Vervorming van Cilinders
Statische en Dynamische vervorming van cilinders
Zelfs met de beste voorbereiding zal de cilinder onder dynamische belasting (hitte en druk) in meer of mindere mate vervormen. Het is belangrijk om te begrijpen hoe deze vervorming ontstaat en de bewerking daar op aan te passen zodat deze vervorming tot een minimum beperkt kan blijven.
Naarmate de leeftijd van het motorblok vordert, veranderd de moleculaire structuur van het materiaal. Dit heeft invloed op de geometrie.
Hiernaast treden er ook vervormingen op bij het monteren van de cilinderkoppen doordat de kopbouten/studs vaak dicht bij de boring staan en op spanning worden aangehaald. Soms is de vervorming minimaal maar het kan ook voorkomen dat de vervorming zodanig is dat zelfs de zuigerveren niet meer goed afsluiten en er, naast exessieve wrijvingswarmte, vermogensverlies optreedt.
Dit kan nog verergert worden door vervorming door de bouten van het bellhouse, de waterpomp, motorsteunen etc..
Gelukkig hebben de meeste straat applicaties hier niet overmatig last van, maar bij een race motor, waarbij elke vermogenswinst belangrijk is, is het een factor die niet over het hoofd gezien mag worden.
Clamp Load
De mate van vervorming is vaak direct gerelateerd aan de klemkracht van de cilinderkop op het blok. Deze klemkracht is nodig om de cilinderkop op zijn plaast te houden en daarbij nog voldoende klemmen zodat de pakking kan blijven functioneren. Een overmatige klemkracht resulteert alleen in extra vervorming. Met andere woorden: Zet de kopbouten/studs vast met het voorgeschreven aanhaalmoment en niet anders. Het doel is om over het hele oppervlak een gelijkmatige klemkracht te hebben.
Interessant om op te merken is dat de klemkracht bij cilinders aan de buitenzijde altijd te groot is. Dit komt doordat de bouten/studs niet gedeeld hoeven te worden met de "volgende" cilinder (omdat die er niet is).
Het is daarom aan te bevelen om aan de buitenzijde van het blok bouten/studs te gebruiken met een kleinere diameter.
Honen
Tijdens het honen moet gebruik gemaakt worden van torqueplates. Dit zijn dikke stalen platen die op het blok worden gemonteerd en de vervorming door de cilinderkop simuleren. Dit garandeerd een rond boring na eindmontage.
Hierbij moet opgemerkt worden dat het aanhaalmoment het beste gemeten kan worden door de verlenging van de bout te meten voor- en na montage. De standaard manier, Torque en/of Torque-hoek is onvoldoende en kan tussen 25-30% varieren.
Hoeveel klemkracht is genoeg?
De minimale klemkracht moet groter zijn dan de lift-off force en de gewenste sealing force. Een vuistregel is dat de klemkracht drie keer zo groot moet zijn als de lift-off force. Normaliter vertaald zich dit in een sealing stress van rond de 7,500psi en een lift-off force van 1,400psi.
Voorbeeld:
Sealing stress 7,500psi
Peak pressure 1,400psi
Boring 80mm(3,150")
Een boring van 3.150" geeft 7.793"2 (pi/4D2)
Lift-off force: 7.793 x 1,400 = 10,910lbs
Klemkracht is 3 x 10,910 = 32,730lbs(4,200psi)
Voor vier M8" bouten rondom de boring geldt dan:
M8 = 0.078"2 1/0.078 x (4,200/4) = 13,461psi
M8 ARP 8740 bout (0.078 x 180,000 = 14,040psi)
Welke koppakking moet ik gebruiken?
De mate waarin een koppakking "inzakt" wordt voor het grootste gedeelte bepaald door het materiaal waar de koppakking van gemaakt is. Zo zakt een conventionele (organische) pakking, met brandring, zo'n 10-25% in, en een MLS pakking minder dan 10% waardoor een stabiele klemkracht gegarandeerd kan worden.
Thermische effecten
Om te zorgen dat een boring zo rond, en recht mogelijk blijft, is de controle over "warmte" essentieel. Het is gemakkelijk voor te stellen dat een blok dat koud gehoond is zal vervormen onder invloed van thermische veranderingen tijdens het draaien. Er zijn argumenten die het aannemelijk maken dat het beste resultaat verkregen wordt als het blok gehoond wordt in omstandigheden die een lopende motor zo dicht mogelijk benaderen. Bijvoorbeeld door het blok te honen terwijl er heet water door het blok wordt gepompt.
Omdat een torqueplate in de bovenste 1.5" het meest effectief is, kan, vanwege het:
- Ontwerp
- Gietproces
- Verschillende wanddiktes
- Materiaal
- Interne materiaal spanning
- Maatafwijkingen;
...de mate van vervorming behoorlijk varieren.
De grootste verandering is de variatie in boring diameter. Dit kan wel .0005-.001mm per milimeter boring zijn bij temperaturen varierend tussen 18C-99C. Voor de boring uit het voorbeeld (80mm) ligt dit tussen 0.04mm-0.08mm
De overige thermische vervormingen zijn niet eenvormig en omvatten alle variaties als gevolg van ongelijke wanddiktes, en het feit dat de cilinders aan boven- en onderkant vastzitten aan het blok.
Een normale cilinder zal, naarmate de temperatuur hoger wordt, een lichte barrel shape laten zien met hoge- en lage punten die per cilinder varieren.
Temperatuur is niet het enige effect dat de boring beinvloedt.
Onder normale omstandigheden functioneert het standaard koelingssysteem op een druk die tussen de 0.68-0.95 bar ligt. Hoewel dit niet erg veel is (of lijkt), geeft dit een extra vervorming in het midden van de cilinders van zo rond de 0.0127mm. Om dit effect te elimineren is het dus logisch om het blok te honen met een koelsysteem dat onder druk staat.
Verschillende factoren die tot vervormingen kunnen leiden:
OEM
- Materiaal dichtheid
- Dikte van de Core
- Maattoleranties die buiten de performance vereisten vallen
- Onvoldoende versteviging op kritieke plaatsen
- Achtergebleven gietzand, steunen en spanen
- Inefficiente, en/of onvoldoende, water- en oliekanalen
- Slechte thermische geleiding, en flow restricties
Aftermarket
- Sommige blokken zijn rechtstreekse kopieen van OEM (met dezelfde gebreken)
- De meeste blokken zijn veel beter (superieur) dan OEM