レースカー用のバルブスプリングの選び方

バルブスプリングは馬力の縁の下の力持ちとも言えます。 バルブ スプリングは、バルブ トレインを制御するという重要な役割を担っており、過酷な環境で動作します。 大きな力、摩擦、熱を受けながら急速に回転します。 言うまでもなく、あらゆるレース用途では高性能バルブ スプリングが必須であり、適切なコイルを選択することが、信頼性の高い馬力を発揮できるか、それともゴールラインに到達できないかの違いとなります。

「バルブ スプリングはバルブトレイン システムのコンポーネントの 1 つにすぎません」と PAC レーシング スプリングスの製品エンジニアリング マネージャー、クリス オズボーン氏は述べています。 「スプリングは、バルブの開放時、ピークリフト時、および吸気サイクルと排気サイクルの閉鎖イベント中に、バルブを相手コンポーネントと接触状態に保つ力を提供します。スプリングは、その力を 1 秒間にほぼ 100 回の速度で維持する必要があります」負荷を失ったり、何度も故障したりすることはありません。多くの場合、エンジン速度はスプリングがこの力を維持する能力によって制限されるため、スプリングはあらゆるエンジンにとって非常に重要なコンポーネントになります。」

ドラッグレーサーが高品質のバルブスプリングを使用するためには、いくつかの要因があります。 回転数の増加、カムシャフトのハイリフト化、耐久性の向上などは理由のほんの一部です。 バルブスプリングにも多くのバリエーションがあるため、用途に応じて最適なコイルを選択することが重要です。

プロストック車は、1 インチを超えるリフトを持つカムシャフトを使用します。 これにより、バルブ スプリングに多大な負担がかかり、パスごとにチェックされるようになります。

一般的なバネの形状は、円筒形、蜂の巣形、円錐形です。 さらに、用途によってはデュアル スプリングやトリプル スプリングが使用されており、一般的なスプリング材料や異なるサイズや形状のワイヤもいくつかあります。

「バルブスプリングは、エンジン全体で最も高い応力がかかるわけではないにしても、非常に高い応力がかかる部品です」とオズボーン氏は付け加えた。 「バルブスプリングは、受けるリフトと回転数に耐えられるように、特定の合金と製造方法を使用する必要があります。ほとんどすべての高性能バルブスプリングは、材料規格 ASTM A877 で指定されているクロム - シリコン鋼合金から製造されています。スプリング ワイヤーは、鋼内の清浄度を維持し、高引張強度で高い延性を維持するために広範なレベルの検査と制御を経ています。これらの合金には、さまざまな量のシリコン、バナジウム、ニッケル、モリブデン、炭素が含まれており、引張に対してさまざまなレベルの性能を提供します。 PAC Racing Springs は、長年にわたり「PACaloy」として知られる独自の合金を開発しました。 これは、機械的特性を備えた合金を最適化し、荷重損失を最小限に抑えながら優れた疲労寿命を実現する、レース業界向けの特別なスプリング素材です。」

同氏は続けて、「チタンの軽量性はバルブトレイン部品にとって優れているが、過去10年間のクロムシリコン鋼合金の急速な発展により、チタンの使用は大幅に減少している。チタンは高価であり、寿命が限られているため、 PACレーシングが過去10年間に先駆けて開発したスプリング設計は、チタンの重量利点に匹敵し、優れた寿命を持ち、コスト/稼働率がはるかに有利です。」

適切なスプリングを選択するのは困難な作業です。 スプリングの選択は、多くの場合、カムシャフトの構成、クラスの規則、予算、およびシリンダー ヘッドの物理的なスペース (機械加工が許可されていない場合) によって決まります。 「最初のステップは通常、必要な力についてカム設計者と話し合うことです」とパフォーマンス スプリングス社のエンジニア、ジェフ ヴィルミュール氏は語ります。「彼らはカム ローブの加速度、エンジンの最大回転数、バルブトレインの重量を考慮します。」バルブトレインを制御するために必要な力を決定するにはいくつかの計算が必要ですが、多くは歴史と経験に関係しています。また、最適なスプリングを決定するには、シリンダーヘッドのパッケージサイズ (およびリテーナー) も考慮してください。」

オズボーン氏はさらに、「スプリングの選択は単純なプロセスではありません。シリンダーヘッドに適合するスプリングのサイズ、取り付け高さ、バルブリフトを知ることから始めなければなりません。荷重とレートを決定することは、答えるのが難しい質問です。ニュートンのF がバネ力、M がコンポーネント (バルブ、リテーナ、ロッカー、プッシュロッドなど) の質量、A が所定のカム/バルブ加速度であるため、運動の第 2 法則 F=MA が作用します。スプリング荷重を決定するための最良の出発点は、特定のエンジンに組み込まれるすべてのコンポーネントの経験を持つカム サプライヤー、スプリング サプライヤー、またはエンジン ビルダーに問い合わせることです。PAC Racing Springs のような企業は、洗練されたソフトウェア、スピントロン テスト装置、最適なスプリングの選択を決定するのに役立つ経験。」

Erson Cams の Jack McInnis 氏は、「エンジンに最適なバルブ スプリング セットアップを選択するには、多くの要素が関係します。カムシャフトとリフターの種類 (油圧式または機械式)、カム プロファイルの積極性、エンジンの重量などです。」バルブ、バルブトレインのコンポーネント、ロッカー アーム比、および rpm 範囲が決定要因となります。場合によっては、シリンダー ヘッドのタイプなど、他の考慮事項も存在します。たとえば、モジュラー フォードでは、強化されたスプリングのためのクリアランスが限られています「この情報をすべて手元に用意しておくと、メーカーに問い合わせて推奨事項を尋ねるときに非常に役立ちます。最終的には、使用する関連コンポーネントを含む特定の用途でバルブの動きを最適に制御するスプリングを探すことになります。」

多くのレーサーがハチの巣スプリングに切り替えています。 「蜂の巣スプリングは非常に長い間存在しており (ライト兄弟エンジン、1903 年)、多くの OEM 企業が現在のエンジンに蜂の巣スプリングを使用しています」とオズボーン氏は述べています。 「バルブトレインのバルブ側の質量が軽いと、エンジンのバルブ制御と回転数能力が向上します。ハチの巣スプリングは、リテーナーをより小さくしてより小さくすることを可能にすることでこれを実現します。また、スプリングは可動部の質量も軽減します」ビーハイブ スプリングは基本的に 2 つのスプリングを 1 つに組み合わせたものです。ストレート スプリングを備えた円錐形のトップは 2 つの異なるスプリング レートを提供し、高速でのバルブ制御能力も向上します。PAC レーシング スプリングが製造するほとんどのビーハイブ スプリングはマルチアークを利用しています。または、スプリングの底部により多くのコイルを使用して、スプリングによるダンピングとコントロールをさらに強化できる卵形ワイヤーを使用します。

「蜂の巣スプリングは、上で説明した多くの優れた利点を提供します。しかし、蜂の巣スプリングはまだ単一のスプリングにすぎず、応力が大きくなりすぎて二重のスプリングが必要になる前に、限られた力しか提供できません。蜂の巣スプリングは、カムを備えたほとんどのエンジンに最適です。」比較的軽量のバルブと適度なカムプロファイルを備えた 0.600 ～ 0.650 インチのリフト。PAC レーシング スプリングには、より高いリフトに対応できる蜂の巣スプリングが備わっていますが、過剰な応力を避けるために「スムーズな」カムリフトが必要です。」

マッキニス氏はさらに、「蜂の巣スプリングの円錐形により、全体のサイズが軽減され、さらに重要なことに、リテーナの重量が軽減されます。バルブトレインのコンポーネントの重量が軽減されるということは、バルブスプリングがより低いスプリング圧力でその役割を果たせることを意味し、その結果、スプリング圧力も減少します」と付け加えた。バルブトレイン全体にかかる応力. ビーハイブ スプリングの上部の直径が小さくなったことで、スプリングとロッカー アーム間のクリアランスも大きくなりました. レーサーは、多くの油圧リフター用途にビーハイブ スプリングの使用を検討することができます. 油圧リフターでは、リテーナーの軽量化がより重要です。リフターが機能し存続するには、スプリング圧力を制限する必要があります。固体/機械式リフターを使用すると、バルブの動きを制御するためにスプリング圧力を大幅に増やすことができます。固体リフターの場合は、常に低い方よりも高い方を選択することをお勧めします。スプリングの圧力です。」

バルブフロートは大きな問題であり、真のエンジンキラーとなる可能性があります。 「ただし、『バルブフロート』という用語は誤解を招きます。一般に、ピークリフト時のバルブの動きがカム/ロッカーが提供できるレベルを超えた場合と考えられているからです」とオズボーン氏は述べた。 「これは、一般的にバルブ ロフトと呼ばれるものです。実際、バルブが適切な位置にある場合、バルブをロフトすることでパワーを生み出すことができます。間違った領域でロフトが大きすぎると、バルブがピストンに接触したときにバルブが曲がってしまう可能性があります。さらに有害なのは、次のような場合です。」バルブがシートから跳ね返るほどの高速でバルブが閉じます。これはバルブ バウンスと呼ばれます (バルブ動作チャートを参照)。高レベルのバルブ バウンスは、バルブ、ロッカー、カムの破損によりバルブトレインに壊滅的な損傷を与えます。 、スプリング。バルブのバウンスは、エンジンの回転数が高すぎるときに聞こえる音で、すべてがバラバラになっているように聞こえます。これはスピントロンのテスト スタンドで特に顕著です。これらすべては、バルブトレイン コンポーネントの選択、特にバルブスプリングです。」

同氏は続けて、「バルブバウンスはパワーカーブの低下によりエンジン性能を低下させ、これはダイナモテストセッションで観察される可能性がある。次に、バルブラッシュが変化しているかどうかを尋ねる必要がある。過度のバルブバウンスはシステムに高い負荷を生じさせ、バルブの伸びやバルブシートのなじみによるラッシュ変化が発生し、スプリングを外そうとしたときにリテーナやロックが分解しにくい場合にこの現象が発生している可能性があり、最悪の場合バルブバウンスが発生し、チップが外れてしまいます。場合によっては、バインド高さの推奨値を超えない限り、スプリングをシムアップしてコイル バインドに近づけることで、バルブトレインの制御を改善できる場合があります。」

マッキニス氏はさらに、「バルブフロートの兆候は、エンジンがパンクしたり、高回転域で加速が停止したりすることである。時折、高回転数での失火が発生しているように見えることもある。また、インテークマニホールド内での逆流によるカーボン残留物も、一般的にこれを示している」と付け加えた。エンジンを吹き飛ばした後に気づくような、長期にわたる問題 フロートのその他の指標としては、ラッシュを調整するときに、ロッカー ローラーがバルブの外側の端の周りを動いていることに気づくことや、バルブの伸びによってラッシュがきつくなっているのが見つかることもあります。一部のチタン製バルブは、シート素材、特に延性のあるシートや粉末金属シートによって侵食される可能性があります。」

バルブの浮きを避けるとともに、コイルのバインドを防ぐことが重要です。 「スプリングはチェックステーションで圧縮するか、ベンチバイスで慎重に圧縮して、すべてのコイルが接触して固まる正確な高さを決定する必要があります」とオズボーン氏は述べた。 「ハイエンドのスプリングをしっかりと圧縮しても大丈夫です。すべての PAC Racing のバルブ スプリングは、製造および検査の過程で数回にわたってしっかりと圧縮されます。

「これは、内側のスプリングが外側のスプリングの前に固くなる可能性があるため、内側のスプリングを圧縮するリテーナーを使用して行う必要があります。このコイルバインド高さの数値が記録されます。これは、設置高さとバルブリフトで測定されるバルブリフトと比較されます。」 」

マッキニス氏は、「バルブスプリングを取り付けるときは、各スプリングが正しく取り付けられているかどうかを個別に確認してください。公差は0.050～0.060も変動する可能性があり、他のスプリングは問題なくても、個々のスプリングでコイルバインドが発生する可能性があります。」と述べました。

Performance Springs Inc. は、意図したバルブ リフトと取り付け高さが各部品番号でコイル バインドを引き起こさないことを確認するための使いやすいオンライン計算ツール (psisprings.com) を提供しています。 「一部のエンジン製造業者はバルブトレインのたわみを計算に入れていますが、バルブトレインのたわみは高速で解放される可能性があることに注意する必要があります。PSI は各スプリングの荷重とコイルバインドを検査します。宣伝されているコイルバインドは出荷される最大値です。」

「スプリングのチェックは、バルブカバーを引っ張り、スプリングとバルブトレイン領域のすべてを調べて、部品、スプリング、スプリングチップなどの緩みや破損など、目立ったものがないかどうかを確認することから構成されます」とオズボーン氏は説明しました。 「理想的には、スプリング荷重はオンヘッドバルブスプリング荷重テスターで測定されます。これらの荷重はエンジンの慣らし運転後に記録され、定期的にチェックされる必要があります。これらの荷重はベンチテスターと正確に相関するわけではないかもしれませんが、相関関係はあります。」走行ごとに比較できる尺度を提供します。レースのレベルによって、スプリングをチェックする頻度が決まります。1.200 インチのリフトで 10,000 以上の rpm で動作するプロ ストック エンジンは、パスごとにチェックされますが、ブラケット レース エンジンは 7,500 回転です。 rpm リミットと 0.800 インチのリフト カムのチェックは年に 1 回だけでよい場合があります。レースのレベルに基づいた適切なメンテナンス スケジュールが必要です。繰り返しますが、カム会社、スプリング会社、またはエンジン ビルダーがチェック頻度の決定に役立ちます。あなたのレースのレベルに基づいて。」

ヴィルミュール氏はさらに、「スプリングをチェックする頻度は、スプリングがどのくらい持続すると予想されるかによって決まります。プロストックレーサーはラウンドごとにスプリングをチェックしますが、スプリングが4～8回のパスを超えて持続するとは考えていません。一部のスポーツマンに使用されているスプリングは、エンジンは数百回のパスに耐えることができるため、レーサーは通常、丸週末かそれ以上の後にエンジンを検査します。レーサーがラッシュをチェックしている場合、または何らかの理由でバルブカバーを外している場合は、スプリングを調べて「」でチェックすることが賢明です。オンヘッドテスター。」

最後に、すべてのレーサーはバルブ スプリングの張力をチェックするためのツールを備えている必要があります。 「オンヘッドテスターは、スプリングが設置された荷重を維持していることを確認するために、荷重を迅速に測定するのに最適です」と Villemure 氏は言います。 「シリンダーヘッド取り付け高さ測定ツールも初期セットアップには重要です。」 マッキニスは、ある種のスプリング圧力ゲージを推奨しています。これらはベースラインツールであり、ロッカーやプッシュロッドなどのピボット長により正確なスプリング圧力を読み取ることはできません。また、組み立てられたエンジンのスプリングや隙間ゲージを交換する方法もあります。内部のスプリングが壊れていないか確認するための懐中電灯と、まつげを調整するためのツール。

オズボーン氏は、荷重損失が発生しているかどうかを判断するには、オンヘッドバネ荷重試験機を使用する必要があることに同意しています。 彼はまた、まつげが変化しているかどうかを確認するために触覚ゲージを使用できるとも述べました。 これにより、バルブトレイン (スプリングを含む) が適切に機能するようになります。 そして懐中電灯を使ってスプリングの周囲を観察し、磁石を使ってエンジンの上端にスプリングの先端や金属がないか確認します。 また、ログブックを使用して、スプリング上での走行回数とスプリング荷重を記録することも推奨しています。

する：スプリングの取り扱いには注意してください。 これらはエンジン内で最もストレスがかかるコンポーネントの 1 つであるため、慎重に取り扱う必要があります。

しないでください:万力にバネを入れてバネの外径に固定します。 側面を圧迫すると故障の原因となります。

する：スプリングがシリンダーヘッドのポケットに収まっていることを確認してください。 干渉すると故障の原因となります。

しないでください:スプリングが錆びてしまいます。 錆びた穴は故障の開始点を生み出します。

する：スプリングリテイナーがスプリングに適合していることを確認してください。 干渉しすぎるとエンドコイルが破損する可能性があります。

しないでください:端を研磨してスプリングを修正します。 これが必要と思われる場合は、スプリングの供給元にお問い合わせください。

する：フルリフト時にバルブスプリングリテイナーがロッカーアームとバルブステムシールをクリアしていることを確認してください。

する：バルブ スプリングは、水や化学薬品のこぼれを避け、低湿度環境に保管してください。 腐食の兆候があるスプリングは使用しないでください。 これは、ばねの早期骨折の最も一般的な理由の 1 つです。

しないでください:過剰なクリアランスを持ってスプリングを取り付けてください。 油圧タペットまたはフラットタペットを除いて、より圧力がかかる側でエラーが発生します。 スプリングを冷却するために適切なオイルが存在していることを確認してください。 過度の温度/過熱が発生した場合は、次の外出前に必ずスプリングをチェックしてください。 過熱すると、スプリング圧力に永久的な影響が及ぶ可能性があります。

エルソン・カムズ/ 800.641.7920 / PBM-Erson.com

PAC レーシング スプリング/ 877.799.9417 / RacingSprings.com

パフォーマンススプリングス株式会社/ 248.486.3372 / PSISprings.com