διαφορικού, απώλειες γωνιακής μετάδοσης διαφορικού, απώλειες μπιλιοφόρων και ρουλεμάν τροχών (θερμότητα/τριβή) και τριβή/παραμόρφωση/θέρμανση ελαστικών.

Δυναμικές απώλειες έχουμε κατά την επιτάχυνση και οφείλονται στην αδράνεια των πάσης φύσεως περιστρεφόμενων εξαρτημάτων. Οι απώλειες προέρχονται από την αδράνεια των γραναζιών σασμάν/διαφορικού και όλων των εξαρτημάτων των οποίων μεταβάλλεται η γωνιακή ταχύτητα. Κατά δε την επιτάχυνση, αυξάνεται λόγω μεγαλύτερου φορτίου η τριβή μεταξύ πολλών εξαρτημάτων και η αύξηση αυτή φέρνει μαζί της και αύξηση της θερμοκρασίας. Είναι σημαντική η αντίληψη της διαφοράς μεταξύ σταθερών και δυναμικών απωλειών, διότι η μέτρηση ισχύος στην αυτοκινητοβιομηχανία γίνεται σε σταθερές συνθήκες οι οποίες και προδιαγράφονται για τις μετρήσεις SAE net. Δηλαδή, τα άλογα που διαφημίζονται για το εργαλείο σας, δεν περιλαμβάνουν τις δυναμικές απώλειες. Όταν όμως εσείς το ανεβάζετε στα καρούλια για να το μετρήσετε τι κάνετε? Επιταχύνετε με τέρμα γκάζι τα καρούλια… Επομένως, οι δυναμικές απώλειες είναι ήδη αναπόσπαστο μέρος του παιχνιδιού! Αφού λοιπόν πάρετε με το καλό τη μέτρηση κατ’ αυτό τον τρόπο, έτσι για την περιέργεια κάντε και μία άλλη δοκιμή αν το δυναμόμετρο έχει φρένο. Φορτώστε το κανονικά και μετρήστε τα άλογα σε σταθερές στροφές για να συγκρίνετε τα δυο αποτελέσματα –και αν βρείτε το ίδιο, ελάτε να μας το πείτε!

Οι κύρια πηγή απωλειών είναι το διαφορικό, με δεύτερη το σασμάν. Όταν όμως η δυναμομέτρηση γίνεται με λόγο 1:1 (4η συνήθως σχέση, ιδίως σε μοντέλα παλιότερων δεκαετιών) έχουμε και τη μικρότερη απώλεια από το σασμάν που παίζει μέχρι 2%. Οι απώλειες του διαφορικού είναι αρκετά μεγαλύτερες, ιδιαίτερα σε πισωκούνες και 4κούνες, όπου η διαδρομή της ροπής «στρίβει» κατά 90⁰ από το μπές/βγές για να φθάσει στα ημιαξόνια. Τα κλασσικά διαφορικά με την ελικοειδή οδόντωση, παρουσιάζουν σημαντικές απώλειες της τάξης του 6-10%, ενώ οι απώλειες από κεντρικούς άξονες και ημιαξόνια φθάνουν περίπου το 1% των συνολικών απωλειών –για 4 ημιαξόνια διπλασιάζεται βέβαια και η απώλεια. Μάλιστα στα διαφορικά, το ποσοστό απώλειας εξαρτάται και από τη σχετική θέση που έχει το πηνίο στην κορώνα! Όσο πιο πολύ απέχει από το κέντρο, τόσο μεγαλύτερη είναι και η απώλεια λόγω διαφορετικής (αναγκαστικής) σχεδίασης της οδόντωσης, αλλά με το πηνίο πιο μακριά από το κέντρο, το διαφορικό μπορεί να μεταδώσει μεγαλύτερη ροπή… Στα μπροστοκίνητα, η διαδρομή της ροπής προς τους τροχούς είναι πιο άμεση και έτσι περιορίζονται οι απώλειες ακόμα και στο 50% σε σχέση με ένα πισωκίνητο.

Σε κάθε τύπο μετάδοσης με γρανάζια παράγεται θερμότητα από την τριβή που συνεισφέρει σημαντικά στη συνολική απώλεια. Αυτό ισχύει και στη σταθερή κίνηση βέβαια αλλά αυξάνεται σε μεγάλο βαθμό κατά την επιτάχυνση. Τα γρανάζια τείνουν να απεμπλακούν λόγω της ώσης που γεννά η ελίκωση καθώς αυξάνεται η γωνιακή επιτάχυνση/φορτίο. Η παραγόμενη λοιπόν θερμότητα από τη δυναμική αυτή τριβή απορροφάται από το λιπαντικό και το κέλυφος του σασμάν/διαφορικού και τελικά αποδίδεται στο περιβάλλον από αυτά ή από κάποιο ψυγείο, αν υπάρχει. Η θερμότητα αυτή είναι καθαρή μετατροπή της ροπής του μοτέρ σε θερμική ενέργεια, διότι (όπως πρέπει να ξέρουμε) η ισχύς δεν «χάνεται» αλλά αλλάζει μορφή, με ζητούμενο κατά προτίμηση την κίνηση προς τα εμπρός και το σπινάρισμα!     

Λοιπόν, ύστερα από αυτά, φαίνεται καθαρά ότι όταν αναβαθμίζετε το μοτέρ σας, αυξάνουν η δυνάμεις και οι επιταχύνσεις που εφαρμόζονται στα γρανάζια οπότε δημιουργείται μεγαλύτερη τριβή που αυξάνει τη θερμοκρασία των εξαρτημάτων. Επειδή όμως η σταθερή αλλά και η δυναμική τριβή μεταβάλλονται με τις στροφές, το φορτίο και την αποδοτικότητα του συνόλου μοτέρ/μετάδοσης (πόσο καλά περιορίζονται οι τριβές και η μετατροπή τους σε θερμότητα δηλαδή) δεν υπάρχει ένα κάποιο ποσοστό που μπορούμε να κολλήσουμε στις απώλειες. Και καταλαβαίνουμε από αυτά ότι, δυστυχώς, δεν είναι δυνατόν να χρησιμοποιήσουμε τις ίδιες απώλειες για ένα εργαλείο νορμάλ, με ένα ίδιο που το έχουμε όμως ανεβάσει 25 άλογα πάνω –με πανομοιότυπο σασμάν κλπ. Μπορεί στο δυναμόμετρο την ώρα που αφήνει ο χειριστής το γκάζι και αποσυμπλέκει να δείξει τις ίδιες απώλειες, αλλά στο φόρτωμα είναι τελείως διαφορετικό το πράγμα και ακόμα χειρότερα, η διαφορά δεν είναι γραμμική!

Τέλος πάντων, επειδή ψοφάτε για νούμερα, το μόνο σίγουρο είναι ότι οι απώλειες κυμαίνονται κυρίως από 5-12% -με χαμηλότερες τις μπροστοκούνες- και σε καμία περίπτωση περισσότερο από 16% ακόμα και σε δυνατά 4κούνητα. Δεν υπάρχουν άλλες πιο «ακριβείς» και τεκμηριωμένες πληροφορίες… από εκεί και πέρα, μπαίνετε στο Internet και συγκρίνετε ότι βρείτε με τον δικό σας καημό! Έχει όμως και άλλο δράκο το παραμύθι… Σύμφωνα με τις προδιαγραφές ISO –που όλοι ακολουθούν- οι κατασκευαστές έχουν μια επιτρεπόμενη ανοχή ±5% στην απόδοση των κινητήρων παραγωγής από τα διαφημιζόμενα στοιχεία. Μέσα σ’ αυτό το όριο κάνουν ότι θέλουν. Υπάρχουν μερικοί σοβαροί Οστρογότθοι που θεωρούν υποχρέωση τους να είναι στο +5% και άλλοι …Λατίνοι εραστές που αρκούνται στην άλλη άκρη, τι να κάνουμε? Οπότε, δεν μπορείτε καν να μετρήσετε ένα καραμαμά ματρακά και να περιμένετε κάποιο γνωστό νούμερο –ξέρω, σας τη χάλασα πάλι!   

Είναι σωστά τα άλογα και πόσο?

Άντε και πήγαμε στο δυναμόμετρο και πήραμε και το χαρτί μας. Πόσο κοντά στην αλήθεια είναι ο λογαριασμός? Αν το ξαναβάλουμε να το μετρήσουμε, θα ξαναβγάλει τα ίδια? Εδώ μπαίνουν δυο καινούργιες έννοιες για προβληματισμό, η επαναληψιμότητα και η ακρίβεια. Συνυπάρχουν πάντα οι έννοιες αυτές σε οποιαδήποτε μέτρηση –όχι μόνο στο δυναμόμετρο. Τις περισσότερες φορές αναφέρεται μόνο η μια, αλλά και η διαφορά μεταξύ τους δεν είναι και πολύ γνωστή. Πολλοί υποστηρίζουν ότι δεν έχει σημασία η ακρίβεια, αλλά η επαναληψιμότητα. Δηλαδή, δεν πειράζει να βγει λάθος, αρκεί να βγαίνει το ίδιο λάθος κάθε φορά. Πώς εξηγείται αυτό? Ας πούμε ότι κάνετε σκοποβολή και ρίχνετε 6 φορές σε κάποιο στόχο. Αν οι 6 βολές μαζευτούν κοντά μεταξύ τους (μικρή διασπορά) και στην αριστερή πλευρά, η επαναληψιμότητα είναι καλή, όχι όμως και η ακρίβεια. 3

Ας ξαναρίξουμε άλλες δυο 6αδες στο στόχο. Κάθε 6αδα από μόνη της έχει καλή επαναληψιμότητα και φαίνεται ότι όλες είναι μέσα στα όρια του στόχου, αλλά…. Πόσο μεγάλος είναι ο στόχος? Υπάρχει μόνο μια δυνατή σχέση μεταξύ ακρίβειας και επαναληψιμότητας: Αν υπάρχει καλή ακρίβεια τότε σίγουρα υπάρχει και καλή επαναληψιμότητα αλλά όχι και αντίστροφα.

Όλες οι μετρήσεις είναι στο περίπου! Η πραγματική τιμή δεν είναι ποτέ γνωστή και τη μετράμε πάντα με κάποια ανοχή ±. Μεγάλη ακρίβεια = μικρή ανοχή και αντίστροφα. Για να μετράμε δηλαδή σωστά, πρέπει οι ανοχές να είναι ελάχιστες. Πρώτο βήμα για την ελαχιστοποίηση των ανοχών είναι η απευθείας (άμεση) μέτρηση, όπως μετράμε πχ το βάρος σε μια ζυγαριά. Έμμεση μέτρηση θα ήταν να βάλουμε το βάρος σε ένα υδραυλικό κύλινδρο και να μετρήσουμε την πίεση του υγρού. Το βάρος θα υπολογισθεί από το εμβαδόν του κυλίνδρου και την πίεση στο ρολόι. Εδώ όμως έχουμε πολλές ανοχές: εσωτερική τριβή κυλίνδρου, μέτρηση εμβαδού και την ακρίβεια του αισθητήρα…  

Μετρώντας κάτι άμεσα όμως, δεν μας εξασφαλίζει κατ’ ανάγκη και ακρίβεια. Μια αλυσίδα μέτρησης μπορεί να παρεμβάλλεται μεταξύ του υπό μέτρηση αντικειμένου και του αισθητήρα. Στο σχέδιο, το βάρος μετράται άμεσα, αλλά η δύναμη πρέπει να ταξιδέψει από τον μοχλό στα γρανάζια και σε άλλον ένα μοχλό πριν τη ζυγαριά. Η ιδανική λύση είναι να έχουμε το βάρος επάνω στον αισθητήρα. Αν όχι, ο κάθε κρίκος της αλυσίδας προσθαφαιρεί και τη δική του ανοχή στο σύστημα. Σε ότι αφορά τα δυναμόμετρα, η ακρίβεια απαιτεί άμεση μέτρηση της ροπής, ταχύτητας περιστροφής και τοποθέτηση αισθητήρων το πλησιέστερο δυνατό στο μοτέρ/μετάδοση.

Η επαναληψιμότητα τώρα, είναι δυο ειδών: στη μια περίπτωση συγκρίνουμε διαδοχικές μετρήσεις (με μικρή χρονική διαφορά μεταξύ τους) και στην άλλη με αρκετό χρόνο ανάμεσα τους (μήνες). Σε ότι αφορά την επαναληψιμότητα των δυναμομέτρων, αναφερόμαστε στις διαδοχικές κυρίως μετρήσεις ή αυτές που επαναλαμβάνονται ύστερα από αρκετές μέρες και αφορούν φυσικά το ίδιο αυτοκίνητο.

Υπάρχει «στάνταρ» κινητήρας για ρύθμιση δυναμομέτρου?

Προσέξτε τώρα στο σχέδιο, που είναι ένα διάγραμμα πίεσης στο έμβολο. Ο σπινθήρας «σκάει» πριν το ΑΝΣ. Η πίεση προ του ΑΝΣ «κοντράρει» το έμβολο ενώ μετά το ΑΝΣ το σπρώχνει προς τα κάτω. Πολύ κατατοπιστικό σχέδιο που δείχνει τι ακριβώς γίνεται μέσα στον κύλινδρο… Πόσο ακριβώς όμως?  Για δείτε και το επόμενο σχέδιο που δείχνει 50 ίδιους κύκλους με τελείως σταθερή ταχύτητα, γωνία αβάνς και γωνία πεταλούδας για τον ίδιο κύλινδρο! Βλέπουμε μια τεράστια ανομοιομορφία στην πίεση αλλά ακριβώς έτσι συμπεριφέρεται το μοτέρ –οποιοδήποτε μοτέρ.

Το επόμενο σχέδιο είναι ο ίδιος κύλινδρος με τέρμα γκάζι στις 2.000rpm σε 10 διαδοχικούς κύκλους. Δεν θα περιμέναμε και τίποτε διαφορετικό. Μπορούμε συνεπώς να συμπεράνουμε ότι ο ΚΕΚ δεν είναι και ότι καλύτερο για δοκιμές επαναληψιμότητας και μάλιστα όταν δίνει τέτοια κυμαινόμενα αποτελέσματα κάτω από ελεγχόμενες συνθήκες! Άρα, δεν είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί οποιοδήποτε μοτέρ σαν πρότυπο για ρύθμιση/βαθμονόμηση σε δυναμόμετρο. Η δουλειά αυτή γίνεται με βάρη ακριβείας, που προσαρμόζονται στον αισθητήρα που έχει το δυναμόμετρο (load cell) και πρέπει να δείξουν κάποια συγκεκριμένη τιμή (calibration value) στην οθόνη του χειριστή. Αλλιώς, μιλάμε για περιοδικό load cell calibration, εργασία τελείως απαραίτητη για να συνεχίσει το δυναμόμετρο να παρουσιάζει αξιόπιστα την εικόνα του αυτοκινήτου σας.  

Συνθήκες μέτρησης

Άλλος παράγοντας που επηρεάζει σημαντικά τα αποτελέσματα των μετρήσεων στο δυναμόμετρο είναι οι συνθήκες κάτω από τις οποίες γίνεται η δουλειά. Χωρίς σχετική πληροφόρηση και καταγραφή, δεν μπορεί να γίνει σύγκριση των αποτελεσμάτων με άλλα σε κάποια βάση. Οι συνθήκες είναι συνδυασμός περιβαλλοντικών και τεχνικών όπως: θερμοκρασία εισαγόμενου στον κινητήρα αέρα, ατμοσφαιρική πίεση, υψόμετρο, υγρασία, τύπος/ποιότητα και θερμοκρασία καυσίμου, θερμοκρασία νερού/λαδιού και βαλβολίνης. Είναι αδύνατο να μπορούμε να επαναλαμβάνουμε τις ίδιες συνθήκες για όλες τις μετρήσεις, έστω και για μια ολόκληρη μέρα. Για το λόγο αυτό, χρησιμοποιούμε διορθώσεις που εφαρμόζονται σαν παράγοντες στο πρόγραμμα (software) του δυναμομέτρου και διαμορφώνουν σε κάποιο ποσοστό το τελικό αποτέλεσμα. Ο γενικός μαθηματικός τύπος είναι απλά μια διόρθωση για τις βασικές περιβαλλοντικές συνθήκες. Κάθε μοτέρ είναι διαφορετικό όπως είπαμε και ανταποκρίνεται διαφορετικά στις μικροαλλαγές και γι’ αυτό, η συνολική διόρθωση δεν πρέπει με κανένα τρόπο να υπερβαίνει το 7%.  

Υπάρχει ετυμηγορία?

Αυτά λοιπόν τα …ασαφή και ομιχλώδη για τα δυναμόμετρα και τα …καραγκιοζόμετρα. Όπου θέλετε πάτε, αρκεί να αξιολογείτε ότι μετατροπές κάνετε στο ίδιο μηχάνημα, όπως είπαμε και στο προηγούμενο κεφάλαιο, αλλιώς θα χάσετε τον μπούσουλα. Από εμάς, μη περιμένετε να ακούσετε για σωστά και μουσαντένια μηχανήματα, αν και βέβαια έχουμε κάποιες υπόνοιες για το ποιά βγάζουν άλογα με ΦΠΑ… Αυτές οι κουβέντες όμως γίνονται μόνο στο κατάλληλο περιβάλλον με κοψίδια και κράσο! Έτσι Φονσέ? Κανόνισε…