Tune it Part 37: Χιτώνια

Για πάμε

Όταν περιεργαζόμαστε ένα «καλό» μοτέρ, οι περισσότεροι παρατηρούμε τα ενδιαφέροντα εξαρτήματά του, όπως είναι οι εκκεντροφόροι, η τουρμπίνα, το χταπόδι, οι πεταλούδες, οι  μπιέλες, τα πιστόνια και ο στρόφαλος, αν είναι ανοιχτός, αλλά σχεδόν ποτέ δεν δίνουμε προσοχή στα χιτώνια. Εδώ που τα λέμε, δεν έχει και κάτι σπέσιαλ να δεις, ένας στρογγυλός σωλήνας , που έχει φάει βούρτσα για να πατήσουν σωστά τα ελατήρια. Είναι, ίσως, από τα ελάχιστα μέρη του μοτέρ, που δεν έχουν αλλάξει σχήμα από την αρχή της αυτοκίνησης, αναμενόμενο βέβαια δεδομένης της πολλαπλής αποστολής του, η οποία είναι να παρέχει μια σταθερή βάση/οδηγό για την κίνηση των εμβόλων, να αντέχει τις τεράστιες πιέσεις που αναπτύσσονται κατά την καύση του μίγματος, να στεγανοποιεί τον θάλαμο καύσης από τον στροφαλοθάλαμο, αλλά και να αποβάλλει την θερμότητα της καύσης στο περιβάλλον ψυκτικό υγρό ή το μπλοκ. Παρά τις εξελίξεις σε θέματα επιμεταλλώσεων/επιχρισμάτων/εμποτισμού επιφανειών με άλλα υλικά, οι περισσότεροι κατασκευαστές κινητήρων παραγωγής ή και αγωνιστικών χρησιμοποιούν την παλιά καλή συνταγή της… γιαγιάς και βάζουν, για αρκετούς λόγους, κλασσικά χιτώνια από ειδικό μαντέμι. Η διαφοροποίηση εδώ είναι ότι στα χαμηλής παραγωγής αγωνιστικά μπλοκ, πρεσσάρεται το χιτώνιο στο κατάλληλα κατεργασμένο μπλοκ, ενώ στα μοτέρ παραγωγής, το χιτώνιο δημιουργείται στη θέση του από το χυτήριο και ακολουθεί αργότερα η μηχανική του κατεργασία. Στην ουσία, το χιτώνιο είναι μια βάση σταθεροποίησης, ολίσθησης αλλά και τριβής για το δίδυμο εμβόλου-ελατηρίων. Τα «στεγνά» χιτώνια έχουν επαφή καθ’ όλο το ύψος τους με το μέταλλο του μπλοκ – μαντέμι ή κράμα αλουμινίου - ενώ τα «υγρά» χιτώνια στηρίζονται, στο επάνω και κάτω μέρος τους, στο μπλοκ, με το μεγαλύτερο μέρος της επιφάνειάς τους να είναι εκτεθειμένο και να περιβάλλεται από το ψυκτικό υγρό. Στην περίπτωση αυτή, το χιτώνιο αποτελεί φυσικά και μέρος του υδροθαλάμου. Στα δίχρονα μοτέρ, τα χιτώνια έχουν πολλές φορές και θυρίδες για την εισαγωγή και εξαγωγή μίγματος/καυσαερίων. Πολλοί τύποι υγρών χιτωνίων βασίζονται, στο επάνω μέρος, στη στήριξη/πίεση από το καπάκι (με τη φλάντζα ανάμεσά τους), κάτι που δεν είναι τόσο καλό για την αντοχή και ακαμψία του μπλοκ –βλ. στους κινητήρες της Άλφα Ρομέο από το 1960 μέχρι σήμερα, όπως και σε κινητήρες άλλων κατασκευαστών. Όλα τα υγρά χιτώνια πρέπει να διαθέτουν στο κάτω μέρος τους αποτελεσματικό τρόπο στεγανοποίησης, ώστε να μη περνάνε τα νερά στα λάδια και το αντίθετο. Συνήθως, αρκεί ένα αρκετά λεπτό λαστιχάκι (O-ring) για να κάνει χωρίς προβλήματα τη δουλειά.

Δυνάμεις και θερμότητα. 

Για να δούμε τις δυνάμεις που εφαρμόζονται στο χιτώνιο. Στα πρεσσαριστά χιτώνια, εφαρμόζονται ακτινικές πιέσεις από το περιβάλλον τοίχωμα του μπλοκ. Κατά τη λειτουργία του μοτέρ, το χιτώνιο υφίσταται φορτία από την πίεση της καύσης, αλλά και από την εκτόνωση των ελατηρίων, κυρίως του ελατηρίου συμπίεσης, προς τα έξω. Η συνεχής προσπάθεια για κατασκευή και χρήση λεπτότερων ελατηρίων-με μικρότερη παλινδρομική μάζα- σημαίνει ψηλότερα σημειακά φορτία για το χιτώνιο, καθώς μειώνεται η επιφάνεια επαφής μεταξύ τους. Σημαντική, επίσης, είναι η υδροδυναμική αντίσταση από το λεπτό στρώμα λαδιού, που παρεμβάλλεται μεταξύ εμβόλου/χιτωνίου, με αποτέλεσμα να αποφεύγεται η - έστω και στιγμιαία – μεταξύ τους επαφή. Πέρα από αυτά, υπάρχουν τα ομολογουμένως τεράστια φορτία, που οφείλονται στη θερμική και μηχανική παραμόρφωση του μπλοκ. Για να βάζουμε και αριθμούς στο παιχνίδι, μετρήθηκε ότι ένα V8 «άνοιξε» κατά 1.5⁰, όταν ζορίστηκε στο δυναμόμετρο, δηλαδή από 90⁰  πήγε στις 91.5⁰ (αυτό κι’ αν είναι κουφό), οι δε πίσω κύλινδροι παρουσίαζαν 0.5mm οβάλ στο κάτω μέρος! Ενώ για το πρώτο πρόβλημα δεν γίνεται τίποτα, το δεύτερο διορθώθηκε με τη χρήση πρεσσαριστών χιτωνίων από ειδικό ανθεκτικό κράμα μεγάλης αντοχής. Απ’  όλα αυτά, αντιλαμβάνεται κανείς ότι ο συνδυασμός αυτών των δυνάμεων/φορτίων μπορεί εύκολα να οδηγήσει σε θραύση χιτωνίων ή σε υπερβολική παραμόρφωση των κυλίνδρων, που με τη σειρά της καταλήγει εύκολα στην απώλεια στεγανοποίησης των ελατηρίων, αλλά και  στην -με άμεσα καταστροφικά αποτελέσματα- επαφή εμβόλων/κυλίνδρων. Η άλλη σημαντική αποστολή του χιτωνίου είναι η απομάκρυνση και διοχέτευση/μεταφορά της θερμότητας της καύσης στο υπόλοιπο μπλοκ και στο ψυκτικό υγρό. Εδώ παίζει σημαντικότατο ρόλο η άριστη επαφή χιτωνίου/μπλοκ. Ακόμη και η στιγμιαία απώλειά της ελαττώνει τη μεταφορά θερμότητας. Γι’ αυτόν το λόγο, οι σχεδιαστές φροντίζουν. ώστε να είναι ακριβείς οι αντίστοιχες διαστάσεις. Πολλή εξωτερική πίεση σημαίνει μεγάλες ακτινικές πιέσεις στο χιτώνιο από τη μία, ελάχιστη πίεση δεν εξασφαλίζει τέλεια θερμο-αγωγιμότητα από την άλλη… Στον υπολογισμό των διαστάσεων λαμβάνεται φυσικά υπόψη ο συντελεστής διαστολής των επιμέρους υλικών, που πρέπει να είναι όσο το δυνατόν περισσότερο  παρεμφερής –αν όχι ίδιος! Όπως και με τις διάφορες πηγές των μηχανικών φορτίων, έτσι υπάρχουν και διάφορες πηγές θερμότητας: τριβή μεταξύ ελατηρίων/κυλίνδρου, θερμότητα από την καύση του μίγματος και ακόλουθη συμπίεση κατά την κάθοδο του εμβόλου. Αυταναφλέξεις και φτωχά μίγματα αυξάνουν τη θερμότητα, που διοχετεύεται προς το μπλοκ και το ψυκτικό.

Γιατί να επιλέξουμε χιτώνια?         

Η χρήση των χιτωνίων ξεκίνησε για λόγους επισκευής των φθαρμένων κυλίνδρων. Όταν ένα μαντεμένιο μπλοκ πάθαινε ζημιά, μεγάλωναν τη διάμετρο του κυλίνδρου στο κατάλληλο μηχάνημα (boring) και πρεσσάριζαν, στο χώρο που άνοιξε, ένα χιτώνιο, του οποίου η εσωτερική διάμετρος είναι η ζητούμενη ή -  με ρεκτιφιάρισμα - ερχόταν στην επιθυμητή ακρίβεια. Είναι κάτι που γίνεται ακόμα και σήμερα, μια στάνταρ, όπως λέμε, δουλειά για ρεκτιφιέ, μια λογικότατη επισκευή, με απείρως μικρότερο κόστος από την αντικατάσταση του μπλοκ, που, σε πάρα πολλές περιπτώσεις, μπορεί να μην είναι πλέον εφικτή, αφού πρόκειται για παμπάλαια μοτέρ. Μπορεί πολλά σύγχρονα μπλοκ να είναι από κράμα αλουμινίου, αλλά οι κύλινδροι πρέπει να αντέχουν στις καταπονήσεις που διαβάσαμε. Υπάρχει η δυνατότητα να γίνει ειδική κατεργασία του κράματος στους κυλίνδρους με τον ψεκασμό/εναπόθεση σκληρού υλικού κατάλληλου για την απαιτούμενη χρήση (Nicasil), αλλά το όφελος από την καλύτερη θερμο-αγωγιμότητα πρέπει να σταθμιστεί με τον κίνδυνο αντικατάστασης του μπλοκ, σε περίπτωση αστοχίας της επιφάνειας από κάποια ζημιά στα έμβολα, ελατήρια κλπ. Ο αποφασιστικός παράγοντας για επίχρισμα ή χιτώνιο είναι φυσικά το κόστος, η απαιτούμενη/αναμενόμενη διάρκεια ζωής και η ευκολία σχεδιασμού, ενώ και στις τρείς αυτές  κατηγορίες, τα χιτώνια κερδίζουν με ευκολία. Ειδικά για το κόστος, αναφέρω ότι το συνολικό τίμημα για ένα σετ χιτώνια μπορεί να είναι 10% της τιμής ενός καινούργιου μπλοκ και σε πολλές περιπτώσεις – ειδικά για μοτέρ επιδόσεων - δεν θέλουμε καινούργιο μπλοκ. Άλλος λόγος χρήσης χιτωνίων είναι ο υπερκυβισμός, όπου τα χρησιμοποιούμε, όταν το πάχος/αντοχή του μπλοκ δεν είναι επαρκές για την επιθυμητή μεγαλύτερη διάμετρο.

Σχεδιαστικές απαιτήσεις

Ο σχεδιασμός των χιτωνίων ξεκινά από τη μεθοδολογία στήριξής τους στο μπλοκ. Όπως άλλωστε σημειώσαμε και πιο πάνω, καίριο στοιχείο είναι ο έλεγχος διαστολής χιτωνίου και μπλοκ. Μερικοί κατασκευαστές έχουν χιτώνια με πάχος λιγότερο από 1mm, αλλά έχουν κάνει τρελή έρευνα σε ό,τι αφορά τις πιέσεις και θερμοκρασίες μέσα στον κύλινδρο! Τα υγρά χιτώνια, συνήθως, έχουν πατούρα στην κορυφή για να θηλυκώνουν στο μπλοκ, κάτι που μπορεί να γίνεται και με τα πρεσσαριστά. Στην περίπτωση αυτή, το μπλοκ έχει αντίστοιχη πατούρα  – ή αν δεν έχει, γίνεται στο ρεκτιφιέ - για να «καθίσει» το χιτώνιο σωστά. Φυσικά, οι πατούρες πρέπει να είναι ακριβώς κάθετες στον άξονα των κυλίνδρων, για να υπάρχει σωστή εφαρμογή/σύνθλιψη και λειτουργία της φλάντζας. Η εξωτερική επιφάνεια των υγρών χιτωνίων είναι επίσης αντικείμενο σχεδιαστικών αποφάσεων. Το τελικό σχέδιο πρέπει να διευκολύνει την κυκλοφορία του ψυκτικού γύρω από το χιτώνιο και προς το καπάκι. Τα χιτώνια …πολυτελείας είναι σκαμμένα με διάφορα σχέδια, που σκοπό έχουν να μεγαλώνουν την εκτεθειμένη στο ψυκτικό επιφάνεια, με αποτέλεσμα την καλύτερη απαγωγή της θερμότητας.

Επιλογή υλικών

Τις τελευταίες δεκαετίες, η μεταλλουργία έχει τελειοποιήσει αρκετά κράματα, κατάλληλα για κατασκευή χιτωνίων. Αλουμίνιο, σίδηρος, χυτοσίδηρος και τα πολλά κράματά της χρησιμοποιούνται ανάλογα με την περίσταση. Οι βασικές προϋποθέσεις είναι να έχουν καλή θερμο - αγωγιμότητα και μηχανική αντοχή. Για να συνεργάζεται καλύτερα με το μπλοκ, πρέπει μπλοκ και χιτώνιο να έχουν παρόμοιο συντελεστή διαστολής. Η διαδικασία δημιουργίας χιτωνίου από χυτοσίδηρο αρχίζει προσθέτοντας διάφορες προσμίξεις στο λιωμένο σιδηρομετάλλευμα για τη σταθεροποίησή του, που για παράδειγμα είναι: 3-3.5% άνθρακας, 0.5-0.9% μαγγάνιο και 0.12% φώσφορο, οπότε φτάνουμε σε κράμα προδιαγραφής ASTM-A48 (American Society for Testing and Materials). Το κράμα αυτό έχει αποδειχθεί φθηνό και με άριστες ιδιότητες για τη δουλειά, που το θέλουμε. Επειδή, όμως, θεωρείται κάπως εύθραυστο, η σύνθεσή του τροποποιήθηκε και βελτιώθηκε πριν αρκετές δεκαετίες με την προσθήκη περίπου 0.4% μαγνησίου και τώρα αποτελείται από 1.5-3% άνθρακα, 1-4% πυρίτιο, και 1% μαγγάνιο. Τα αποτελέσματα σε εργαστηριακές δοκιμές είναι εντυπωσιακά, με το «νέο» υλικό να έχει αντοχή 745MPa σε εφελκυσμό και σκληρότητα 277Brinell, έναντι 296MPa και 241Brinell, που ίσχυαν αντίστοιχα για το «παλιό».                                                                                                                    Τα «υγρά» χιτώνια πρέπει να έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά σε ό,τι αφορά την αντοχή τους, διότι δεν έχουν εξωτερική στήριξη στο μεγαλύτερο μέρος της επιφάνειάς τους. Καταρχάς, το πάχος τους πρέπει να είναι, κατά έναν τουλάχιστον κατασκευαστή, μεγαλύτερο το λιγότερο 3.8mm και κατά κανόνα κατασκευάζονται από πιο ανθεκτικό υλικό. Μια άλλη απαίτηση αφορά την αντοχή τους στη διάβρωση (σκουριά) από το ψυκτικό υγρό. Αν θυμάστε, η σκουριά είναι μονωτικό στρώμα και στην εφαρμογή αυτή κάνει πραγματική ζημιά. Επειδή κάθε είδους χρώμα είναι μονωτικό, η εξωτερική τους επιφάνεια δεν βάφεται ποτέ, αλλά υφίσταται κάποια μορφή παθητικοποίησης για αντιδιαβρωτική προστασία. Όσο για τα χιτώνια από κράμα αλουμινίου, υπάρχουν σε διάφορους τύπους, αλλά όλα χρειάζονται κάποια επιφανειακή κατεργασία για τη δημιουργία επιφάνειας κατάλληλης για τη λειτουργία εμβόλων/ελατηρίων. Υπάρχουν και άλλα υλικά με υψηλότερο, βέβαια, κόστος, όπως τα MMC (Metal Matrix Composites), που συνδυάζουν δύο ή περισσότερα υλικά με πολύ διαφορετικά μεταξύ τους χαρακτηριστικά. Τα καλύτερα δείγματα της σχολής είναι από αλουμίνιο και καρβίδιο του πυριτίου, που παρουσιάζουν άριστες ιδιότητες θερμο - αγωγιμότητας, μηχανικής αντοχής και μικρού βάρους. Επειδή κάπου εδώ βαρεθήκατε, το κόβω και θα σας ταλαιπωρήσω για το δεύτερο μέρος στο επόμενο…. Όοοοχι, δεν τη γλυτώσατε ακόμα! Το φροντιστήριο αυτό είναι σε δύο δόσεις! Ε, δεν μπορούμε να μιλάμε συνέχεια για άλογα και σαλίγκαρους, να βάλουμε και λίγο επιστήμη στο κρανίο, ρε παιδιά, μη μας λένε και αμόρφωτους! Αν δεν σας αρέσει………. να βάλετε ειδήσεις να ακούσετε ή κάποια εκπομπή μαγειρικής…………. Να στανιάρετε κανονικά!