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.
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.
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.
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.
