Eixo de Equilíbrio NewCams

O que é um eixo de equilíbrio

Na engenharia de motores de pistão, um eixo de equilíbrio é um eixo ponderado excêntrico que compensa vibrações em projetos de motores que não são inerentemente balanceados.

Conteúdo

1.	Visão geral
2.	Aplicações de quatro cilindros
3.	Aplicações de seis cilindros
4.	Implementações de produção

1. Visão geral

Os eixos de equilíbrio são mais comuns em motores inline de quatro cilindros que, devido à assimetria de seu projeto, têm uma vibração inerente de segunda ordem (vibrando duas vezes a RPM do motor) que não pode ser eliminada, não importa o quão bem os componentes internos estão equilibrados.

Os motores planos têm seus pistões horizontalmente opostos, por isso são naturalmente equilibrados e não incorrem na complexidade extra, custo ou perda de potência associada aos eixos de equilíbrio.

Esta vibração é gerada porque o movimento das hastes de ligação num motor em linha não é simétrico ao longo da rotação do virabrequim; assim, durante um determinado período de rotação do virabrequim, os pistões descendente e ascendente nem sempre são completamente opostos em sua aceleração, dando origem a uma força inercial vertical líquida duas vezes em cada rotação cuja intensidade aumenta quadráticamente com RPM, não importa o quão próximo os componentes são pareados para o peso.

O problema aumenta com maior cilindrada do motor, uma vez que as únicas maneiras de alcançar maior cilindrada são com um curso de pistão mais longo, aumentando a diferença de aceleração, ou por um furo maior, aumentando a massa dos pistões; de qualquer forma, a magnitude da vibração inercial aumenta.

Durante muitos anos, dois litros foram vistos como o limite de cilindrada "não oficial" para um motor de quatro cilindros em linha de produção com características NVH aceitáveis.

O conceito básico por trás dos eixos de equilíbrio existe desde 1904, quando foi inventado e patenteado pelo engenheiro britânico Frederick Lanchester.

Dois eixos de equilíbrio giram em direções opostas com o dobro da velocidade do motor.

Pesos excêntricos do mesmo tamanho nestes eixos são dimensionados e faseados de modo que a reação inercial à sua contra-rotação cancele no plano horizontal, mas adiciona no plano vertical, dando uma força líquida igual a apenas 180 graus fora de fase com a vibração indesejada de segunda ordem do motor básico, cancelando-a assim.

A implementação real do conceito, no entanto, é concreta o suficiente para ser patenteada.

O problema básico apresentado pelo conceito é suportar e lubrificar adequadamente uma peça que gira a duas velocidades do motor nas RPMs mais altas, onde a vibração de segunda ordem se torna inaceitável.

Há algum debate sobre quanto potência os eixos de equilíbrio duplos custam ao motor. O valor básico dado geralmente é de cerca de 15 hp (11 kW), mas isso pode ser excessivo para perdas de atrito puro. É possível que este seja um erro de cálculo derivado do uso comum de um dinamômetro inercial, que calcula a potência da aceleração angular em vez da medição real do torque em estado estacionário. Os 15 hp (11 kW), então, incluem tanto a perda real de atrito como o aumento da inércia angular dos eixos de rotação rápida, o que não seria um fator em velocidade constante. No entanto, alguns proprietários modificam seus motores removendo os eixos de equilíbrio, tanto para recuperar parte dessa potência quanto para reduzir a complexidade e áreas potenciais de quebra para uso de alto desempenho e corrida, como é comumente (mas falsamente) acreditado que a suavidade fornecida pelos eixos de equilíbrio pode ser alcançada após sua remoção através do equilíbrio cuidadoso dos componentes recíprocos do motor.

2. Aplicações de quatro cilindros

A Mitsubishi Motors foi pioneira no design na era moderna com seus motores Astron "Silent Shaft" em 1975, com eixos de equilíbrio localizados no lado do bloco do motor e acionados por correntes da bomba de óleo, e posteriormente licenciaram a patente para Fiat, Saab e Porsche.

A Saab refina ainda mais o princípio do eixo de equilíbrio para superar vibrações laterais harmônicas (devido à mesma assimetria básica no projeto do motor, mas muito menor em magnitude) localizando os eixos de equilíbrio com simetria lateral, mas em alturas diferentes acima do virabrequim, introduzindo assim um torque que neutraliza as vibrações laterais em rotação dupla do motor, resultando no motor B234 excepcionalmente suave.

3. Aplicações de seis cilindros

Outro projeto de eixo de equilíbrio é encontrado em muitos motores V6.

Enquanto um motor V6 otimizado teria um ângulo de 60 graus entre os dois bancos de cilindros, muitos motores V6 atuais são derivados de motores V8 antigos, que têm um ângulo de 90 graus entre os dois bancos de cilindros.

Enquanto isso fornece uma ordem de disparo uniformemente espaçada em um motor de 8 cilindros, em um motor de seis cilindros isso resulta em um ritmo de inclinação, onde durante cada rotação do virabrequim três cilindros disparam em intervalos de 90 graus, seguido por uma lacuna de 90 graus sem pulso de potência.

Isso pode ser eliminado usando um virabrequim mais complexo, e caro, que altera a relação entre os cilindros nos dois bancos para dar uma diferença efetiva de 60 graus, mas recentemente muitos fabricantes descobriram que é mais econômico adaptar o conceito do eixo de equilíbrio, usando um único eixo com contrapesos espaçados de modo a fornecer uma vibração que cancela o tremor inerente ao 90 graus V6.
　

4. Implementações de produção

Outros fabricantes que produzem motores com um ou dois eixos de equilíbrio incluem a alínea d):

·	Alfa Romeo 2.0L four-cylinder, as fitted to the Alfa Romeo 156
·	Chrysler K engine
·	Chrysler 2.4 L and 2.5 L Neon engine
·	Ford Modular engine V10
·	Ford Taunus V4 engine
·	Buick 3800 V6
·	General Motors Corporation Quad 4 and Ecotec
·	GM Atlas engine four- and five-cylinder engines (two balance shafts)
·	GM Quad-4 engine, as used in the 1995 Pontiac Sunfire.
·	GM Vortec engine V-6 (single balance shaft)
·	Honda 2.2 L (F22) four cylinder engine
·	Mazda's 2.3L MZR engine (two balance shafts)
·	Mitsubishi 'Astron' engine
·	Nissan 2.5L (QR25DE) four-cylinder engine
·	Porsche 2.5L, 2.7L and 3.0L inline four-cylinder engines
·	Subaru EF engine
·	Tata Nano
·	Toyota 2.4L (2AZ-FE)
·	Saab H engine
·	Volvo B234F, B204GT and B204FT (four cylinder, two balance shafts, 16V-head, used in 700 and 900 series)

bem como numerosos motores de motocicleta, particularmente gêmeos verticais, e até mesmo alguns pequenos motores de cilindro único.