20. yüzyılın başlarında, tasarım ilerlemeleri tüm hızıyla devam ederken, 10 litre kapasiteli bir motor ya tek silindirli ya da örneğin düz sekizli olabilirdi. O zamanlar, 23 litrelik düz altılı motor ya da bir uçaktan alınan ve bir arabaya monte edilen yedi silindirli radyal motor kimseyi gerçekten şaşırtmamıştı…
Ancak, üretim kapasitesinin, ciroların ve üretim maliyetini düşürmek için verilen amansız mücadelenin büyümesi her şeyi olması gereken yere koydu. En basit tek silindirli motor, otomobil üreticileri için uzak geçmişte kaldı. Geleneksel bir otomobil motorunun ortalama silindir kapasitesi artık üç yüz ila altı yüz santimetre küp arasındadır. Litre başına performans – normal emişli bir dizel için 35 hp/l’den yüksek güçlü bir benzinli doğal emişli motor için 100 hp/l’ye. Bu, seri üretilen motorlar için optimumdur ve bunun ötesine geçmek kesinlikle kârsızdır.
Günümüzde 100 beygir gücündeki motorların çoğu dört silindirli, 200 beygir gücündeki motorların dört, beş veya altı silindirli, 300 beygir gücündeki motorların ise sekiz silindirli olduğunu görüyoruz… Peki bu silindirler nasıl düzenlenebilir? Başka bir deyişle, üreticiler çok silindirli bir motoru hangi şemaya göre üretebilirler?
Basitlik, kompaktlıktan daha kötüdür
Tasarımcının aklındaki en önemli konu nedir? İlk olarak, motorun tasarımının daha ucuza üretilebilecek ve bakımı daha kolay olacak şekilde nasıl basitleştirileceği sorusu. Düz motor en basit olanıdır. Gerekli kapasiteyi elde etmek için, tasarımcıların gerekli sayıda silindiri bir sıra halinde düzenlemeleri gerekir.
İki ve üç silindirli motorlar otomobillerde sıklıkla bulunmaz, ancak iki silindirli motor trendi ivme kazanıyor. Bu, gelişmiş karıştırma sistemleri ve turboşarj kullanımıyla kolaylaştırılır (örneğin, Fiat 500 hatchback’in 85 beygir gücündeki iki silindirli turbo versiyonunda olduğu gibi). Ancak düz dörtlü motor, binek otomobillerin en büyük kapasite aralığına düştü – 1 ila 2,4 litre.
Beş silindirli düz motorlar nispeten yakın zamanda – 70’lerin ortalarında – üretim otomobillerinde ortaya çıktı. İlki, dizel beş silindirli motorlarıyla Mercedes-Benz’di – 1974’te (W123 şasili 300D modelinde) ortaya çıktılar. İki yıl sonra, Audi beş silindirli iki litrelik benzinli motor üretildi. Ve 80’lerin sonlarında, bu tür motorlar Volvo ve FIAT tarafından üretildi.
Yakın zamana kadar Avrupa’da çok popüler olan sıralı altı motorlar, göz açıp kapayıncaya kadar nesli tükenmekte olan bir tür haline geldi. Ve sıralı sekiz motor söz konusu bile değil – üreticiler 30’larda pratik olarak ona veda ettiler. Neden?
Cevap basit. Motor, silindir sayısı arttıkça uzuyor ve bu da düzenlemede çok fazla rahatsızlığa neden oluyor. Örneğin, birkaç durumda önden çekişli bir arabanın motor bölmesine sıralı altı motoru sıkıştırmak mümkündü – sadece 60’ların ortalarındaki İngiliz Austin Maxi 2200 (o zamanlar tasarımcılar şanzımanı motorun altına gizlemek zorundaydı) ve süper kompakt şanzımanlı Volvo S80 akla geliyor.
Düz bir motor nasıl kısaltılabilir? Onu ikiye “kesebilir”, iki yarısını yan yana koyabilir ve tek bir krank mili için çalıştırabiliriz. Silindirlerin V harfi şeklinde düzenlendiği bu tür motorlar, düz olanlardan iki kat daha kısadır – en yaygın olanları 60° ve 90° dahil açılı motorlardır. Ve silindirlerin birbirine zıt olarak düzenlendiği 180° dahil açılı bir V motoruna düz motor (veya boksör – B2, B4, B6, vb. adlandırmaları bu kelimeden gelir) denir.
Bu tür motorlar düz olanlardan daha karmaşıktır – örneğin, iki silindir kapağına (her birinin kendi contası ve manifoldu vardır), daha fazla eksantrik miline ve daha karmaşık bir tahrik konfigürasyonuna sahiptirler. Ve düz motorlar genişlikte de çok yer kaplar. Bu nedenle, yerleşim nedenleriyle oldukça nadir kullanılırlar – boksör motor üreticileri parmakla sayılabilir.
Ve bir V motorunu nasıl daha da kompakt hale getirebiliriz? İlk bakışta basit çözümlerden biri, bloğun dahil açısını 60°’den daha az olarak ayarlamak. Gerçekten de, bu tür motorlar bulundu, ancak nadiren – örneğin, 70’lerin V4 motorlu Lancia Fulvia’sını hatırlayabilirsiniz, bloğunun dahil açısı 23° idi. Neden her üretici bunu kullanmadı? Gerçek şu ki, bir motor tasarımcısı her zaman başka bir sorunla karşı karşıyadır – titreşim.
Kuvvet ve tork
Genel olarak, pistonlu içten yanmalı bir motor titreşimler olmadan çalışamaz – bu onun tasarımıdır. Ancak bunlarla mücadele etmek ve sadece yolcuların konforunu iyileştirmek için değil gereklidir. Güçlü dengesiz titreşimler, motor parçalarının tahrip olmasına neden olabilir – tüm sonuçlarla birlikte dışarı fırlayıp düşebilir…
Titreşimler neden oluşur? İlk olarak, bazı motor konfigürasyonlarında silindirlerdeki flaşlar eşit olmayan bir şekilde meydana gelir. Tasarımcılar mümkünse bu tür şemalardan kaçınır veya volanı daha büyük hale getirmeye çalışır – bu, tork dalgalanmalarını yumuşatmaya yardımcı olur. İkinci olarak, pistonlar yukarı ve aşağı hareket ettiğinde hızlanır ve sonra yavaşlar, bu da atalet kuvvetlerinin oluşmasına neden olur – fren yaparken bir arabanın yolcularının eğilmesine veya hızlanma sırasında onları koltuk arkalıklarına itmesine benzer. Üçüncüsü, motordaki bağlantı çubuğu yukarı ve aşağı hareket etmez, ancak karmaşık bir hareket gerçekleştirir. Ve pistonun üst ölü noktadan alt ölü noktaya doğru ileri geri hareketi de basit bir sinüzoid olarak tanımlanamaz.
Bu nedenle, krank milinin dönüş hızının iki, üç veya dört katına çıktığı bileşenler atalet kuvvetleri arasında yer alır… Bu sözde yüksek mertebeden atalet kuvvetleri genellikle ihmal edilir – ana atalet kuvvetiyle (ki ona birinci mertebeden atanmıştır) karşılaştırıldığında çok küçüktürler. Bunun istisnası, hesaba katılması gereken ikinci mertebeden atalet kuvvetleridir. Ayrıca, belirli bir mesafede uygulanan kuvvet çiftleri torklar oluşturur – bu, komşu silindirlerdeki atalet kuvvetlerinin farklı yönlere sahip olması durumunda olur.
Kuvvetleri ve torkları dengelemek için ne yapılabilir? İlk olarak, silindirlerin ve krank kasnaklarının kuvvetlerin ve torkların birbirini karşılıklı olarak dengeleyeceği şekilde düzenlendiği bir motor konfigürasyonu seçebilirsiniz – her zaman eşit olacak ve zıt yönlere sahip olacaklardır.
Peki ya dengeli şemaların hiçbiri uygun değilse – örneğin, düzen nedenleriyle? Daha sonra, bir tasarımcı krank mili pimlerini farklı şekilde konumlandırmayı deneyebilir ve dengelenen ana kuvvetlere eşit büyüklükte ancak zıt yönde kuvvetler ve torklar oluşturan her türlü karşı dengeyi uygulayabilir. Bazen bu, motorun krank miline karşı ağırlıklar yerleştirilerek yapılabilir. Ve bazen – denge karşı dönüş milleri olarak adlandırılan ek millerde. Bunlara krank milinden farklı bir yönde döndükleri için bu ad verilir. Ancak bu, motoru karmaşıklaştırır ve maliyetini artırır.
Yaygın olanlar arasında kesinlikle dengeli olan sadece iki tip motor vardır – düz altı ve düz altı. Şimdi BMW ve Porsche’nin bu tür motorlara neden bu kadar sıkı tutunduğunu anlıyorsunuz. Ve başkalarının bunları neden reddettiğine daha önce değinmiştik. Şimdi diğer konfigürasyonlara daha yakından bakalım.
Dengeli ve pek de dengeli olmayan motorlar
İki silindirli motorlar arasında, günümüzde otomobillerde yalnızca bir tanesi kullanılıyor – krank milinin tek bir yöne sahip olduğu iki silindirli düz bir motor (örneğin, böyle bir motor Rus Oka’ya takılmıştı). Gördüğünüz gibi, bu motor denge açısından tek silindirli bir motora benziyor, çünkü her iki piston da aynı anda, fazda yukarı ve aşağı hareket ediyor. Birinci dereceden serbest atalet kuvvetlerini dengelemek için, Oka motorunda krank milinin solunda ve sağında karşı ağırlıklı iki şaft kullanıldı. Peki ya ikinci dereceden kuvvetler? Bunlarla başa çıkmak için, üreticilerin iki denge şaftı daha eklemesi gerekecekti; bu da başlangıçta küçük ve ucuz otomobiller için tasarlanmış iki silindirli bir motorda tamamen uygunsuz olurdu.
Ancak bu hiçbir şey değil — çok sayıda iki silindirli motor, hiç denge şaftı olmadan üretildi. Örneğin, bunlar küçük 1957 Fiat 500’e takıldı. Evet, titreşimler vardı, üretici bunları güç ünitesinin süspansiyonuyla azaltmaya çalıştı… Ancak motorun basit ve ucuz olduğu ortaya çıktı! İki silindirli motorların ucuzluğu bugün geliştiricileri cezbediyor: Bu şemanın gezegendeki en uygun fiyatlı otomobil olan Hint Tata Nano hatchback’in yaratıcıları tarafından kullanılması boşuna değil.
Günümüzde, krankları farklı yönlere (180° açıyla) sahip iki silindirli bir motor yalnızca motosikletlerde bulunabilir. Daha dengelidir, çünkü içindeki pistonlar her zaman antifazda hareket eder. Ancak, silindirlerdeki flaşların düzgün bir şekilde değişmesi yalnızca iki zamanlı motorlarda elde edilebilir — bu tür motorlar savaş öncesi DKW’lere ve doğrudan mirasçıları olan plastik GDR Trabant’lara takıldı. Basitlik ve ucuzluk nedeniyle, üzerlerinde denge milleri de yoktu ve sürücüler ortaya çıkan titreşimlere katlanmak zorundaydı.
İki silindirli V motorlu tek araba hatırlanıyor – Rus NAMI-1. Ve bu tür motor bugüne kadar sadece motosikletlerde hayatta kaldı – Amerikan Harley Davidson’ı ve tüm krom ihtişamıyla V-iki motorlarıyla Japon takipçilerini hatırlayın. Böyle bir motor, krank milindeki karşı ağırlıkların yardımıyla neredeyse tamamen dengelenebilir, ancak flaşların tekdüze bir değişimini elde etmek imkansızdır. Motosikletçilerin titreşimlere fazla dikkat etmemesi iyi bir şey…
Üç silindirli bir motor, düz dörtlü bir motordan daha kötü dengelenmiştir ve bu nedenle üç silindirli motor üreticileri, örneğin Subaru ve Daihatsu, bunları dengeleyici millerle donatmaya çalışırlar. O zamanlar, Opel motor tasarımcıları dengeleyici mili terk etmeye karar verdiler ve maliyeti ve mekanik kayıpları azaltmak için ikinci nesil Corsa için Ecotec ailesinden üç silindirli bir motor geliştirdiler. Ve üç silindirli Corsa, 1996’daki çıkışından sonra Alman otomotiv gazetecileri tarafından eleştirildi: “Değişken modlarda şehirde dolaşmak kesinlikle imkansızdır.”
İkinci dereceden atalet kuvveti, motor tasarımcıları arasında en popüler motor olan düz dörtlüde serbest kalır. Sadece iki kat hızda dönen bir dengeleyici mil ile dengelenebilir. (Unuttunuz mu – ikinci dereceden atalet kuvveti iki kat frekansla etki eder?) Ve dengeleyici milden gelen torku telafi etmek için, ters yönde dönen başka bir tane koymanız gerekecektir. Pahalı mı? Kesinlikle. Ancak dengeleyici millere sahip motorlar Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat ve çeşitli Volkswagen markalarında bulunabilir.
Bu arada, düz dörtlü bir motor düz bir motordan daha iyi dengelenmiştir – yalnızca motoru dikey eksen etrafında döndürme eğiliminde olan ikinci dereceden atalet kuvvetlerinden gelen bir tork vardır. Ancak, hem efsanevi Beetle’ın hava soğutmalı düz motoru hem de Subaru’nun ünlü boksör motorları dengeleyici miller olmadan yaptı ve yapıyor.
Düz beşliler dengeyle pek iyi başa çıkamıyor. Atalet kuvvetleri telafi ediliyor, ancak bu kuvvetlerden gelen tork… Motorun çalışması sırasında, bükülme torku dalgası sürekli olarak bloktan “geçer”, bu nedenle blok çok sert olmalıdır. Ancak, hem Mercedes-Benz, Audi hem de Volvo, güç ünitesinin süspansiyonunu değiştirerek veya özel dengeleyiciler (Audi TT RS’deki süperşarjlı beşli 2.5 TFSI gibi) kullanarak titreşimlerle mücadele ediyor. Ve yalnızca Fiat motor tasarımcıları, tüm torkları tamamen dengeleyen bir dengeleyici mil kullandı.
Bu arada, beş silindirli motorların hemen hemen hepsi, dört silindirli bir motora bir silindir daha eklenerek oluşturulur – bir inşaat oyuncağındaki tuğlalar gibi. Bu, minimum üretim ve tasarım maliyetiyle daha güçlü motorlar elde etmek için yapılır. Aynı zamanda, pistonlar, bağlantı çubukları, valfler vb. dahil olmak üzere tüm doldurma dört silindirli motordan alınabilir. Farklı bir bloğa ve silindir kapağına ve tabii ki krankları 72° açıyla düzenlenmesi gereken bir krank miline ihtiyacınız olacak.
Denge açısından bir rüya olan altı silindirli motorlardan daha önce bahsetmiştik. Ancak sıralı altılıları yerinden eden V6 motorlarda, denge durumu üç silindirli motordakiyle aynıdır, yani o kadar iyi değildir. Bu nedenle, örneğin, ilk Mercedes-Benz V6 motoru, bir V şeklinde bir dengeleyici şaftla donatılmıştı – silindir başına üç valfe sahip hak edilmiş M112. PSA şirketinin üç litrelik altı silindirli motorunda blok kafalarından birinde bir şaft vardı. Mühendisler o zamanın diğer motorlarında bir tasarımı karmaşıklaştırmamaya çalıştılar ve güç ünitesinin iyileştirilmiş süspansiyonu ve krank pimlerinin ustaca ofset düzenlemesi (örneğin Audi V6’da olduğu gibi) nedeniyle titreşim seviyesini en aza indirmeye çalıştılar.
Burada bir açıklama daha ekleyelim — 90° iç açılı V6 motorlarda, silindirlerde flaşların düzgün bir şekilde değişmesi sağlanmaz. Strokun ortaya çıkan düzgünsüzlüğü ağırlıklı bir volanla telafi edilebilir, ancak yalnızca kısmen. İşte sizin için bir başka titreşim kaynağı…
90° iç açılı V8 motorlar ve krankları iki karşılıklı dik düzlemde bulunan bir krank mili çok iyi dengelenmiştir. Bu tür bir motorda flaşların düzgün bir şekilde değişmesini sağlamak mümkündür, bu aynı zamanda düzgün çalışma için de çalışır. İki tork dengesiz kalır ve bu, krank milindeki iki karşı ağırlık yardımıyla tamamen sakinleştirilebilir – uç silindir ağları üzerinde. Amerikalıların V motorları hakkında diğerlerinden önce neden harika bir şey hissettiğini anlıyor musunuz? Arabalarında titreşim ve sarsıntıdan gerçekten hoşlanmazlar…
Son olarak, alışılmadık şemalardan bahsedebiliriz. İlk olarak, V4 motorlarını hatırlayalım. Bunlardan birkaçı vardı – 60’ların Avrupa Ford modeli (Ford Taunus, Capri ve Saab 96’ya takılmıştı) ve Zaporozhets’in bir “mucize motoru”. Burada birinci dereceden atalet kuvvetlerinden gelen tork için bir dengeleme şaftı söz konusuydu. Ancak, yukarıda belirtilen arabaların tasarımcıları bu şemayı iyi bir denge için değil, kompaktlık ve kısmen maliyet tasarrufu temelinde seçtiler.
Peki ya V-ten motorlar? Bu tür motorların denge derecesi R5 motorlarınınkiyle tamamen aynıdır. Ancak, V10 motorların takıldığı eski Formula 1 motorlarının veya Dodge Viper ve Dodge RAM canavarlarının tasarımcıları, öncelikli olarak titreşimleri düşünmediler.
Eh, diğer şemalar kolayca öncekilere indirgenebilir. Örneğin, düz sekiz (uygulama örneği Porsche 917 yarış arabalarıdır) bir krank mili için çalışan iki dört silindirli motordur. Ve V şeklinde ve düz on iki silindirli motorlar iki sıralı altı motora indirgenebilir.
VR6, VR5, W12
Biliyorsunuz, bloğun küçük bir dahil açısına sahip V şeklinde motorlardan bahsetmiştik — Lancia’larda olduğu gibi. Daha önce, bu tür şemalardan kaçınılırdı — bunları dengelemek, 60° veya 90° dahil açısına sahip motorlardan daha zordur ve kompaktlıktaki kazanç o zamanlar çok fazla değer görmezdi…
Ancak şimdi durum değişti. İlk olarak, titreşimleri önemli ölçüde azaltan güç ünitesinin hidrolik montajları yaygın olarak kullanılıyor. İkincisi, kaputun altındaki alan artık ağırlığınca altına değer. Sonuçta, daha önce 2,8 litrelik bir motora sahip mütevazı bir hatchback’i kim hayal edebilirdi ki? Ve şimdi – işte burada! Her şey üçüncü nesil Volkswagen Golf VR6 ile başladı.
Ünlü Volkswagen VR6 motoru, “V şeklinde düz” bir motor (VR tanımı bunu söylüyor), bloğun küçük bir dahil açısına sahip V şeklinde motorların daha da geliştirilmiş hali haline geldi. Bu motorun silindirleri, Lancia’lardakinden daha da küçük bir açıyla ayrılıyor — sadece 15°. Açı o kadar küçüktür ki böyle bir motora “ofset-düz” de denir. Dahiyane bir çözüm — 2.8 altı, geleneksel bir V6 motordan daha kompakttır ve hatta bir blok kafasına sahiptir!
Sonra VR5 motoru ortaya çıktı — bu, bir silindirinin “kesildiği” VR6’dır. Bundan sonra, Volkswagen şirketinin motor tasarımcıları çılgına dönmüş gibi görünüyordu.
1998’de W12 Roadster konsept otomobilinde ilk kez tanıtılan W12 süper kompakt motorunu geliştirdiler. Bunlar, bir krank miline 72° açıyla yerleştirilmiş iki VR6 motorudur. Ancak ondan önce, Passat sedan’ın en üst modeline takılan W8 motoru üretime girdi. Ayrıca, iki silindirinin “kesildiği” ve bir krank milinde bir blok halinde birleştirilen iki VR6 motoru da vardır. Wolfsburg’a vardıklarında, on sekiz silindirli bir motor da düşündüler — ancak sonunda, Bugatti Veyron’u 431 km/s hıza çıkaran dört turboşarjlı W16’da durdular.
Daha önce neden böyle motorlar yoktu? Örneğin, W12 motorunun krank miline bir göz atın — bir teknoloji uzmanı en kötü kabuslarında bile böyle bir şeyi hayal edemez! Bir bilgisayar, yeni şemaların yaratıcılarına yardımcı olmalıdır. Bloğun dahil edilen açısı, krank pimlerinin konumu, silindirlerdeki flaşların sırası için tüm seçenekleri hesaplamak ve en dengeli olanı seçmek için hesaplama gücünün yardımı olmadan yapmak çok zordur.
Teori ve pratik
Gördüğünüz gibi, tasarımcılar bir güç ünitesi şeması seçerken denge derecesini hiç ön plana koymuyorlar. Önemli olan, motor bölmesine en iyi ağırlık, boyut ve güç oranına sahip bir motoru başarıyla yerleştirmektir. Sonra, motorlar artık giderek daha fazla modüler bir ilkeye göre inşa ediliyor. Basitçe söylemek gerekirse, herhangi bir motor tek bir piston grubu üzerine inşa edilebilir – hem üç silindirli hem de W12. Volkswagen’den sonra, giderek daha fazla üretici modüler tasarımlara geçiyor. Mercedes’in en son motor serisi bunun mükemmel bir örneğidir.
Ve titreşimler… Öncelikle, motorun teorik ve gerçek dengesi arasında ayrım yapmak gerekir. Volanla birleştirilmiş krank mili dengelenmemişse ve biyel kollarına sahip pistonlar ağırlık olarak belirgin şekilde farklıysa, düz altılı bile sallanacaktır. Sonuçta, gerçek denge her zaman teorik olandan çok daha kötüdür – parçaların nominal boyutlardan sapması ve yük altında ünitelerin deformasyonu nedeniyle. Bu nedenle titreşimler herhangi bir şema ile motordan dışarıya “çıkmaktadır”. Bu nedenle, otomotiv mühendisleri güç ünitesinin süspansiyonuna bu kadar dikkat etmektedir. Aslında, motor desteklerinin tasarımı ve konumu, motorun kendisinin denge derecesinden daha az önemli bir faktör değildir…
Bu bir çeviridir. Orijinalini buradan okuyabilirsiniz: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html
Yayımlandı October 28, 2021 • 18m to read
