Cântărind în Bilanț de lucru - Revista Engine Builder
Unii constructori de motoare cunoscuți au exprimat că o echilibrare adecvată poate adăuga 20 de cai putere unui motor.
Fie că construiți un motor de stoc, un motor cu performanțe ridicate sau un motor diesel cu rotație lentă, nu puteți trece cu vederea importanța echilibrului. De fiecare dată când pistoanele unui motor alternativ cu ardere internă schimbă direcția, ele generează o forță. Această forță este creată de masa alternativă și rotativă a ansamblului piston și tijă. Dacă această forță nu este echilibrată de o forță egală și opusă, va crea o vibrație.
Într-un motor cu turație redusă, puțină vibrație poate părea greu de observat. Dar pe parcursul a numeroase mile și milioane de cicluri, chiar și o vibrație mică poate afecta taxarea arborelui cotit și a rulmenților.
Într-un motor cu turații mari, orice dezechilibru se înmulțește exponențial pe măsură ce RPM-urile cresc. Un mic dezechilibru la 1000 RPM devine un dezechilibru imens la 8.000 RPM. Un dezechilibru de doar câteva uncii poate genera o forță de peste 200 lbs. la 8.000 RPM! Este o mulțime de agitare și stres la capătul inferior al motorului.
Majorității șoferilor de mașini de curse nu le pasă atât de mult de NVH (Noise Vibration Harshness), dar le place să termine cursele. Un motor cu un dezechilibru sever poate literalmente să se scuture de moarte. Forțele generate de dezechilibru pot provoca fisuri de oboseală în arborele cotit și frecare la rulmenți. Deci, dacă ceva se rupe ca urmare a forțelor dezechilibrate din interiorul motorului, cursa s-a încheiat pentru nefericitul nostru concurent.
Proprietarilor de autoturisme și camioane ușoare le pasă de NVH și doresc, de asemenea, ca motorul lor să reziste cât mai multe mile posibil. Un motor care nu este echilibrat în mod corespunzător poate produce vibrații și armonici enervante care pot fi resimțite în întreaga transmisie și șasiu. Și chiar dacă motorul nu poate fi împins niciodată atât de tare, forțele generate de dezechilibru vor scurta, în timp, durata de viață a motorului și a altor componente ale trenului de rulare (inclusiv suporturile motorului).
Cu motoarele diesel cu rotire lentă, echilibrul poate să nu pară atât de important. Dar majoritatea motoarelor diesel sunt motoare care lucrează din greu, astfel încât chiar și un mic dezechilibru pe o perioadă lungă de timp poate scurta durata de viață a arborelui cotit și a rulmenților. Șoferii de camioane de peste drum apreciază, de asemenea, un motor diesel cu funcționare lină, cu NVH minim.
Echilibrul nu numai că reduce NVH-ul pentru un motor cu funcționare mai lină, ci și îmbunătățește fiabilitatea și durabilitatea motorului prin minimizarea forțelor din interiorul motorului care ar putea dăuna acestuia.
Minimizarea problemelor de echilibru
Ideea de bază din spatele echilibrării motorului este de a egaliza forțele reciproce cât mai mult posibil și de a vă asigura că toată masa rotativă (arborele cotit și jumătatea inferioară a bielelor) sunt în echilibru, astfel încât manivela se rotește ușor în jurul axei sale centrale.
Când un obiect rotativ, cum ar fi arborele cotit, volanta sau anvelopa este dezechilibrat, se clatină deoarece centrul său de masă nu se aliniază cu axa sa de rotație. Punctul greu dorește să scoată obiectul descentrat în timp ce se rotește.
Forța centripetă generată de dezechilibru se înmulțește exponențial cu viteza de rotație (dublarea vitezei cvadruplează forța), creând o mișcare sau vibrație.
Echilibrarea unui obiect care se rotește necesită plasarea acestuia într-un echilibru de rotație, astfel încât punctul greu să poată fi identificat. În cazul unei echilibrări a anvelopelor, o greutate egală cu dezechilibrul este apoi atașată la janta roții opusă punctului greu pentru a egaliza forțele.
Cu un arborele cotit sau cu un volant, este mult mai ușor să ușurezi pata grea decât să adaugi greutate, astfel încât echilibrorul identifică pata grea, astfel încât o gaură sau găuri pot fi găurite în componentă pentru a reduce dezechilibrul. De obicei este nevoie de mai multe rotiri și corecții înainte de a se realiza echilibrul.
Partea cu adevărat dificilă este echilibrarea forțelor reciproce din interiorul unui motor V6 sau V8. Spre deosebire de forțele rotative care se învârt în jurul unei axe de rotație, forțele cu mișcare alternativă se mișcă înainte și înapoi.
Într-un motor cu un singur cilindru, nu există nimic care să contracareze aceste forțe decât contragreutatea de pe arborele cotit.
Dacă masa contragreutății este egală cu greutatea jumătății superioare a tijei, pistonului, știftului și inelelor, forțele vor fi echilibrate și motorul va funcționa fără probleme.
Dacă nu, motorul va tremura.
Echilibrul dintre arborele cotit și componentele sale conexe este esențial pentru asigurarea unei centrale electrice netede și fără probleme.
Echilibrarea diferitelor tipuri de motoare
Cu un motor cu patru cilindri opus orizontal, doi pistoane se deplasează întotdeauna când doi pistoane se deplasează afară.
În consecință, forțele, egale și opuse, sunt în esență echilibrate cu condiția ca greutățile fiecărui ansamblu de piston și tijă să fie egale. Echilibrarea acestor tipuri de motoare este destul de simplă, deoarece tot ce trebuie să faceți este să egalizați greutățile ansamblurilor piston și tijă.
Cu un motor cu patru cilindri în linie, doi pistoane se deplasează în sus, în timp ce doi pistoane se deplasează în jos. Mișcările pistoanelor se compensează, dar pentru că nu sunt opuse orizontal, arborele cotit are nevoie de contragreutăți pentru a compensa forțele alternative.
Lucrurile devin mult mai complicate atunci când începem să vorbim despre motoarele V6 și V8, deoarece o bancă de pistoane se mișcă într-un unghi față de cealaltă bancă de pistoane.
Acest lucru creează interacțiuni de forță care trebuie compensate prin contragreutăți poziționate cu atenție pe arborele cotit.
Într-un motor V6 sau V8 de 90 de grade, masa contragreutăților trebuie să fie egală cu 100% din masa rotativă (jumătatea inferioară a bielelor și rulmenților tijei), plus 50% din masa alternativă (jumătatea superioară a tijei, piston, știft și inele) de două ori (deoarece fiecare jurnal al tijei are două biele și pistoane).
Câteva grame suplimentare trebuie adăugate, de asemenea, pentru a compensa uleiul din lagăre și pentru a se agăța de piese. Masa totală cu care ajungeți este aceea pe care trebuie să o egaleze contragreutățile pentru a echilibra motorul.