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So wählen Sie Ventilfedern für Ihren Rennwagen aus

Apr 28, 2023

Man könnte sagen, dass Ventilfedern die heimlichen Helden der Pferdestärke sind. Ventilfedern haben die entscheidende Aufgabe, den Ventiltrieb zu steuern und arbeiten in einer rauen Umgebung. Sie durchlaufen schnelle Zyklen und sind gleichzeitig großer Kraft, Reibung und Hitze ausgesetzt. Es versteht sich von selbst, dass Hochleistungs-Ventilfedern in jedem Renneinsatz ein Muss sind, und die Auswahl der richtigen Spulen kann den Unterschied zwischen der Bereitstellung zuverlässiger Leistung und der Nichterreichung der Ziellinie ausmachen.

„Ventilfedern sind nur eine Komponente des Ventiltriebsystems“, sagte Chris Osborn, Produktentwicklungsmanager bei PAC Racing Springs. „Die Federn sorgen für die Kraft, um das Ventil beim Öffnen des Ventils, beim Spitzenhub und beim Schließen des Einlass- und Auslasszyklus in Kontakt mit den Gegenkomponenten zu halten. Die Feder muss diese Kraft mit einer Geschwindigkeit von fast 100 Mal pro Sekunde aufrechterhalten.“ , ohne Last zu verlieren oder einen Lauf nach dem anderen auszufallen. Oftmals werden die Motordrehzahlen durch die Fähigkeit der Federn begrenzt, diese Kraft aufrechtzuerhalten, sodass sie zu einer äußerst kritischen Komponente jedes Motors werden.“

Es gibt einige Faktoren, die es für Drag-Racer erforderlich machen, hochwertige Ventilfedern zu verwenden. Erhöhte Drehzahlen, Nockenwellen mit hohem Hub und erhöhte Haltbarkeit sind nur einige Gründe. Es gibt auch viele Variationen von Ventilfedern, daher ist es wichtig, die besten Spulen für Ihre Anwendung auszuwählen.

Pro-Stock-Fahrzeuge verwenden Nockenwellen mit einem Hub von mehr als 1 Zoll. Dadurch treten Ventilfedern auf, die nach jedem Durchgang überprüft werden müssen.

Übliche Federformen sind zylindrisch, bienenstockförmig und konisch. Darüber hinaus finden Sie in einigen Anwendungen Doppel- und Dreifachfedern, und es gibt einige gängige Federmaterialien sowie Drähte unterschiedlicher Größe und Form.

„Ventilfedern sind extrem hochbelastete Bauteile, wenn nicht sogar die am höchsten beanspruchten im gesamten Motor“, fügte Osborn hinzu. „Sie benötigen spezielle Legierungen und Herstellungsmethoden, um dem Hub und der Drehzahl, denen sie ausgesetzt sind, standzuhalten. Fast alle Hochleistungsventilfedern werden aus Chrom-Silizium-Stahllegierungen hergestellt, die in der Materialnorm ASTM A877 spezifiziert sind. Das Ventil- Federdraht durchläuft umfangreiche Inspektionen und Kontrollen, um die Sauberkeit im Stahl zu gewährleisten und eine hohe Duktilität bei hoher Zugfestigkeit aufrechtzuerhalten. Diese Legierungen enthalten unterschiedliche Mengen an Silizium, Vanadium, Nickel, Molybdän und Kohlenstoff, die unterschiedliche Leistungsniveaus bei der Zugfestigkeit bieten Festigkeiten über 300 ksi. PAC Racing Springs hat eine eigene Legierung entwickelt, die es schon seit Jahren gibt und die als „PACaloy“ bekannt ist. Dabei handelt es sich um ein spezielles Federmaterial für die Rennsportindustrie, das die Legierungen mit den mechanischen Eigenschaften optimiert, um eine außergewöhnliche Ermüdungslebensdauer bei minimalem Lastverlust zu gewährleisten.“

Er fuhr fort: „Das geringe Gewicht von Titan eignet sich hervorragend für Ventiltriebteile, aber die schnelle Entwicklung der Chrom-Silizium-Stahllegierungen im letzten Jahrzehnt hat zu einem starken Rückgang seiner Verwendung geführt. Titan ist teuer, hat eine begrenzte Lebensdauer und ist doppelt so hoch.“ -Federdesigns, die PAC Racing im letzten Jahrzehnt entwickelt hat, können mit dem Gewichtsvorteil von Titan mit einer längeren Lebensdauer und einem wesentlich günstigeren Kosten-/Laufzeitfaktor konkurrieren.“

Die Auswahl der richtigen Federn kann eine entmutigende Aufgabe sein. Die Auswahl der Federn wird häufig durch die Nockenwellenkonfiguration, Klassenregeln, das Budget und den physischen Platz im Zylinderkopf (wenn eine Bearbeitung nicht zulässig ist) bestimmt. „Der erste Schritt besteht normalerweise darin, die erforderlichen Kräfte mit dem Nockenkonstrukteur zu besprechen“, sagte Jeff Villemure, Ingenieur bei Performance Springs, Inc. „Sie werden die Beschleunigung der Nockenerhebung, die maximale Motordrehzahl und das Gewicht des Ventiltriebs berücksichtigen.“ . Ein paar Berechnungen fließen in die Bestimmung der Kräfte ein, die zur Steuerung des Ventiltriebs erforderlich sind, aber viel hat mit der Geschichte und Erfahrung zu tun. Berücksichtigen Sie auch die Größe des Zylinderkopfpakets (und des Halters), um eine Feder zu bestimmen, die am besten passt.“

Osborn fügte hinzu: „Die Federauswahl ist kein einfacher Prozess. Sie müssen zunächst wissen, welche Federgröße Sie in den Zylinderkopf einbauen können, welche Einbauhöhe und welchen Ventilhub Sie haben. Die Bestimmung der Last und Rate sind schwieriger zu beantwortende Fragen. Newtons Das zweite Bewegungsgesetz, F=MA, kommt ins Spiel, da F die Federkraft, M die Masse der Komponenten (Ventile, Halter, Kipphebel, Stößelstangen usw.) und A die Nocken-/Ventilbeschleunigung bei einem gegebenen Wert ist Motordrehzahl. Der beste Ausgangspunkt zur Bestimmung der Federlasten sind Nockenwellenlieferanten, Federlieferanten oder Motorenbauer, die Erfahrung mit allen Komponenten haben, die in einem bestimmten Motor enthalten sind. Unternehmen wie PAC Racing Springs verfügen über hochentwickelte Software, Spintron-Testgeräte, und die Erfahrung, um die optimale Federauswahl zu ermitteln.“

Jack McInnis von Erson Cams erklärte: „Bei der Auswahl des optimalen Ventilfeder-Setups für Ihren Motor spielen eine Reihe von Faktoren eine Rolle. Die Art der Nockenwelle und der Stößel (hydraulisch oder mechanisch), die Aggressivität des Nockenprofils, das Gewicht von Die Ventile und Komponenten des Ventiltriebs, das Kipphebelverhältnis und der Drehzahlbereich sind entscheidende Faktoren. Manchmal spielen auch andere Überlegungen eine Rolle, beispielsweise die Art der Zylinderköpfe. Modulare Fords haben beispielsweise nur begrenzten Spielraum für höher dimensionierte Federn Wenn Sie den Hersteller um eine Empfehlung bitten, sollten Sie alle diese Informationen zur Hand haben. Letztendlich sind Sie auf der Suche nach der Feder, die die Ventilbewegung in Ihrer speziellen Anwendung mit den zugehörigen Komponenten, die Sie verwenden werden, am besten steuert.“

Viele Rennfahrer sind auf Bienenstockfedern umgestiegen. „Beehive-Federn gibt es schon seit sehr langer Zeit (Wright Brothers Engine, 1903) und viele OEM-Unternehmen verwenden sie in aktuellen Motoren“, sagte Osborn. „Jedes Mal, wenn die Masse der Ventilseite des Ventiltriebs geringer ist, verfügt der Motor über eine bessere Ventilsteuerung und Drehzahlfähigkeit. Die Bienenstockfeder ermöglicht dies, indem sie es ermöglicht, dass der Halter kleiner und mit weniger Masse ausgestattet ist. Die Feder hat auch eine geringere Masse bei der Bewegung.“ Ende. Die Bienenstockfeder kombiniert im Wesentlichen zwei Federn in einer. Die konische Spitze mit der geraden Feder bietet zwei verschiedene Federraten, und das kann auch die Fähigkeit verbessern, das Ventil bei hoher Geschwindigkeit zu steuern. Die meisten Bienenstockfedern, die PAC Racing Springs herstellt, verwenden Multiarc oder ovaler Draht, der die Verwendung von mehr Windungen an der Unterseite der Feder ermöglicht, um die Dämpfung und Kontrolle mit der Feder weiter zu verbessern.

„Beehive-Federn bieten viele der oben beschriebenen großen Vorteile. Sie sind jedoch immer noch nur eine einzelne Feder und können nur so viel Kraft bereitstellen, bis die Belastungen zu groß werden und eine Doppelfeder erforderlich ist. Beehive-Federn eignen sich hervorragend für die meisten Motoren mit Nockenwellen 0,600–0,650 Zoll Hub mit relativ leichten Ventilen und moderaten Nockenprofilen. PAC Racing Springs verfügt über Bienenstockfedern, die höhere Hübe bewältigen können, aber „sanfte“ Nockenhübe sind erforderlich, um übermäßige Belastung zu vermeiden.“

McInnis fügte hinzu: „Die konische Form einer Bienenstockfeder reduziert die Gesamtgröße und, was noch wichtiger ist, das Gewicht des Halters. Durch die Gewichtsreduzierung der Ventiltriebkomponenten können die Ventilfedern ihre Arbeit mit geringerem Federdruck erledigen, was wiederum zu einer Reduzierung führt.“ Belastung des gesamten Ventiltriebs. Der verringerte Durchmesser an der Oberseite einer Bienenstockfeder sorgt auch für einen größeren Abstand zwischen Feder und Kipphebel. Rennfahrer könnten die Verwendung von Bienenstockfedern für viele hydraulische Stößelanwendungen in Betracht ziehen. Das geringere Gewicht des Halters ist bei hydraulischen Stößeln wichtiger, weil Der Federdruck muss begrenzt werden, damit die Stößel funktionieren und überleben. Bei festen/mechanischen Stößeln können Sie den Federdruck deutlich erhöhen, um die Ventilbewegung zu steuern. Bei festen Stößeln ist es ratsam, immer auf die höhere statt auf die niedrigere zu setzen Federdrücke.“

Ventilschwimmen ist ein großes Problem und kann ein echter Motorkiller sein. „Der Begriff ‚Ventilschwimmen‘ ist jedoch irreführend, da allgemein davon ausgegangen wird, dass die Ventilbewegung bei Spitzenhub das übersteigt, was der Nocken/Kipphebel leisten kann“, sagte Osborn. „Dies wird allgemein als Ventil-Loft bezeichnet. Tatsächlich kann das Anheben des Ventils dabei helfen, Strom zu erzeugen, wenn es an der richtigen Stelle sitzt. Zu viel Loft an den falschen Stellen kann dazu führen, dass sich die Ventile verbiegen, wenn sie mit den Kolben in Kontakt kommen. Was noch schädlicher ist, ist der Zeitpunkt.“ Das Ventil schließt mit einer so hohen Geschwindigkeit, dass das Ventil vom Sitz abprallt. Dies wird als Ventilprellen bezeichnet (siehe Ventilbewegungstabelle). Ein hohes Maß an Ventilprellen führt zu einer katastrophalen Beschädigung des Ventiltriebs durch gebrochene Ventile, Kipphebel und Nocken , und Federn. Ventilprellen ist das, was man hört, wenn der Motor zu hoch läuft und es sich anhört, als würde alles auseinanderfallen. Dies macht sich besonders auf einem Spintron-Prüfstand bemerkbar. All dies wird durch die Auswahl passender Ventiltriebkomponenten korrigiert, insbesondere die Ventilfedern.

Er fuhr fort: „Ventilprellen verschlechtert die Motorleistung mit Einbrüchen in der Leistungskurve, die bei einer Testsitzung auf dem Prüfstand beobachtet werden können. Dann muss man sich fragen: Ändert sich das Ventilspiel? Übermäßiges Ventilprellen erzeugt hohe Belastungen im System und kann dazu führen.“ Dies kann zu Spielveränderungen aufgrund von Ventildehnung oder Ventilsitzeinschlag führen. Wenn Sie versuchen, eine Feder abzunehmen, und sich die Halterung und die Verriegelung nur sehr schwer demontieren lassen, kann dies passieren. Und im schlimmsten Fall springen die Ventilspitzen Einige der Federn können abbrechen. Manchmal kann die Steuerung des Ventiltriebs verbessert werden, indem man die Feder so anpasst, dass sie näher an der Spulenbindung verläuft, solange die Empfehlungen für die Bindungshöhe nicht überschritten werden.

McInnis fügte hinzu: „Indikatoren für Ventilschwimmen sind, wenn ein Motor im oberen Drehzahlbereich platt wird oder nicht mehr beschleunigt. Manchmal scheint es zu Fehlzündungen bei hohen Drehzahlen zu kommen. Auch Kohlenstoffrückstände aus der Umkehrung im Ansaugkrümmer sind im Allgemeinen ein Hinweis darauf.“ Andauernde Probleme, wie Sie sie nach dem Explodieren des Motors bemerken. Weitere Anzeichen für Spiel können beim Einstellen des Ventilspiels sein, wenn man feststellt, dass sich eine Kipprolle um die Außenkanten des Ventils bewegt. Außerdem kann es sein, dass sich das Ventilspiel aufgrund der Ventildehnung verengt durch Stöße auf den Sitz. Einige Titanventile können durch die Sitzmaterialien erodieren, insbesondere durch duktile Sitze oder Sitze aus Pulvermetall.

Neben der Vermeidung von Ventilschwimmen ist es wichtig, ein Spulenklemmen zu verhindern. „Federn sollten in einer Prüfstation oder sehr vorsichtig in einem Schraubstock zusammengedrückt werden, um die genaue Höhe zu bestimmen, in der sich alle Windungen berühren und sie fest werden“, sagte Osborn. „Es ist in Ordnung, eine hochwertige Feder zu nehmen und sie vollständig zu komprimieren. Alle Ventilfedern von PAC Racing werden während des Herstellungs- und Inspektionsprozesses mehrmals vollständig komprimiert.“

„Dies muss mit einem Halter erfolgen, der die innere Feder zusammendrückt, da sie sonst vor einer äußeren Feder fest werden kann. Dieser Wert für die Spulenbindungshöhe wird aufgezeichnet. Dieser wird mit der installierten Höhe und dem Ventilhub verglichen, die an einem gemessen werden.“ Motor. Der Unterschied ist die Zahl des Spulenbindungsspiels. Diese Zahl muss eindeutig zeigen, dass Spiel vorhanden ist. Dieses Spiel kann mit Unterlegscheiben, Halterungen, Sperren oder Federauswahl geändert werden, um den Ventiltrieb auf optimale Leistung abzustimmen.“

McInnis sagte: „Überprüfen Sie beim Einbau von Ventilfedern jede Feder einzeln auf die korrekte Einbauhöhe. Die Toleranzen können bis zu 0,050–0,060 betragen, was ausreichen kann, um bei einer einzelnen Feder ein Spulenklemmen zu verursachen, während andere in Ordnung sind.“

Performance Springs Inc. verfügt über einen benutzerfreundlichen Online-Rechner (psisprings.com), mit dem Sie bei jeder Teilenummer überprüfen können, ob die vorgesehenen Ventilhübe und Einbauhöhen zu Spulenklemmen führen. „Einige Motorenhersteller berücksichtigen in ihren Berechnungen die Durchbiegung des Ventiltriebs, sie sollten sich jedoch darüber im Klaren sein, dass die Durchbiegung des Ventiltriebs bei hohen Geschwindigkeiten nachlassen kann. PSI prüft jede Feder auf Belastung und Spulenklemmung. Die angegebene Spulenklemmung ist das Maximum, das ausgeliefert wird.“

„Bei der Prüfung der Federn geht es darum, den Ventildeckel abzuziehen, die Federn und alles im Bereich des Ventiltriebs zu untersuchen, um festzustellen, ob lose oder gebrochene Teile, Federn, Federspitzen usw. auffallen“, erklärt Osborn. „Idealerweise werden die Federkräfte mit einem auf dem Kopf montierten Ventilfederkraftprüfgerät gemessen. Diese Belastungen sollten aufgezeichnet werden, nachdem der Motor eingelaufen ist, und dann regelmäßig überprüft werden. Diese Belastungen korrelieren möglicherweise nicht genau mit einem Prüfstandprüfgerät, aber das stimmt.“ Geben Sie ein Maß an, das von Lauf zu Lauf verglichen werden kann. Ihr Rennniveau bestimmt, wie oft die Federn überprüft werden. Pro-Stock-Motoren, die mehr als 10.000 U/min mit einem Hub von 1.200 Zoll laufen, werden nach jedem Durchgang überprüft, während ein Bracket-Rennmotor mit 7.500 U/min arbeitet Die Drehzahlbegrenzung und der 0,800-Zoll-Hub-Nocken müssen möglicherweise nur einmal im Jahr überprüft werden. Erforderlich ist ein ordnungsgemäßer Wartungsplan, der auf dem Niveau des Rennsports basiert. Auch hier können Nockenhersteller, Federhersteller oder Motorenbauer bei der Festlegung der Prüfhäufigkeit behilflich sein basierend auf Ihrem Rennniveau.

Villemure fügte hinzu: „Wie oft Sie die Federn überprüfen, hängt davon ab, wie lange die Federn voraussichtlich halten werden. Profi-Stock-Rennfahrer überprüfen sie jede Runde, aber sie gehen nicht davon aus, dass die Federn länger als vier bis acht Durchgänge halten. Federn, die bei einigen Sportsman verwendet werden.“ Motoren können Hunderte von Durchläufen überstehen, weshalb Rennfahrer sie in der Regel nach einem ganzen Wochenende oder länger inspizieren. Wenn ein Rennfahrer das Spiel überprüft oder aus irgendeinem Grund die Ventildeckel abgenommen hat, wäre es ratsam, einen Blick auf die Federn zu werfen und sie mit einem „Test“ zu prüfen. On-Head-Tester.

Schließlich sollte jeder Rennfahrer über ein Werkzeug zur Überprüfung der Ventilfederspannung verfügen. „Ein On-Head-Tester eignet sich hervorragend für schnelle Lastmessungen, um sicherzustellen, dass die Federn ihre installierte Last beibehalten“, sagte Villemure. „Für die Ersteinrichtung ist auch ein am Zylinderkopf montiertes Höhenmessgerät wichtig.“ McInnis empfiehlt eine Art Federdruckmessgerät. Dabei handelt es sich um ein Basiswerkzeug, das aufgrund der Schwenklänge des Kipphebels, der Stößelstange usw. niemals den genauen Federdruck anzeigt. Außerdem sollten Sie eine Möglichkeit haben, die Federn am zusammengebauten Motor sowie Fühlerlehren zu wechseln. eine Taschenlampe, um nach gebrochenen Innenfedern zu suchen, und Werkzeuge zum Einstellen des Spiels.

Osborn stimmt zu, dass ein auf dem Kopf montierter Federlasttester verwendet werden sollte, um festzustellen, ob ein Lastverlust auftritt. Er erwähnte auch, dass Fühlerlehren verwendet werden können, um festzustellen, ob sich die Wimpern verändern. Dadurch wird sichergestellt, dass der Ventiltrieb (einschließlich Federn) einwandfrei funktioniert. Schauen Sie sich die Federn mit einer Taschenlampe rundherum an und schauen Sie mit einem Magneten nach, ob sich am oberen Ende des Motors Federspitzen oder Metall befinden. Außerdem empfiehlt er die Verwendung eines Logbuchs, um die Anzahl der Federläufe und Federbelastungen aufzuzeichnen.

Tun: Seien Sie vorsichtig beim Umgang mit Federn. Sie gehören zu den am stärksten beanspruchten Bauteilen eines Motors und sollten mit Vorsicht behandelt werden.

Nicht: Spannen Sie eine Feder in einen Schraubstock, um sie am Außendurchmesser der Feder festzuhalten. Das Komprimieren der Seiten führt zu einem Fehler.

Tun: Überprüfen Sie, ob die Federn in die Zylinderkopftasche passen. Störungen können zu Ausfällen führen.

Nicht: Lass die Federn rosten. Die Rostgruben schaffen Fehlerquellen.

Tun: Überprüfen Sie, ob die Federhalter zu den Federn passen. Zu viel Interferenz kann zum Bruch der Endspulen führen.

Nicht: Modifizieren Sie die Federn, indem Sie die Enden schleifen. Wenden Sie sich an Ihren Federlieferanten, wenn Sie dies für erforderlich halten.

Tun:Überprüfen Sie, ob der Ventilfederhalter den Kipphebel und die Ventilschaftdichtung für den vollen Hub freigibt.

Tun: Lagern Sie Ventilfedern in einer Umgebung mit niedriger Luftfeuchtigkeit und fern von verschüttetem Wasser oder Chemikalien. Betreiben Sie keine Federn, die Anzeichen von Korrosion aufweisen. Dies ist einer der häufigsten Gründe für vorzeitige Federbrüche.

Nicht: Federn mit zu großem Spiel einbauen. Entscheiden Sie sich für mehr Druck, außer bei hydraulischen oder flachen Stößeln. Stellen Sie sicher, dass ausreichend Öl zur Kühlung der Federn vorhanden ist. Im Falle einer Übertemperatur/Überhitzung sollten Sie vor Ihrem nächsten Ausflug immer die Federn überprüfen. Überhitzung kann den Federdruck nachhaltig beeinträchtigen.

Erson Cams/ 800.641.7920 / PBM-Erson.com

PAC Racing Federn/ 877.799.9417 / RacingSprings.com

Performance Springs, Inc./ 248.486.3372 / PSISprings.com

Pro-Stock-Fahrzeuge verwenden Nockenwellen mit einem Hub von mehr als 1 Zoll. Dadurch treten Ventilfedern auf, die nach jedem Durchgang überprüft werden müssen. Do: Don't: Do: Don't: Do: Don't: Do: Do: Don't: QUELLEN Erson Cams PAC Racing Springs Performance Springs, Inc.