Stempelmotorens særpreg er eksplosjonene. Da de driver stemplene ned og veivakselen rundt kommer vibrasjonskrefter av ymse slag. Og enorme er de. I alle andre motor-varianter enn rekkeseks og V12 blir det ekstra slitasje av dette.
Bildet øverst: Rumlende V8 var lenge den tørste hovedløsningen i amerikanske biler av noen standard. Her en lett tilårskommen fireliters Chevy, der ca åtti prosent av drivstoffet blåste rett igjennom – men 85 oktan blybensin var rasende billig – forurensning og klimagass hadde ingen hørt om … (Foto: Chevrolet)
Av Stein Bekkevold
En rekkefirer har gjerne tenningsrekkefølge 1-4-2-3, om du ser sylindrene forfra. Du innser at dette er ganske godt egenbalansert, med smell i første og bakre sylinder og så i de to i midten, men mye av kreftene må tas opp midt på veivakselen, under sylinder 3 og 4.
Her blir det høye bøyemomenter, store svingemasser og mye risting. Dette tas opp av stiv motorblokk og motvekter på veivene, og riktig dimensjonering av svinghjulet.
V12 er noe av det mest vibrasjonsfrie du kan få til, om du vil ha en stempelmotor. Her er Rolls´ verdensberømte Spitfiremotor Merlin, på 1.800 hk ++ og særdeles grovt dreiemoment. (Foto: Rolls Royce)
V12 går stille
Hvordan blir det da om du har en tre- eller fem-sylindret motor? Det blir enda verre. Da må du inn med enda større motvekter og ofte et par kontraroterende svingmasser, tunge veivakseldrevne balanseaksler – som det engelske bil-geniet Frederick W. Lanchester var først med for 100 år siden. Tungt og enda mer komplisert – med økt slitasje.
I en V8 – to rekkefirere i nitti graders vinkel – vil kreftene i noen grad motvirke hverandre, og en slik kan derfor gå ganske stille og rolig, om du ikke har grovt avgassanlegg med amerikansk godlåt …
Grunnen til at en V12 går så stille – med godt avgassanlegg – er at to rekkeseksere i 60graders vinkel utbalanserer hverandre så fint at vibrasjonene nesten forsvinner. Så dette er en flott konfigurasjon – men den er dyr.
Kjappe kampfly fra 2 verdenskrig hadde svært ofte slike. Eller stjernemotorer der ørten sylindre satt i ring rundt veivakselen, og gjerne ga 2.000 (forbudte) hk eller mer. Altså 1.480 kilowatt. For ikke å snakke om det kolossale dreiemomentet som prøvde å dra flyet ut av kurs når de tok av. Heftig sideror var tingen.
Dermed:
Hvilke dynamiske krefter har vi? Hvor store er de og hvilken skade gjør de? Matematikken er nærmest utilgjengelig med cosinuser og tangenser i alle retninger, fordi kreftene ikke bare går rett opp og ned, men roterer hit og dit, og av og til treffer sylinderveggene i et større antall vinkler (derfor cosinus og tangens), men vi gjør et forsøk: Gasskraften skyver ned stemplet. Denne deles opp i en sideveis kraft (pga akselrotasjonen) mot sylinderveggen, og en annen som går ned gjennom veivstaken. Disse får vi ved å sette inn veivstakens vinkelfaktor: cosinus beta.
Når vi har gjort dette og litt til, får vi et samlet uttrykk for kreftene. Og litt vondt i hodet… Men dette er bare en liten del av jobben. For nå kommer vibrasjonene. Og de kommer av at svingende og tunge masser jobber for fullt. I høye turtall.
Alle kreftene springer altså ut fra stempel og veivstake som flyr opp og ned, og veivaksel med svinghjul som snurrer som bare det. Motor-ingeniørene må dele opp alt i aksjoner og reaksjoner for å få en oversikt: Rotasjonene kan analyseres selv om frekvenser og nivåer varierer enormt. Verre er det å få grep om alt som flyr hit og dit og opp og ned og på skrå, med ustanselige bevegelser i aksene x, y og z. Der kommer cosinusene og tangensene inn i formlene og skaper rot og ugreie i våre stakkars hjerner.
Merlin-motorens enorme moment og digre fireblads propell var en av grunnene til at Spitfire gjorde det så godt i luftkamp, ved siden av de elliptiske vingenes svingradius som stort sett ga ferske flyvere blackout før de overvant G-kreftene … (Foto: RAF)
Rekkesekseren
Det er lett å innse at rekkesekser og V12 er flotte, nærmest egenbalanserte motortyper. Og akkurat like bra er en liggende sekssylindret, en bokser. Med tre sylindre på hver side av veiva. I disse er frie krefter av første og annen orden faktisk lik null, ifølge vår slitte lærebok – og det er også momentene.
Rekkefireren da? Ikke så verst, der er det bare litt rusk med frie krefter av noe som heter annen (og tredje!) orden, men det kan altså fikses med motvekter og litt finpussing av svinghjulet, og kanskje et par kontraroterende balanseaksler, til nød.
Alle andre løsninger har større krefter og momenter. En av de verste er V4 med seksti graders V, der er det ekstra mye matematisk surr – og enda større behov for tunge motvekter og balanseaksler. Faktisk er en tre-sylinder rekkemotor litt snillere sånn sett. Prøv en en-liters bensin turbomatet Fiesta o.a. med en sånn – du blir positivt overrasket.
Fem på rekke?
Altså kan man lure på hvorfor ikke alle bilmotorer enten er godt balanserte rekkefirere eller ditto selvbalanserte rekkeseksere, og hvorfor noen tar seg bryet med å lage fem-sylinders motorer i det hele tatt. Litt av dette kom da fabrikkene ville opp i ytelse uten å hard-trimme motorene, for da øker kostnaden – eller så mister du levetid. Når konkurrenten reklamerte med 250 (ulovlige) hestekrefter – 185 påbudte kW – måtte de andre også skaffe mer motor, og gikk opp fra fire til fem.
Seks var det ikke plass til når bilen skulle være aerodynamisk i nesa, og dessuten ha forhjulstrekk med alt på tvers. Det vil si, de kunne ha gjort som Volvo i Skövde for mange år siden – de laget en kort rekke-sekser med samme innbygglengde (på tvers) som en firer – men den ville sikkert bli altfor dyr i dag.
Så det blir ofte en ganske ubalansert femmer. Noen har utrivelige massemomenter og -krefter – med slitasje og tunge balansedeler som straff.
Da er kanskje de nevnte små turbomatede rekketreerne, som bare drikker en liten dråpe eller tre på mila smartere, teknisk sett. Overraskende høy litereffekt har de også, i kW per liter slagvolum. Som er den korrekte regnemåten.
Her har du altså hovedårsakene til at nesten alle flymotorer under 2. verdenskrig var egenbalanserte: V12 og digre stjernemotorer. Lave vibrasjoner i noe så skjørt som en lettbygget Spitfire, Mosquito, Messerschmitt, Focke Wulf eller Mustang var selvsagt av største betydning. Derfor.
