A hengerfej csavarok precíz meghúzása: útmutató és technológiai áttekintés
Az autó motorjának megbízhatósága számos apró, de annál kritikusabb részleten múlik. Ezek közül is kiemelkedő fontosságú a hengerfej csavarok megfelelő meghúzása. Az útmutató célja, hogy közérthetően vezessen végig a fő anyagokon, típusokon, beszerelési alapelveken és a tipikus hibajelenségeken, külön figyelve a hazai autóparkra és szerviz szokásokra.
A hengerfej csavarok kritikus szerepe
A hengerfej tömítés az autó motorjának egyik legfontosabb eleme. A hengerfej tömítés a blokktömb és a hengerfej között található, szerepe a megfelelő tömítettség elérése, a víz és olajozó furatok összefakadásának megakadályozása. A jól záró, tömített hengerfej az autó megfelelő működéséhez elengedhetetlen.
A motor szerelésekor sok csavart kell meghúzni - de a hengerfej csavarjai egészen más kategóriába tartoznak. A motortechnikában a kritikus csavarkötések sorában messze az első helyen a hengerfejcsavarok állnak, de a hajtórúd- és a fekvõcsapágyfedél-csavarok sem átlagos esetek.
Hengerfej hibára, hengerfej elvetemedésre a következő hibák utalhatnak: megjelenő olaj, hűtővíz, túlnyomás (kikeményedő vízcsövek) a hűtés rendszerben. Vegyünk továbbá egy klasszikus esetet: átugrik a vezérlés, elszakad a vezérműszíj, vagy a vezérműlánc, ami elveri a szelepeket, ebből adódik a hengerfej levétele. Hengerfej felújítás egyik kötelező eleme a hengerfejtömítés cseréje.
A helytelen meghúzás következményei
Ha a csavarokat nem a gyári előírás szerint húzzuk meg, az azonnal problémát okozhat. A hengerfej meghúzási nyomatékának betartása tehát nem formaiság, hanem létfontosságú művelet. A motorhiba egyik legköltségesebb oka gyakran nem a technológia, hanem a figyelmetlenség.
Ha túl lazák a csavarok, akkor a tömítés nem tud megfelelően zárni, és szivárogni kezd az olaj vagy a hűtőfolyadék. Ez kezdetben csak enyhe melegedésként vagy apró olajfoltként jelentkezik, de később komoly hengerfej-tömítés hibát okozhat.
A másik véglet, a túlhúzás, legalább ekkora baj. Ha túl szorosak, az anyag feszültsége megrepesztheti magát a fejet, vagy tönkreteheti a csavarmenetet. A hengerfej feszültsége ilyenkor nő, és megrepedhet az öntvény. Nem ritka az sem, hogy egy túlhúzott csavar kitépi a menetet a blokkban, így még az is előfordulhat, hogy az egész motort szét kell szedni és újrafúratni.
A precíz meghúzás alapelvei
A hengerfej meghúzása nem csupán egy mozdulat - hanem egy precíziós művelet, amit szigorú sorrendben és pontos értékekkel kell elvégezni.
Fontos tudnivalók a beszereléshez:
- Egységes kenés: a súrlódási tényező közvetlenül hat az előfeszítésre. Beszerelés előtt megolajozandó a menet és az alátét, a csavarfej környezete. Azonban a hengerfejtömítést nem szabad semmiféle kenőanyaggal kezelni.
- Menetek előkészítése: tisztítás, menetfutás ellenőrzése, menetjavítóval átfuttatás.
- Szigorúan betartandó a meghúzási sorrend. A meghúzási sorrend általában megtalálható a hengerfej tömítés csomagolásában egy kis papír formájában.
- Nyomatékra kell húzni és célszerű ezt több fokozatban megtenni. Szigorúan betartandó a meghúzási nyomaték mértéke, sorrendje és ezeket érdemes több lépcsőfokban megejteni.
Lépésről lépésre: vonóhorog a Focus Sedanra
A szakszerű meghúzási folyamat
A szakember első dolga, hogy ellenőrizze a gyártó által megadott nyomatékértékeket és meghúzási sorrendet. A folyamat során nyomatékkulcsot használnak, ami garantálja, hogy minden egyes csavar pontosan a meghatározott erővel legyen meghúzva. Fontos továbbá, hogy mindig nyomatékkulccsal húzzuk le a hengerfejtömítés csavarjait, de nem mindegy milyen nyomatékkulccsal.
A csavarokat több lépésben, fokozatosan húzzák meg - először enyhébb értékre, majd végső nyomatékra. Gyakran alkalmaznak szögmérőt is, amellyel nemcsak az erőt, hanem a csavar elfordulásának mértékét is ellenőrzik. Ez különösen modern motoroknál fontos, ahol a csavarok rugalmasan nyúló (yield) kialakításúak. Ez a fajta precizitás az, ami megkülönbözteti a hozzáértő szervizt a barkácsolástól.
Fontos, hogy a nyomatékkulcsnál nem az a lényeg, hogy van, hanem, hogy kalibrált-e, illetve ismerni kell, és be kell tartani a meghúzási technológiát.
Fejlődéstörténet és növekvő igények
„Nagyot változott a motortechnika” - ez a közhely a csavarkötésekre is igaz. Egymásnak szinte a végletekig ellentmondó követelmények, műszaki „együttállások” jelentek meg. Kezdjük az égéstéri gáz csúcsnyomással. A Zsiguli-korszakban még átlagosan 80 bar volt az égési csúcsnyomás. Nagy haszongépjármű-dízelmotoroknál pedig, az akkor határesetnek számító 130 bar. Ma a legkisebb dízelmotorokban is 150-170 bar a hétköznapi érték, és a szakirodalom szerint az eljövendő motorok a 220 bart ostromolják. (Jaj annak a motornak, ahol a tuning csúcsnyomásnöveléssel jár együtt, és más intézkedés nem történik.)
Mindehhez könnyűfém hengerfej vagy teljesen könnyűfém motor társul, mely két járulékos nehézséget is magával hoz. Az egyik, ezen anyagok nagy hőtágulása, mely üzemmeleg esetben rendkívül nagy csavarerő-növekményt eredményez (a hengerfej jobban tágul, mint a hengerfejcsavar). A másik probléma az, hogy a könnyűfém blokkban a menet teherbíró képessége nagyon is véges, tehát ez is behatárolja az erőt.
Focus MK1 szervórendszer hibaelhárítás
A mai könnyűfém motorok - alig vannak falvastagságok - hengerhüvely-deformációra nagyon érzékenyek, tehát nem lehet a tervezett értéknél nagyobb erővel meghúzni a csavarokat, mert ezzel például olajfogyasztást viszünk be a motorba.
A „bármilyen csavar jó, csak a menete, hossza és esetleg a szilárdsági osztálya stimmeljen, mert én nyomatékkulccsal húzom” - hozzáállás ma már motorgyilkos lehet.
Addig, ameddig a csavart anyagának rugalmassági tartományában használtuk, addig hellyel-közzel igaz is volt a fenti „hozzáállás”. Ennél a technikánál nehézséget az előírt csavarerő tényleges beállítása jelent. A nyomatékra (megadott nyomatékértékre) történő meghúzás csak akkor eredményezi maradéktalanul a megkívánt csavarerőt (összehúzó erőt), ha nincsenek rendellenesen nagy parazita nyomatékok az alátétnél és a menetnél.
Tehát, ha a csavarfejre kifejtett meghúzási nyomaték egy, a normálisnál nagyobb hányadát nem kell a jelölt helyeken kialakuló ellennyomaték leküzdésére fordítani. Ezen, mint említettük, a parazita nyomaték csökkentését a gyártók anyagpárosítással, felületkezeléssel és kenési előírással (olajozd meg!) érik el.
Ha be is tartjuk az előírásokat, és a nyomatékkulcsunknak hihetünk, akkor is lehet még egy kritikus pont, és ez a csavar mechanikai tulajdonságainak anyagából, gyártásából eredő szórása. Mindezekből a csavarerőnek igen jelentős, mintegy ±27% a szórása.
Az ARP csavarok: etalon a tuningban
Az ARP csavarok a tuning- és versenypiacon etalonként emlegetett rögzítőelemek: precíz gyártás, következetes hőkezelés és jól dokumentált meghúzási eljárások állnak mögöttük. Ha nagyobb töltőnyomás, emelt kipufogógáz-hőmérséklet, magas fordulat vagy rendszeres pályahasználat szerepel a terveid között, az ARP a motor megbízhatóságát adó „láthatatlan biztosíték”.
Mikor melyik csavart használjuk?
A „mikor elég az egyik és mikor kell a másik” kérdésre nincsen egyetlen jó válasz, de az alábbi irányelvek jól használhatók utcai-tuning és klubszintű versenykörnyezetben is. A mérvadó tényezők: várható hengerközépnyomás, csúcshőmérséklet, fordulatszám, a mozgó tömegek (dugattyú, hajtókar) és a felhasználás hossza (sprint vs. endurance).
A tömítés biztonságát adják magas hengerközépnyomásnál; pályázóknak gyakran a tőcsavar a jobb, mert egyenletesebb a leszorítás és javul az ismételhetőség. Magyar példákkal élve: 1.8T, 2.0 TFSI, 1.9 TDI - ezeknél a tuninglépcső növekedésével egyre inkább indokolt az ARP szett.
Hajtókar csavarok esetében a legdurvább ciklikus igénybevétel itt jelentkezik (fordulatszám × mozgó tömeg). A Lada tunerek körében gyakori motorhiba forrás a gyári hajtókar csavarok elszakadása. 8740/ARP2000 sokszor elegendő, L19/625+ akkor kell, ha a fordulat és a dugattyúcsoport tömege extrém kombinációban jelenik meg, vagy endurance alatt tartósan a határon üzemel a motor.
A nyomatékcsúcsok és az ütőterhelés miatt itt is kritikus a minőség és a megfelelő előfeszítés.
ARP csavarok anyagai
Az ARP csavarok különböző anyagokból készülnek, melyek eltérő tulajdonságokkal rendelkeznek. A leggyakoribb anyagok:
| Anyag | Szakítószilárdság (kb.) | Jellemzők | Tipikus alkalmazás |
|---|---|---|---|
| 8740 Króm-molibdén acél | ~200 ksi | Általánosan nagy szilárdság, jó fáradásállóság, kedvező ár/érték. | Hajtókarcsavar, főcsapágyház/nyugvócsésze tőcsavar, lendkerékcsavar, ahol a hőterhelés nem extrém, de a ciklikus igénybevétel magas. |
| ARP2000 | ~220 ksi | Emelt szakítószilárdság, stabil fáradásállóság. | Ahol a boost már nem széria, a hengerfej-tömítés terhelése érzékelhető, és a nyomatékcsúcsok jelentősek. Hengerfej tőcsavarhoz és hajtókarhoz is bevált - pályanap + mindennapi használat kombinációjára optimális kompromisszum. |
| L19 | ~260 ksi | Rendkívül magas szilárdsági szint, korrózióra és helytelen kezelésre érzékenyebb, fokozott előkészítést és gondos nyomatékolást igényel. | Drag, magas fordulat, extrém gyorsítás-gyors lefutású ciklusok. |
| 625+ | ~260-280 ksi | Nikkelalapú szuperötvözet kiemelkedő szakítószilárdsággal, kiváló korrózió- és hőállósággal. | Endurance, magas kipufogógáz-hőmérsékletű turbókörnyezet, nagy tartóssági igény. |
| Rozsdamentes acél | Változó | Jól tartja szilárdságát magas hőmérsékleten, korrózióálló, esztétikus. | Szelepfedél, vízpumpa, burkolatok; speciális környezetben (turbó-közeli csavarok, kipufogó-oldali kiegészítők). |
Az ARP beszerelési alapelvei
Fontos kelléke a motorszerelésnek a csavarok megfelelő nyomatékolásához használatos kenőanyag. Az ARP minden termékét ilyen Ultra-Torque anyaggal kell bekenni, mielőtt nyomatékkulccsal, vagy a csavar nyúlás mérése mellett meghúzod őket.
Nyomaték vs. nyúlás (bolt stretch): ahol lehet, a nyúlás mérése pontosabb képet ad az előfeszítésről, mint önmagában a nyomaték. Fontos megjegyezni, hogy a VW csoport 1.8T motorjai két különböző vastagságú hengerfej csavarral készültek! Az ARP hengerfejcsavarok egyszerű beszerelése azonban nagyban hozzájárul a motor megbízhatóságához.
Suzuki Hengerfej csavar meghúzása
Nyúlócsavarok és a modern meghúzási technika
A konstruktőrök ma még megoldják a problémákat, de rendkívül „penge módon”, határhelyzetre kiszámítottan. Ez azt jelenti, hogy a tervezett, és kísérletekkel meghatározott csavarerőt nagy pontossággal kell tudni beállítani a meghúzásnál, és a hőterhelés növekedésével (könnyűfém motor) sem nőhet jelentősen a csavarerő.
A megoldás a csavarban van! A nagy nyúlóképességű csavar szakítódiagramja két, jellegzetesen különböző szakaszra osztható:
- a rugalmas tartományra és
- maradó képlékeny alakváltozás tartományára.
A rugalmas tartományban az erővel arányos a csavar nyúlása, a csavar itt lineáris karakterisztikájú rugóként viselkedik. Ha az erő megszűnik, a csavar visszanyeri eredeti hosszát. Klasszikusan ebben a tartományban terheljük a csavarokat.
A maradó képlékeny alakváltozás tartományában nagyon lapos a karakterisztika, a csavar további erőt már alig képes felvenni, az erőnövekmény a csavar nyúlását eredményezi. Erre a szakaszra erőhatárolás jellemző. Ha ezt az erőt megszüntetjük, a csavar terheletlen hossza nagyobb lesz mint kiindulásnál, tehát a csavar megnyúlik.
Miért előnyös, hogy a maradó képlékeny alakváltozás tartományába húzzuk a csavart? Mert a tervezett erőt biztonsággal beállíthatjuk, nem lesz nagy a csavarerő szórása, nem lesz meghúzási nyomatékfüggő. A feltétel csupán annyi, hogy a csavart húzzuk be a maradó képlékeny alakváltozás (lapos erőkarakterisztikájú) tartományába. Ezt biztonsággal az előírt csavarelfordítással, tehát a „szögrehúzással” érjük el.
A felfektetés nyomatékkal, ún. illesztő nyomatékkal történik (pl. 60-70 Nm), ezt követi, általában több fokozatban, kis szünettel (a kristályszerkezetnek idő kell az alakváltozáshoz), a szögértékre húzás.
A csavarral szembeni követelményeket az elfordítás függvényében láthatjuk. A folyáshatárnak (F1) 60 Nm + 180° meghúzás után meghatározott erőtartományban kell lennie. Továbbá 70 Nm meghúzás után, 90° elfordítást a csavarerő csökkenése nélkül kell elviselnie. Fmax és F1 között legalább 4000 N-nak kell lennie. A karakterisztika-szakasz ugrás- és hullámzásmentes kell, hogy legyen. A konkrét értékeket a gyártó (motorgyártó a tömítésgyártóval együtt) határozza meg. Ma már a motorgyártó általában ezt az alkatrészcsoportot kompletten átadja a fejlesztés során a beszállítónak (például az ElringKlingernek), oldja meg a tömítési problémát hengerfejcsavarral együtt.
A csavarok hosszát kell megmérnünk, hogy megállapítsuk, visszaszerelhető-e, vagy a gyár egyáltalában nem engedi a másodszori felhasználást. (Egy 10.9-es M10-es csavar átmérője, ha a nyúlás következtében valahol 0,3 mm-rel kisebb lesz, terhelhetősége 10-15%-kal csökken.)
Utánhúzás-mentesség és új csavartípusok
A szervizigény csökkentése és a hengerfejtömítés szempontjából általában „kihegyezett” szériamotorok megkövetelik a hengerfej utánhúzás-mentességét (a szerviz csak rontana rajta - mondják). Mivel a mai egy- vagy többrétegű fém hengerfejtömítések üzem közben már nem ülnek össze - mivel a csavarerő egyértelműen annyi, amennyit előírtak -, nincs szükség az utánhúzásra. Ez ma már általános követelmény és gyakorlat.
A gyártónak a csavar mechanikai tulajdonságait, nyúlóképességét, egyenletes feszültségeloszlását kell tudni beállítani. A nagy nyúlóképességű, ún. magra gyengített csavarokat régen ismerjük és alkalmazzuk. A csavargyártók a mechanikai tulajdonságok beállítása és a gyártási költségek minimalizálása okán számtalan új csavarfajtát fejlesztettek ki. A végigmenetes csavar is a nyúlóképesség beállítását célozza, újabban pedig a csavarmenet után a szárra, hidegalakítással, egy- vagy kétbekezdésű „zsinór-menetet” tesznek. Hadd emlékeztessünk ismét, ma minden motorhoz saját csavartípust írnak elő!
Alumíniumcsavarok
Az alumíniumcsavarok autóipari alkalmazása sokáig kutatói berkekben, a kutatóműhelyek falai között maradt. Mára megszületett a szériaérett megoldás.
A kontaktkorrózió elkerülése végett elsősorban a magnézium szerkezeti egységek kötéséhez kell alkalmazni. Ha magnéziumot alkalmaznak, akkor ott bizonyára a szerkezet kis tömege az elsődleges, így ehhez nem lenne „illő” a bevonatos acélcsavar. A felhasználás ennél szélesebb körű, hiszen a könnyűépítés mindenütt megkívánja a kötőelemek tömegének a csökkentését is.
A KAMAX cég adatai alapján az alumíniumcsavar (Al 6056) nagyobb, mint 400 N/mm2 húzófeszültségű, melegszilárdsága 150 °C-on még névleges, de 180 °C-ig sem kritikus.