ΖΥΓΟΣΤΑΘΜΙΣΗ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ

Τι εστί ζυγοστάθμιση?

Με τον όρο "ζυγοστάθμιση" περιγράφουμε την ταύτιση του κέντρου βάρους ενός σώματος με ένα επιθυμητό σημείο. Το "επιθυμητό" εξαρτάται από το είδος και το σχήμα του αντικειμένου, όπως θα δούμε στην πορεία. Το αποτέλεσμα του επιθυμητού, ωστόσο, είναι κοινό σε κάθε περίπτωση: η μείωση ή ακόμη και εξάλειψη "περιττών" ταλαντώσεων.

Στην περίπτωση ενός εμβολοφόρου μοτέρ, εμείς εισπράττουμε τις ταλαντώσεις υπό τη μορφή κραδασμών που μεταφέρονται στο πλαίσιο, αφού αποσβεστούν (όσο γίνεται) από τις βάσεις κινητήρα. Προφανώς σε μοτοσικλέτες, καρτ, μονοθέσια, σκάφη, τρακτέρ και χωματουργικά μηχανήματα δεν υφίστανται ελαστικές βάσεις κινητήρα, οπότε ο όποιος κραδασμός μεταφέρεται αυτούσιος τόσο στο πλαίσιο (με καταστροφικά, ενίοτε, αποτελέσματα), όσο και στον ίδιο τον οδηγό, πολλές φορές απευθείας σε νευραλγικά σημεία του σώματος (και δεν αναφερόμαστε μόνο στο μαλακό υπογάστριο...).

Ισορροπίες και ταλαντώσεις

Σιγά-σιγά όμως: για αρχή ας θυμηθούμε τι είναι οι ταλαντώσεις. Με βάση την απλή Φυσική λυκείου, την οποία θα παραθέσουμε περιφραστικά αλλά και με συντομία, η ταλάντωση είναι η κίνηση ενός σώματος εκατέρωθεν ενός σταθερού σημείου αναφοράς ή μιας θέσης ισορροπίας -συγκρατήστε τη λέξη "ισορροπία", για τη συνέχεια... Κάθε ταλάντωση προκαλείται από μια δύναμη, και στην περίπτωση περιστρεφόμενων σωμάτων, από την κεντρομόλο δύναμη: τη δύναμη που αναγκάζει το σώμα να περιστρέφεται γύρω από έναν άξονα.
Αν αφήσουμε ένα σώμα να περιστραφεί μόνο του στον αέρα, η κεντρομόλος δύναμη θα ισορροπήσει το σώμα, αναγκάζοντάς το να περιστρέφεται γύρω από το κέντρο βάρους του. Αν όμως θέσουμε εμείς έναν σταθερό άξονα περιστροφής και αυτός δεν συμπίπτει με το κέντρο βάρους, τότε η κεντρομόλος δύναμη θα πάψει να ασκείται ισόρροπα πάνω στον άξονα με αποτέλεσμα να τον τραβάει προς τη μεριά του σώματος που συγκεντρώνει το περισσότερο βάρος.
Το μέγεθος αυτής της δύναμης εξαρτάται από το πόσο βάρος "περισσεύει" από τη μια μεριά του άξονα και το πόσο γρήγορα κινείται -κι αφού μιλάμε για κυκλική κίνηση, η γραμμική ταχύτητα κίνησης του παραπανίσιου βάρους (ακόμα καλύτερα, της παραπανίσιας μάζας) περιγράφεται από τη συχνότητα περιστροφής του σώματος (rpm) και την απόστασή του από τον άξονα περιστροφής, δηλαδή την ακτίνα.

Οταν η κεντρομόλος έχει κέφια

Ας έρθουμε σε ένα χειροπιαστό παράδειγμα: έστω ότι έχουμε ένα απόλυτα ζυγοσταθμισμένο δίσκο διαμέτρου 200mm (δηλαδή ακτίνας 100mm) και του προσθέτουμε επίτηδες διάφορα βάρη στην περιφέρεια, προκειμένου να δούμε πόση "αζυγοστάθμιστη" κεντρομόλος δύναμη θα ασκηθεί στον άξονα που περιστρέφει το δίσκο. Στον πίνακα που ακολουθεί βλέπουμε, αρκετά στρογγυλοποιημένη και χωρίς πολλά δεκαδικά, τη δύναμη που θα ασκηθεί στον άξονα για διάφορες τιμές της αζυγοστάθμιστης μάζας και διάφορους ρυθμούς περιστροφής.

ΠΙΝΑΚΑΣ 1: ΚΕΝΤΡΟΜΟΛΟΣ ΔΥΝΑΜΗ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙ ΡΥΘΜΟΥ ΠΕΡΙΣΤΡΟΦΗΣ
RPM / GRAMS 2000 4000 8000 16000

1 0.5 kg 1.8 kg 7.3 kg 29.1 kg

2 0.9 kg 3.6 kg 14.5 kg 58.1 kg

5 2.3 kg 9.1 kg 36.3 kg 145.3 kg

10 4.5 kg 18.2 kg 72.6 kg 290.6 kg

15 6.8 kg 27.2 kg 109.0 kg 435.8 kg

20 9.1 kg 36.3 kg 145.3 kg 581.1 kg


Οπως βλέπουμε στον πίνακα, δυο γραμμάρια αζυγοστάθμιστης μάζας, σε ακτίνα 100mm από τον άξονα περιστροφής, αρκούν για να "τραβήξουν" το στρόφαλο με δύναμη σχεδόν 15kg στις 8.000rpm -δηλαδή όσο ζυγίζει κατά μέσο όρο ο ίδιος ο στρόφαλος ενός τυπικού τετρακύλινδρου μοτέρ 1,6lt... Πόσο είναι δυο γραμμάρια?

Κάτι λιγότερο από μισή κόλλα χαρτί εκτυπωτή διάστασης Α4... Καλό, ε? Αν συνυπολογίσουμε ότι στα περισσότερα μοτέρ παραγωγής το αποδεκτό "κατώφλι" ζυγοστάθμισης του στροφάλου είναι από 3 έως 5 γραμμάρια, χωρίς μπιελοπίστονα, βολάν, συμπλέκτη και τροχαλίες (η προσθήκη των οποίων επιφέρει τον κακό χαμό...), και ότι η ακτίνα της αζυγοστάθμιστης μάζας ενίοτε φτάνει τα 150mm (ιδίως με την προσθήκη του βολάν και του συμπλέκτη), είναι πολύ εύκολο να φανταστούμε τις τεράστιες δυνάμεις που αναπτύσσονται στο εσωτερικό του μοτέρ, λόγω κακής ζυγοστάθμισης.

Τι κρατάει το στρόφαλο στη θέση του?

Ολες αυτές οι δυνάμεις ξεσπούν πάνω στα κουζινέτα βάσης του στροφάλου και το αποτέλεσμα είναι σαν να βουτάς μια βαριοπούλα και να σφυροκοπάς τα κουζινέτα 8.000 φορές το λεπτό! Προφανώς, όλα αυτά τα παραπανίσια φορτία λόγω κακής ζυγοστάθμισης προκαλούν τριβές, δηλαδή απώλεια ισχύος, αύξηση τοπικών θερμοκρασιών και, φυσικά, φθορές.
Ακόμα χειρότερα, η άσκηση αυτών των φορτίων προκαλεί ελαστικές παραμορφώσεις του σώματος που τα παραλαμβάνει, και ένας κακοζυγοσταθμισμένος στρόφαλος φτάνει να συμπεριφέρεται σαν μια τεράστια χορδή κιθάρας. Τι παθαίνουν οι χορδές άμα γεράσουν ή παραζοριστούν?

Ο,τι θα πάθει και ο στρόφαλός μας, αν τον παραπιέσουμε χωρίς να είναι ζυγοσταθμισμένος, κυριολεκτικά, στην τρίχα: θα κοπεί σαν αγγούρι. Βέβαια, για καλή ή κακή μας τύχη, τα κουζινέτα είθισται να ενδίδουν αρκετά πριν ο στρόφαλος πάθει κόπωση μετάλλου λόγω υπερβολικών ταλαντώσεων. Το πρώτο σύμπτωμα κακής ζυγοστάθμισης είναι η υπερβολική φθορά των κουζινέτων βάσης, λόγω των υπέρμετρων τριβών που αναπτύσσονται στα σημεία όπου ξεσπά το φαινόμενο.

Η ζυγοστάθμιση στροφάλων

Το ζυγοσταθμιστικό μηχάνημα εκτελεί δυο βασικές λειτουργίες: τον εντοπισμό της παραπανίσιας μάζας στο υπό ζυγοστάθμιση εξάρτημα και τον προσδιορισμό του μεγέθους της. Τα πιο "πολυτελή" μηχανήματα διαθέτουν και ενσωματωμένες μηχανουργικές ευκολίες για την επί τόπου διόρθωση της ζυγοστάθμισης, χωρίς την αφαίρεση του στροφάλου από το μηχάνημα.

Πώς διορθώνουμε τη ζυγοστάθμιση? Οι μέθοδοι είναι απλές: αφού εντοπίσουμε την κατεύθυνση προς την οποία παρεκκλίνει το κέντρο βάρους, σε σχέση με τον άξονα περιστροφής, είτε αφαιρούμε βάρος από σημεία που ταυτίζονται με την παρεκκλίνουσα κατεύθυνση, είτε προσθέτουμε βάρος διαμετρικά αντίθετα από την "παραπανίσια" μάζα.

Μια εκτεταμένη εφαρμογή της πρώτης μεθόδου θα δούμε στη συνέχεια του άρθρου, ενώ για να μη μας φάει η βιαστική ανάγνωση, θα πούμε ότι ένα σύνηθες παράδειγμα της δεύτερης μεθόδου είναι η προσθήκη αντίβαρων, όπως κάνουμε στις ζάντες μας προκειμένου να μη μεταδίδονται ταλαντώσεις στην ανάρτηση και στο σύστημα διεύθυνσης του οχήματός μας.

Sunnen for the Win

Στο επίκεντρο του ενδιαφέροντός μας βρίσκεται η ζυγοστάθμιση Sunnen DCB-2000, το τελευταίο μοντέλο της Αμερικανικής εταιρείας που φημίζεται για τα κορυφαία μηχανήματα ρεκτιφιέ που κατασκευάζει, και από την οποία προέρχονται οι περισσότερες εργαλειομηχανές του μηχανουργείου της Drakos Engineering. Η DCB-2000 είναι μια ψηφιακή μηχανή (δηλαδή με ψηφιακούς αισθητήρες και όργανα ελέγχου), ελεγχόμενη από PC.

Το ειδικό Software της ζυγοστάθμισης τρέχει σε περιβάλλον Windows XP και είναι υπεύθυνο για όλες τις λειτουργίες και τους χειρισμούς: από την οδήγηση του ηλεκτροκινητήρα που περιστρέφει το στρόφαλο και την αποκωδικοποίηση των σημάτων από τους διάφορους αισθητήρες, μέχρι τον υπολογισμό της θέσης και ποσότητας μάζας που πρέπει να αφαιρεθεί ή να προστεθεί για να αποκατασταθεί η ζυγοστάθμιση.

Ο Γιώργος Δράκος είναι ο Master χειριστής του μηχανήματος, εκπαιδεύτηκε από την ίδια τη Sunnen στη θεωρία και την πράξη της ζυγοστάθμισης κινητήρων υψηλών επιδόσεων, και φυσικά μετέφερε την τεχνογνωσία στους υπόλοιπους επίλεκτους χειριστές του μηχανουργείου της Drakos Engineering.

Το πρώτο βήμα

Είναι το σετάρισμα του στροφάλου στη ζυγοστάθμιση. Οπως και σε παλιότερα αντίστοιχα άρθρα, έτσι και τώρα η Drakos Engineering μας διέθεσε ένα κορυφαίο και πανάκριβο εξάρτημα για τις ανάγκες της φωτογράφισης: έναν ολοκαίνουριο Billet στρόφαλο για κινητήρα Nissan RB26, προερχόμενο από διάσημο οίκο του εξωτερικού και προοριζόμενο για το μοτέρ του... Ooops! Ακρως απόρρητον! Rules are rules, ειδικά στο συγκεκριμένο μηχανουργείο!

Ο στρόφαλος, λοιπόν, κάθεται πάνω στα ειδικά έδρανα της ζυγοστάθμισης, στηριζόμενος στα δυο ακραία κομβία βάσης. Τα έδρανα έχουν ειδικούς τριβείς (V-blocks) από Teflon, το οποίο χαρακτηρίζεται για τις μηδαμινές τριβές του κι επομένως δεν προκαλεί την παραμικρή ζημιά στις τριβόμενες επιφάνειες του στροφάλου. Στο μεσαίο έδρανο βάσης περνιέται ένας επίπεδος ιμάντας, ο οποίος θα μεταδώσει την κίνηση από τον ηλεκτροκινητήρα της ζυγοστάθμισης.

Αρχικά ο στρόφαλος περιστρέφεται με το χέρι προκειμένου να ελεγχθεί η σωστή έδρασή του, αλλά και ότι είναι ίσιος -δεν έχει νόημα να ζυγοσταθμίζεις έναν στραβό στρόφαλο. Ακολούθως τοποθετείται στη μύτη του στροφάλου ένα ειδικό "κόπλερ" που θα μεταδώσει την περιστροφική κίνηση του άξονα στον αισθητήρα γωνίας στροφάλου της ζυγοστάθμισης, κάτι αντίστοιχο με το "μάτι στροφάλου" που διαθέτει η ECU του κινητήρα μας για να μετράει τη θέση και την ταχύτητα περιστροφής του στροφάλου.

Εξυπακούεται ότι το κόπλερ κεντράρεται με ευλάβεια στη μύτη του στροφάλου, προκειμένου να μην επηρεάζει τη ζυγοστάθμισή του, ενώ τόσο το ίδιο όσο και τα εξαρτήματα που κινεί είναι, με τη σειρά τους, τέλεια ζυγοσταθμισμένα.
Το τελικό στάδιο της προετοιμασίας είναι η εισαγωγή των χαρακτηριστικών μεγεθών του στροφάλου (διαστάσεις κομβίων, κιθάρων, αριθμός εδράνων, τύπος κινητήρα -λ.χ. τετρακύλινδρος σε σειρά, V6 κ.λπ.) και ο ορισμός του "Ανω Νεκρού Σημείου", δηλαδή του σημείου αναφοράς για τη θέση του στροφάλου, με βάση το οποίο η ζυγοστάθμιση θα μας υποδείξει τη γωνία (θέση) της αζυγοστάθμιστης μάζας.

Οι πρώτες μετρήσεις

Αφού κάνουμε έναν τελικό έλεγχο, είμαστε έτοιμοι να ξεκινήσουμε τη ζυγοστάθμιση. Κλείνουμε τα προστατευτικά καλύμματα (κανείς δεν θέλει να δει ένα στρόφαλο να περνάει πάνω από το κεφάλι του, σε περίπτωση που κάτι πάει πολύ, μα πάρα πολύ στραβά...) και η ζυγοστάθμιση κάνει μια πρώτη δοκιμαστική περιστροφή του στροφάλου, το λεγόμενο ramping. Σε αυτό το στάδιο "ψάχνει" μήπως υπάρχουν τυχόν υπερβολικές ταλαντώσεις που θα μπορούσαν να στείλουν το στρόφαλο εκτός μηχανής ή να προκαλέσουν ζημιές στους πολύ ευαίσθητους αισθητήρες φορτίου (load cells) που βρίσκονται στις βάσεις των V-Blocks και είναι υπεύθυνοι για τη μέτρηση των ταλαντώσεων του στροφάλου.

Εφόσον ο στρόφαλος δεν είναι τελείως ανισόρροπος, το μηχάνημα αρχίζει να ανεβάζει rpm, περνώντας στη φάση της μέτρησης. Ανάλογα με τις διαστάσεις και το βάρος του στροφάλου, η ταχύτητα περιστροφής μπορεί να ξεπεράσει και τις 1.500rpm (τυπική τιμή για έναν μεσαίου μεγέθους τετρακύλινδρο στρόφαλο), ταχύτητα αρκετή για να αποκαλυφθούν αποκλίσεις της τάξης του 0,01gr!

Και οι πρώτες ενδείξεις

Μετά την πρώτη μέτρηση, η ζυγοστάθμιση μας παρουσιάζει τα αποτελέσματα: πόσο βάρος "περισσεύει" σε κάθε σημείο του στροφάλου, προκειμένου να έρθει στο "μηδέν". Το αν θα αφαιρέσουμε ή θα προσθέσουμε μέταλλο εξαρτάται από το πόση μάζα μας "περισσεύει" και κατά πόσο ο στρόφαλος έχει "ψαχνό" για να επέμβουμε, αφαιρώντας υλικό. Στην συντριπτική πλειοψηφία των μοτέρ, ο στρόφαλος ζυγοσταθμίζεται αφαιρώντας υλικό από την περιφέρεια των κιθάρων, χρησιμοποιώντας τρυπάνι.

Εάν δεν έχουμε πρόσφορο έδαφος για τρύπημα, η πολύ πιο περίπλοκη (και δαπανηρή) λύση είναι η προσθήκη υλικού. Οι κιθάρες τρυπιούνται και οι τρύπες γεμίζονται με ειδικά ενθέματα βαρέως μετάλλου, που πρεσάρεται μέσα στις τρύπες και, κατά περίπτωση, συγκολλείται πάνω στο στρόφαλο. Το μέταλλο που χρησιμοποιείται σ' αυτές τις περιπτώσεις είναι ένα ειδικό κράμα Τουνγκστενίου γνωστό και ως "Mallory Metal", με ειδικό βάρος σχεδόν 50% μεγαλύτερο από του Μολύβδου.

Τα heavy metal inserts χρησιμοποιούνται κυρίως σε στροφάλους με πολύ λεπτές κιθάρες, ή όταν μετατρέπουμε έναν κινητήρα εξωτερικής ζυγοστάθμισης σε εσωτερικής ζυγοστάθμισης (λεπτομέρειες στο Part II).

Πίσω στην πραγματικότητα, ο στρόφαλός μας θα ζυγοσταθμιστεί με αφαίρεση υλικού. Το DCB-2000 διαθέτει ενσωματωμένο κάθετο δράπανο, ειδικό γι' αυτή τη δουλειά. Το Software ελέγχου της ζυγοστάθμισης περιλαμβάνει το utility Drill Calculator, το οποίο μας λέει ακριβώς πόσο πρέπει να τρυπήσουμε σε κάθε σημείο, προκειμένου να αφαιρέσουμε την κατάλληλη μάζα μετάλλου. Ο χειριστής εισάγει τα στοιχεία του τρυπανιού (διάμετρος, γωνία κ.λπ.) και το Software εξάγει το βάθος διάτρησης με ακρίβεια 0,001mm. Το Digital Readout του δράπανου απεικονίζει με την ίδια ακρίβεια το βάθος στο οποίο έχει εισχωρήσει το τρυπάνι, και έτσι ο χειριστής επεμβαίνει στο στρόφαλο κυριολεκτικά με χειρουργικούς χειρισμούς!

Μετά τα πρώτα τρυπήματα, ο στρόφαλος καθαρίζεται και ξαναμετριέται, αναζητώντας ολοένα και μεγαλύτερη ακρίβεια. Σε μοτέρ που στροφάρουν μέχρι τις 8.000rpm, μια ακρίβεια της τάξης του 1 γραμμαρίου θεωρείται πολύ ικανοποιητική. Εντούτοις η Drakos Engineering θέτει τον πήχη αρκετά ψηλότερα, ζυγοσταθμίζοντας με όριο τα 0,6-0,75 γραμμάρια, ενώ σε ακόμα πιο ταχύστροφα μοτέρ δαπανάται πολύς επιπλέον χρόνος και κόπος προκειμένου η ζυγοστάθμιση να πέσει κάτω από το μισό γραμμάριο!
Μόνο το στρόφαλο?

Ο στρόφαλος γυρίζει πάντα με παρέα, η οποία συνήθως του χαλάει κατά πολύ τη ζυγοστάθμιση και προκαλεί μύρια όσα προβλήματα. Η παρέα αυτή είναι η τροχαλία ή το damper, μαζί με τις σφήνες και τις βίδες ή το παξιμάδι τους, και το βολάν μαζί με το πλατό. Επιπλέον, κρίσιμος παράγοντας είναι τα μπιελοπίστονα, που ασκούν τεράστια φορτία στο στρόφαλο (αφενός λόγω αδρανειακών δυνάμεων και αφετέρου λόγω των πιέσεων της καύσης) και είναι υπεύθυνα για το μεγαλύτερο μέρος των ελαστικών παραμορφώσεων στις οποίες υπόκειται ο στρόφαλος. Σημείο κλειδί είναι η εξισορρόπηση των μαζών στα παλινδρομούντα μέρη, δηλαδή το να έχουν όλα τα μπιελοπίστονα το ίδιο ακριβώς βάρος και, επιπλέον, όλες οι μπιέλες να είναι ίδιες σε βάρος τόσο στο κάτω μέρος τους (κουζινέτα) όσο και στο άνω (πείρος).

Ο λόγος είναι προφανής: το κάτω μέρος της μπιέλας εκτός από παλινδρομική εκτελεί και περιστροφική κίνηση, που σημαίνει ότι η μάζα αυτή λογίζεται ως μέρος της μάζας του υπό ζυγοστάθμιση στροφάλου. Ολα τα παραπάνω αποτελούν μια ξεχωριστή μεγάλη συζήτηση, και βασικό λόγο που το άρθρο μας θα συνεχιστεί τον επόμενο μήνα, με πολλές ενδιαφέρουσες τεχνικές, λεπτομέρειες και "μυστικά" -μην τη χάσετε!

Εκατέρωθεν ακρίβεια

Είναι παραπάνω από προφανές ότι η "τέλεια ζυγοστάθμιση" απαιτεί αφενός μεν υψηλής ακρίβειας μηχανήματα, αφετέρου δε πολύ επιμελή ζυγοσταθμιστή, ενώ από ένα σημείο και μετά, η εμπειρία και η τεχνογνωσία είναι εκείνες που θα κάνουν τη διαφορά. Κοινός παρονομαστής ο χρόνος, και έτσι εξηγείται πολύ απλά γιατί τα μοτέρ μαζικής παραγωγής έχουν αρκετά "χαλαρές" ανοχές ως προς τη ζυγοστάθμισή τους και γιατί, πρακτικά, δεν υπάρχει μοτέρ που να μην μπορεί να τελειοποιηθεί ως προς τη ζυγοστάθμιση.

Ως προς την απόδοση και την αξιοπιστία, δε, το πράγμα μιλάει από μόνο του: λιγότερες ταλαντώσεις σημαίνουν λιγότερες τριβές, άρα λιγότερες παρασιτικές απώλειες ισχύος και περισσότερη δύναμη στον στρόφαλο. Λιγότερες τριβές και λιγότερες ταλαντώσεις σημαίνουν, φυσικά, και μεγαλύτερη αξιοπιστία. Απόδοση και αξιοπιστία, ο απώτερος σκοπός του ουσιαστικού blueprinting: ενός αντικειμένου που η Drakos Engineering όχι μόνο αγαπά και κατέχει καλά, αλλά και πάνω στο οποίο στηρίζει στρατηγικές επενδύσεις δεκάδων χιλιάδων ευρώ!



ΠΗΓΗ http://www.powermag.gr/articleDetails.php?id=132