Verseny dugattyúk: tökéletesítés maximális teljesítménnyel

A verseny- és a széria motorok dugattyúival szemben támasztott követelmények sok hasonlóságot mutatnak. Mindkét esetben fontos a lehető legkisebb tömeg, a jó használati érték, üzembiztos működés, megbízhatóság és a versenyképes ár. A jelentős különbség a fontossági sorrendben van, mert a versenymotoroknál és a sorozatban gyártott motoroknál nem ugyanazok a tulajdonságok a legmeghatározóbbak.

Általános feltételek

Néhány példa: egy versenymotor teljesítménye több mint 300%-al magasabb, mint egy hagyományos motoré. A versenydugattyúk hőmérséklete jelentősen magasabb, mint a széria kivitelé, viszont az elvárható élettartama jóval kevesebb. Az üzemi fordulatszám tartomány is sokkal magasabb egy versenymotornál, még annak ellenére is, hogy a Forma 1-ben maximálisan megengedett fordulatszámot lecsökkentették 20000 fordulat/perc értékről 19000 fordulat/perc értékre. A turbófeltöltő nélküli versenymotorokra ható legnagyobb nyomás robbanáskor kb. 105 bar, míg ez az érték a legjobb minőségű széria motoroknál is csak 85 bar-os értéket éri el.

A fenti példák jól mutatják, hogy a siker érdekében mennyivel komplexebb és költségesebb tervezést igényel egy optimális versenydugattyú és igazolja, hogy ennek ellenére miért sokkal kisebb az elvárható élettartam, mint egy széria dugattyúé.

A versenydugattyúk egyedi tervezése

A Mahle által sok éven keresztül gyártott kovácsolt dugattyúk az úgynevezett „box-in-box” kialakítással készültek. Az erős mégis vékonyfalú bordázat és hosszirányú elhelyezés lehetővé tette az extrém alacsony fejmagasság-átmérő arányt és ezzel együtt a dugattyútető falvastagságának minimalizálását. A megfelelő megmunkálásnak és a 3D marási eljárásnak köszönhetően lehetővé vált az anyagmennyiség csökkentése. Hagyományos kovácsolási és nyújtási eljárással ilyen mértékű csökkenést más nem lehetett megvalósítani. Ezeknek az eljárásoknak köszönhetően rendkívül alacsony (215-240g) súlyt sikerült elérni a Forma-1-es dugattyúk gyártása során. A széria kivitelű dugattyúihoz képest azonos átmérő esetén ez az érték több mint 40%-os csökkenést jelent.

Annak ellenére, hogy az alacsony fejmagasságú dugattyúkat csak két db gyűrűvel szerelik, mégis alkalmasak a versenyfeltételek teljesítésére. Az alkalmazott gyűrűk nagyon vékonyak, rendkívül speciális kialakításúak és minimális érintő irányú feszültséggel rendelkeznek, hogy csökkentsék a súrlódást még nagyobb fordulatszám esetén is.

Figyelembe véve azt a tényt, hogy a gázátfújások csökkentik az elérhető motorerő teljesítményét, a Mahle tervezői minden erőfeszítésük a dugattyúgyűrű rendszerek optimalizálására fordítják, viszont az olajfogyasztást sem hagyhatják figyelmen kívül. Ezért alacsony feszítésű, szimpla vagy többrészes, speciális profilú olajlehúzó gyűrűket alkalmaznak.

A dugattyúk hűtése egy másik nagyon fontos feladat a magas hőtermelés csökkentése érdekében. A dugattyúnak „fáradtság” nélkül kell bírniuk a terhelést a megadott időtartam alatt, amely nem más, mint a Forma 1-ben kb. 8 óra és egy hosszútávú-verseny alkalmazás során több mint 50 óra. A Mahle ezért különös figyelmet fordít erre a problémára is. A tesztpadjaikon és a partnereikkel történő együttműködésük során szerzett tapasztalatok alapján folyamatosan keresik az optimális arányt a kívánt dugattyúhűtés, a megfelelő olajáramlás, a súrlódási vesztesség minimalizálása között, az eredményes versenyzés érdekében.

A megfelelő alkalmazhatóság mellett elérhető maximális súlycsökkentés érdekében folytatott fejlesztőmunka során a dugattyúcsapszeg és a csapszegfurat geometriája is rendkívül fontos szempont. Mivel a robbanás erejét a dugattyútető közvetíti a csapszegfuratnál, a dugattyúcsapszegen át, a hajtókarokon keresztül egészen a főtengelyig, ezért a csapszegfuratban elhelyezett csapágy kialakítása is kiemelt figyelmet érdemel. Többek közt például a megfelelő kenés, amelynek el kell érnie a legtávolabbi pontot is, ami jelen esetben a hajtókar végén található csapszegpersely. A csapszegek gyártása során felhasznált gyémántszerű karbon bevonat (DLC) alkalmazásával csökkenthető a felület bemaródási folyamata és ezáltal kedvezőbb súrlódási tulajdonságokat lehet elérni. A csapszeg tényleges alakjának és a megfelelő csapszegfurat kialakításának tervezése számítógép segítségével történik: a megfelelő merevség és az ezzel együtt elérhető legkisebb tömeget úgy érik el, hogy a hengeres külső felülethez egy speciális belső kialakítást párosítanak.

Modern számítási és szimulációs eljárás

A 3D FE analízis egy alapvető eljárás a motorsportban használt dugattyúk fejlesztése során. Ahogy a dugattyúk termomechanikai terhelés vizsgálata, a hőtérképes elemző programok, a szilárdság vizsgálat és a viszonylagos tarthatóság meghatározása, úgy a csapszeg és a csapszegfurat kialakításának optimalizálásához alkalmazott programok is az alapvető eljárások részét képezik. Ezen túlmenően a dugattyú oldalirányú szimuláló programok és a dugattyúszoknya elhasználódását elemző minták is nélkülözhetetlen részei a tervezésnek.

Alapanyag fejlesztés a csúcsteljesítmény érdekében

A megfelelő anyag kiválasztása a dugattyú rendszerek különleges felhasználási területe miatt rendkívüli körültekintést igényel. A kiválasztásnál a felhasználási terület tulajdonságait kell figyelembe venni, mint például az alkatrészre ható hőterhelés, a kopásfajták és az elvárt teljesítmény. Az anyagok fajlagos tulajdonságai közül figyelembe kell venni például a sűrűséget, a hőelvezetési tényezőt, a szakítószilárdságot, a kopásállóságot és a csúszási, valamint az alakváltozási tényezőket is. A felhasználáshoz éppen aktuális anyagfejlesztési folyamatnak, amely rendkívül költséges és időigényes, általában a tényleges felhasználást megelőzően be kell fejeződnie, a rendelkezésre álló idő rövidsége miatt. Éppen ezért a kutatás, fejlesztés és az új megoldások folyamatos keresése elengedhetetlenül szükséges. A Mahle a kiemelkedő színvonalú Kutató és Fejlesztő Központjainak (R&D) segítségével élen jár az újdonságok terén.

Sikerek a motorsportban

A Mahle az 1930-as évektől kezdve részt vesz a motorsportban olyan kiemelkedő eredményekkel, mint például a 2007-es év, amelyben 17 nagydíj közül 9-et Mahle motorikus alkatrészekkel szerelt autó nyert meg. 2008-ban tizenegyből nyolc Forma 1-es csapat választotta a Mahle motorsport alkatrészeinek kiemelkedő teljesítményét és megbízhatóságát: a Ferrari, a BMW Sauber, a Renault, a Toyota, a Williams, a Red Bull Racing, a Torro Rosso, és a Force India.

Miért is fontos megemlíteni a motorsportban elért sikereket? Mert az autóalkatrész-gyártás leghatékonyabb tesztlaboratóriuma a motorsport.

(Az eredeti cikk megjelent: INDIT-TRADE Hírek, 2008. 2. szám)