Na engenharia de motores de pistão, um eixo
de equil¨ªbrio ¨¦ um eixo ponderado exc¨ºntrico
que compensa vibrações em projetos de
motores que não são inerentemente
balanceados.
Os eixos de equil¨ªbrio são mais comuns
em motores inline de quatro cilindros
que, devido ¨¤ assimetria de seu projeto,
t¨ºm 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 t¨ºm seus pistões
horizontalmente opostos, por isso são
naturalmente equilibrados e não incorrem
na complexidade extra, custo ou perda de
pot¨ºncia associada aos eixos de
equil¨ªbrio.
Esta vibração ¨¦ gerada porque o
movimento das hastes de ligação num
motor em linha não ¨¦ sim¨¦trico ao longo
da rotação do virabrequim; assim,
durante um determinado per¨ªodo de
rotação do virabrequim, os pistões
descendente e ascendente nem sempre são
completamente opostos em sua aceleração,
dando origem a uma força inercial
vertical l¨ªquida duas vezes em cada
rotação cuja intensidade aumenta
quadr¨¢ticamente com RPM, não importa o
quão pr¨®ximo os componentes são pareados
para o peso.
O problema aumenta com maior
cilindrada do motor, uma vez que
as ¨²nicas 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
caracter¨ªsticas NVH aceit¨¢veis.
O conceito b¨¢sico por tr¨¢s dos
eixos de equil¨ªbrio existe desde
1904, quando foi inventado e
patenteado pelo engenheiro
britânico Frederick Lanchester.
Dois eixos de equil¨ªbrio giram
em direções opostas com o dobro
da velocidade do motor.
Pesos exc¨ºntricos do mesmo
tamanho nestes eixos são
dimensionados e faseados de modo
que a reação inercial ¨¤ sua
contra-rotação cancele no plano
horizontal, mas adiciona no
plano vertical, dando uma força
l¨ªquida igual a apenas 180 graus
fora de fase com a vibração
indesejada de segunda ordem do
motor b¨¢sico, cancelando-a
assim.
A implementação real do
conceito, no entanto, ¨¦ concreta
o suficiente para ser
patenteada.
O problema b¨¢sico apresentado
pelo conceito ¨¦ 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 inaceit¨¢vel.
H¨¢ algum debate sobre quanto
pot¨ºncia os eixos de equil¨ªbrio
duplos custam ao motor. O valor
b¨¢sico dado geralmente ¨¦ de
cerca de 15 hp (11 kW), mas isso
pode ser excessivo para perdas
de atrito puro. É poss¨ªvel que
este seja um erro de c¨¢lculo
derivado do uso comum de um
dinamômetro inercial, que
calcula a pot¨ºncia da aceleração
angular em vez da medição real
do torque em estado
estacion¨¢rio. Os 15 hp (11 kW),
então, incluem tanto a perda
real de atrito como o aumento da
in¨¦rcia angular dos eixos de
rotação r¨¢pida, o que não seria
um fator em velocidade
constante. No entanto, alguns
propriet¨¢rios modificam seus
motores removendo os eixos de
equil¨ªbrio, tanto para recuperar
parte dessa pot¨ºncia quanto para
reduzir a complexidade e ¨¢reas
potenciais de quebra para uso de
alto desempenho e corrida, como
¨¦ comumente (mas falsamente)
acreditado que a suavidade
fornecida pelos eixos de
equil¨ªbrio pode ser alcançada
ap¨®s sua remoção atrav¨¦s do
equil¨ªbrio cuidadoso dos
componentes rec¨ªprocos do motor.
A Mitsubishi Motors foi
pioneira no design na
era moderna com seus
motores Astron "Silent
Shaft" em 1975, com
eixos de equil¨ªbrio
localizados no lado do
bloco do motor e
acionados por correntes
da bomba de ¨®leo, e
posteriormente
licenciaram a patente
para Fiat, Saab e
Porsche.
A Saab refina ainda mais
o princ¨ªpio do eixo de
equil¨ªbrio para superar
vibrações laterais
harmônicas (devido ¨¤
mesma assimetria b¨¢sica
no projeto do motor, mas
muito menor em
magnitude) localizando
os eixos de equil¨ªbrio
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.
Outro projeto de eixo de
equil¨ªbrio ¨¦ encontrado em
muitos motores V6.
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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
t¨ºm 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 tr¨ºs cilindros disparam
em intervalos de 90 graus, seguido por
uma lacuna de 90 graus sem pulso de
pot¨ºncia.
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 ¨¦
mais econômico adaptar o conceito do
eixo de equil¨ªbrio, usando um ¨²nico eixo
com contrapesos espaçados de modo a
fornecer uma vibração que cancela o
tremor inerente ao 90 graus V6.
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