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Vespa、Lambretta用クランクシャフト

投稿者:Jesco 時間:15:01 日付:2022年1月26日

クランクシャフト一般

トルクアップによるパワーアップとスピードアップのどちらか?パワーは、トルクにそのトルクが発揮される速度をかけたものである。では、レーシングエンジンはどのようにして高出力を実現しているのだろうか。これは、トルクを大きくするか、トルクをかける速度を大きくすることで、初めて可能になります。

P=Md * (r)

P =出力(kW)
Md
= トルク(Nm)
(r) =速度(rad/s)

この計算式をスクーターで再計算する場合、やはり計測単位を共通項にする必要があります。この式は、速度が従来とは異なる rad/s の単位で与えられている場合に有効である。1分間は60秒、1回転は6.28radであることを知らなければならない。最大トルクを15Nm/6000rpmとすると、こちらのパワーは。

P = 15 Nm * 6000 rpm * 1 min/60 s * 6.28 = 9420 Nm/s

1Nm/s=1Wは、1000W=1キロワットなので、ここで紹介したベスパのエンジンは6000rpmで9.4kW *1.36=12.8HP のパワーを持っていることになります。

トルクは多かれ少なかれ変位に起因する。ターボチャージャーや笑気ガスなどは別として、1回のピストンストロークでシリンダー容積のすべてを新鮮なガソリンと空気の混合気で満たして燃焼させるのがせいぜいだから、トルクには一定の上限がある。私たちにできることは、すべての部品をうまく組み合わせて、シリンダーをできるだけ満たし、排気量をできるだけ大きくすることです。そしてそれは、より多くのストロークとより多くのボアを持つことによってのみ可能となるのです。ストロークを増やすにはロングストロークシャフト、ボアを増やすにはチューニングシリンダーが必要です。トルクを出力する速度は、パワーを上げるためのもう一つの変数です。これが2倍になれば、パワーも2倍になる。レーシングエンジンの回転数が高いのは、同じ時間でより多くのシリンダーチャージを燃焼させるためです。
高速回転のエンジンでは回転域のパワーがほとんど感じられないので、ウエイトを軽くしたり、反圧力のスプリングを硬くしたりして、できるだけ高回転にすることが重要です。

クランクウェブ - 正しいタイプ

高速回転時にシリンダーを最適に充填するためには、混合気をできるだけ早くオーバーフローポートに流す必要があり、オーバーフローポートが開くときのクランクケース内の圧力ができるだけ高い方が効果的である。この圧力は、ピストンの上端と下端のクランクケースの容積比が小さいほど高くなるため、デッドボリューム(クランクケース内の空気量)をできるだけ小さくしようとするものである。そのために、クランクケースを可能な限り埋め尽くすフルクランクウェブを持つクランクシャフトなどを採用した。しかし、デッドスペースをなくすゲームには最適な圧縮前レベルがあるため、やりすぎてしまう可能性があります。これを超えると、エンジンの性能は上がるどころか、逆に下がってしまうという悪影響があります。チューニングの分野では、ソリッドチークシャフト以外にも、目的に応じて最適化されたシャフトが数多く存在します。

ソリッドチークシャフトをさらに発展させた、流量を最適化したリップ&ベル(またはマッシュルーム)シャフトは、ダイレクトインテークまたはダイヤフラムインテークのエンジンに適しています。この形状は、流入するガスの流れを不必要に妨げず、より有効なケーシング容積を確保することができます。そのため、予備圧縮がわずかに減少し、より多くの新鮮なガスを流入させることができ、より高度な充填を実現することができます。この相互作用により、より広い速度領域が可能となり、達成可能なパワーが増加する。

クランクシャフト、ロータリバルブ

一方、ロータリーバルブのドライバーは、レーシングリップシャフトやロングストロークシャフトを好んで使用します。充填度合いに好影響を与える吸気時間を大幅に延長したほか、レーシングシャフトはクランクウェブの流線型化や研磨により、乱流や失速を低減しています。また、ロータリーベーンエンジン用の新型レーシングリップシャフトも、ダイヤフラムリップシャフトと同様の利点を有している。

高品質なシャフトは、絶妙なバランス(下記「フルバランス」参照)と高い同心度、すなわち一方向に「ノック」しない(=方向性シャフト)ことを特徴としています。そのため、特に滑らかな走行が可能です。

チークやコンロッドを研磨すると、流体抵抗が少なくなります。

ハイエンドスモールフレームエンジン向けには、従来の82mm径から87mm径のクランクシャフトを提供。ピンを覆う材料が多いため、ねじれに対する安全性が高く、プレス寸法を高く選択することができます。ただし、クランクケースは88mmまでスピンドルをかける必要があります。

フルバランス
バランス」という言葉を使う場合、「12時方向にバランスがとれている」「静的にバランスがとれている」という意味です。コンロッドアイは、シャフトが自由に水平に吊り下げられているとき、12時方向(上)に振り出される。すべての回転質量は、バランスホールによって100%バランスされています。ピストン、リング、ピンなどは「往復」する並進質量である。残念ながら、システム全体のバランスを100%取ることはできないので、振動のない1気筒エンジンは存在しないのです。これは、死角での加速と減速、その間のマスの偏心に関係する。
ダイナミックバランシングとは、ピストンやシャフトを含むシステム全体のバランスを取るということです。残念ながら、この取り組みは実際には実現不可能です。実際、ピストンとシャフトのバランスをうまく取ろうとすると、「バランスファクター」と呼ばれるものが出てきます。回転する質量と振動する(並進する)質量の重量比を表す。経験上、40%程度が良好な結果をもたらすとされている。
NIKのバランシングスタンドは、バランスのチェックと調整に適したツールです。
NIKバランシングスタンド.

ストローク

クランクピンをクランクシャフトの回転軸から離すことで、ロングストロークを実現しています。この効果は、例えば偏心ピンなどでも実現できる。軸から1mm離れると、2mmストロークが増えることになります。その後、ピストンは上死点から1mm、下死点から1mm移動する。ピストンがヘッドに衝突するのを防ぐために、1mm厚のフットガスケットまたはヘッドガスケットを装着する必要があります。また、ピストンスカートは下死点でハウジングとぶつからないように、下部を少し短くする必要があります。いずれにしてもタイミングが変わってきます。

フットシールによる補正:排気時間が長くなり、オーバーフロー時間が大幅に長くなる。排気口もフライス加工で少し高くすれば、エンジンは高速回転に最適化される。

ヘッドガスケットによる補正:排気時間とオーバーフロー時間が若干長くなるだけで、オーバーフロー時間の方が排気時間より長く変化する(=プリディスチャージが少ない)。中速域でのトルクアップのための最適化。

オリジナルリフティングシャフトとロングストロークシャフト(Vespa PX200など)の違い。コンロッドピンはさらに1.5mm外側に位置する。TDCとBDCを足すと、ベスパの場合は3mmストロークが増えることになります。フットシールやヘッドシールで補う。ただし、この場合、タイミングも変わるので、それを考慮する必要があります。
オリジナルリフティングシャフトとロングストロークシャフト(例:ベスパPX200)の違い。コンロッドピンはさらに1.5mm外側に位置する。TDCとBDCを足すと、ベスパの場合は3mmストロークが増えることになります。フットシールやヘッドシールで補う。ただし、この場合、タイミングも変わるので、それを考慮する必要があります。
クランクシャフトのストロークは、非常に簡単に測定することができます。外側のコネクティングロッドピンと外側のベアリン グシート間の距離を測定します。コンロッドピンの直径の半分とベアリングシートの直径の半分を差し引くと、中心から中心までの距離になるが、これを測るのは難しい。測定値*2によりストロークがわかる。
クランクシャフトのストロークは、非常に簡単に測定することができます。外側のコネクティングロッドピンと外側のベアリン グシート間の距離を測定します。コンロッドピンの直径の半分とベアリングシートの直径の半分を差し引くと、中心から中心までの距離になるが、これを測るのは難しい。測定値*2によりストロークがわかる。

クランクシャフトボアを増やすか、ストロークを増やすか?

ロングストロークは、より複雑ではあるが、パワーの向上という点では、より優れた排気量拡大方法である。5%の排気量拡大(5%のストローク拡大で達成可能)は、タイミングを変えなければ5%平方ミリのウィンドウ面積の拡大を意味するからである。つまり、変位と窓の面積は同じ割合で増えていくわけです。一方、ボアを変えて排気量を5%増やしても(排気量の計算ではボアを2乗しているので2.46%のボア増で達成可能)、窓面積は2.46%増にしかならないのです。グランプリの高性能2ストロークの多くがクアドラチューバー(ストローク・ボア比がほぼ同じ)であるのも、このためである。

しかし、私たちスクーター乗りは、標準的なエンジンをベースにチューニングしなければならず、排気量やストローク・ボア比を自由に選ぶことはできない。シリンダーを交換することで、より多くのボアを簡単かつ安価に実現できるため、これが最も一般的な方法となっています。たとえ、残念ながら、その結果、ショートストロークのエンジンにしかならないとしても。

しかし、非常に長い排気タイミングとオーバーフロータイミング、ひいては高出力は、ピストンストロークを大きくすることでしか達成できない。しかし、クランクケースのねじ接続は、可能な追加ストロークに狭い限界を設定し、ハウジングは、ロングストロークのシャフトに十分な直径のスペースを提供するために機械加工、すなわちスピンドルアウトする必要があります。偏心したロングストロークシャフトではピストン速度が20m/sに達するため、キャブレターや点火装置のセッティングも極めて精密に調整する必要があります。しかし、手間をかけ、シリンダータイミングを最適に調整すれば、40ps/40Nmを超える出力も十分可能な、非常に強力なエンジンとなる。

低振動クランクシャフトに必要なものとは?

エンジンの振動の強さには、クランクシャフトが大きく関わっています。強い振動は乗り心地に悪影響を及ぼすだけでなく、スクーターの各部品の耐久性、さらにはエンジンの性能にも影響を及ぼします。

クランクシャフトの低振動走行には、さまざまな要素が重要である。

  1. クランクシャフトのアライメント:クランクシャフトは、常にベアリングの間を完全にまっすぐに走る必要があります。2つのクランクウェブは、クランクピンを介して互いに連結されている。この接続部でクランクシャフトがねじれると、振動が発生します。
    特にSIP Performanceシャフトなどの高品質なクランクシャフトは、手作業で非常に精密にアライメントされます。

  1. バランス位置:クランクシャフトは、振動する質量(ピストンなど)に対してカウンターウェイトを持つことが望ましい。つまり、未組立のクランクシャフトは、このカウンターウェイトを中心に振動することになる。クランクシャフトの一番重いところは下を向いている。この重心がピストンの動きに対して有効なカウンターウェイトとなるためには、クランクピンが12時、または(クランクシャフトが時計回りに回転している場合)1時の位置にあることが望ましい。
    ベスパのレース用クランクシャフトの多くは、吸気部のフレッシュガスのためのスペースを確保するため、荒削りな加工が施されていた。そのため、カウンターウェイトが斜めになることがよくありました。現代の優れたシャフトは、このスキューを加工やバランスウエイトの形状で補正している。

  1. バランス係数:クランクシャフトがピストンに当てるカウンターウェイトをピストンの重量と一致させること。この重量の理想的な係数をパーセントでバランス係数という。エンジンにとって理想的なバランスファクターは何かというと、これまたいろいろな要素に左右される。例えば、シリンダー位置。
    問題は、絶対的に正しいバランスファクターは存在しないことです。どのメーカーにも、それぞれの哲学があります。また、各メーカーではピストン重量でバランスファクターを決めています。通常、クランクシャフトが設計された自社製品のそれである。

finely balanced "とはどういう意味ですか?
ファインバランスという
のは、実は明確な専門用語ではありません。むしろ、特にバランスの良いクランクシャフトのことを口語で表現している。しかし、私たちはこの言葉をクランクシャフトの情報として使うことにしました。

私たちは、上記の3つのポイントをすべて満たしたクランクシャフトを「ファインバランスド」と呼んでいます。

  • 特に精度の高いアライメントを実現しています。

  • 12時や1時の位置でバランスをとる。

  • メーカーは、デザインに一定のバランス要素を実装しています。

残念ながら、それぞれのシャフトのバランス調整が目的のエンジンに完全に適合することを保証するものではありません。しかし、これは明確な品質上の特徴であり、モーターがスムーズに動作する確率を大きく向上させるものです。

コネクティングロッド

コンロッドが長くなってもストロークは変わらないが、それに応じてシリンダーを高くしなければならない。コネクティングロッドが長いと、ハーフストローク時の傾きが小さくなり、ピストンがシリンダー壁に与える横方向の力が小さくなるため、摩擦が少なくなるという利点がある。しかし、この利点の代償として、クランクケースの容積が大幅に増えてしまう。フットシールの内周で囲まれた面積に高さをかけた値で増加します。

また、長いコンロッドでタイミングも変化します。ただし、ピストンのリフトカーブが多少変わるので、ほんの少しです。

クランクウェブはコンロッドピンによって結合されているため、2つのウェブがねじれないよう、できるだけ高い圧縮寸法を確保することが望まれます。コンロッドとベアリングが載っているコンロッドピンは、シャフトの両頬に高圧で押しつけられる。頬の穴が大きすぎたり、ピンの直径が小さすぎたりすると、圧入の強度が十分に得られず、外れてしまう。エンジンに重大な損傷を与える可能性があります。そのため、より強力なエンジンのコンロッドジャーナルは、最初からねじれを防ぐためにチークに溶接されていることが多い。

コンロッドには、標準的なコンロッドと、流量を最適化したポリッシュブレードコンロッドがあり、区別されています。

コネクティングロッドの長さは、常にセンターアイからセンターアイまでの長さで測定されます。例えば、ハイエンドのスモールフレームエンジンには、コンロッド長を97mmから102mmにしたポリーニの専用シャフトがあります。

ベスパの旧モデルでは、摩擦を最小限に抑えるためにコンロッドベアリングとして真鍮製のブッシュが使用されていた。混合気に含まれる油分が多く、エンジン回転数が非常に低いため、以前は安心して乗ることができたのです。しかし、最近のエンジンは高速回転になり、オイルの添加量も少なくなったため、コンロッドの上下にニードルベアリングが使われるのが普通になっている。これらは高速回転に耐え、レーシングシャフトの場合、潤滑孔やスロットを追加して混合気を供給することも可能である。これにより、ベアリングが空回りして高温になり、ピストンピンやコネクティングロッドピンに焼きついてしまうことを確実に防ぐことができます。高品質なシルバー軸受は、軸受保持器に銀メッキを施しているため、摩擦や摩耗が少なく、長寿命である。

画像例
ナイフコネクティングロッド
ナイフコネクティングロッド
標準コネクティングロッド
標準コネクティングロッド
コネクティングロッドセット(コネクティングロッドピン、スラストワッシャー含む
コネクティングロッドセット(コネクティングロッドピン、スラストワッシャー含む

Smallframe: コーン、ベアリング、オイルシールシート

スモールフレームクランクシャフトは、3種類のバージョンで提供されています。

旧型のスモールフレームモデル(V50/PV/ET3)には、ファンホイールが収まる「尖った」コーン(オイルシールØ19 mm、ベアリングシートØ20 mm)付きのクランクシャフトが標準装備されています。しかし、これは特に耐久性があるわけではないので、ちょっとしたチューニングでも剥がれてしまうことがあります。

PK XLのクランクシャフトは、20mmのオイルシールシートを備えたより鈍いコーンを持ち(ベアリングシート径は同じ)、あらゆるチューニング目的に最適であるだけでなく、電子点火への転換にも理想的な基盤となっています。51mmストロークのシャフト(当初PK125XL/ETSに搭載)は、オイルシール座(24mm)とベアリング座(25mm)をさらに強化した最も安定した設計となっています。野心的なチューニングプロジェクトに最適です。ただし、オリジナルのV50とPK50のハウジングには、コンバージョンベアリングとオイルシールを併用しないと取り付けられない。

つまり、スモールフレームのベスパでは、オイルシールシートのサイズが3種類、ベアリングシートのサイズが2種類あります。

クランクシャフトとLambretta

1-3 LIS/SX/TV DL/GPシリーズの標準シャフトは、それぞれストロークが58mmで、コンロッドは107です。TV175のみ、116mmのコンロッドを標準装備しています。

107mmコネクティングロッドの代わりに110mmコネクティングロッドのクランクシャフトの取り付けが可能です。その結果、エンジンがスムーズに動くようになるはずです。この場合、長くなったコンロッドは3mmのフートシールで補う必要があります。しかし、107mmと110mmの差は非常に小さい。116mmのコンロッドを持つクランクシャフトに変換するのがよいでしょう。長いコネクティングロッドは、圧縮高さの低いピストンによって理想的に補われる。ほとんどのランブレッタのシリンダーには、圧縮高さがオリジナルの39mmではなく、30mmのピストンが用意されています。こうすることで、滑らかさが格段に向上するのです。

チューニングの分野では、レーシングシャフトとロングストロークシャフトに区別されることがあります。ランブレッタのエンジンは、シリンダー内に直接吸気するため、クランクケースへの吸気の必要性からクランクシャフトの形状が影響を受けることはない。レーシングシャフトは、特に弾力性のある素材、高品質のベアリング、特殊なコンロッド、特殊なバランスまたは重量が特徴である。ロングストロークシャフトは、幅広いバリエーションで展開されています。60mmストロークが圧倒的に多く、60mmシャフトは通常、ハウジングを改造することなく取り付けることができるためです。60mmを超えるロングストロークシャフトには、より大きな直径のクランクケースが必要です。

ベスパとは対照的に、ランブレッタのコーンは交換可能な2つのバージョンのみが用意されている。25mm(オイルシール直後測定)のラージコーンは、もともとDL/GPのエンジンにしか搭載されていなかったものです。他のすべてのモデルのスモールコーンは、オイルシールシートの直後で21mmにテーパー加工されています。しかし、最大負荷時や高速回転時には、コーン全体に大きな力が作用し、21mmコーンの細い先端では必ずしも確実に耐えることができません。基本的には、ここでも同じです。コーンが厚いほど安定し、チューニングに適しています。コーンによって、対応するファンホイールがもちろん必要です。

Jesco
Jesco

Jesco ist Techniker und Produktentwickler bei SIP Scootershop. Vielen ist er aus Videos aus dem SIP TV Tutorial Kanal bekannt, wo Jesco komplizierte Zusammenhänge einfach erklärt.