BALANCEAMENTO DE MOTORES

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    14-Jul-2015

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<p>rvores balanceadorasAlexandre Garcia Tem um assunto que eu acho fascinante, mas que muito pouco divulgado: balanceamento de motores. Como se trata de algo complexo, inclusive por uma srie de outros detalhes mecnicos, fica sempre mal explicado. Como sabido, tenho uma certa queda por motores de 8 cilindros em "V", e desde cedo descobri que, de uma forma muito particular, eles, mais que muitos outros, dependem de um perfeito ritual de balanceamento para se comportarem de forma pertinente. Por conta disso, resolvi tentar entender um pouco desse assunto, para poder decifrar melhor meus to caros V-8. Aqui no Brasil sempre tivemos como maioria absoluta motores de 4 cilindros em linha, 4 flat e 6 em linha. Qualquer coisa diferente disso era tido como extico. Acontece que no assunto proposto, esses 3 tipos de motores so excees em se tratando de balanceamento. Um item que deve ser entendido, que apesar de no ter muito a ver com balanceamento em si afeta muito o comportamento de um motor, a existncia de sobreposio de tempos mecnicos. Um motor de 4 tempos requer que o pisto atinja 2 vezes o ponto morto superior para completar um ciclo. Duas voltas tm 720. Se cada movimento do pisto, seja ascendente ou descendente tem 180, se no tivermos pelo menos 5 cilindros no existe sobreposio de tempos. Ou seja, ao terminar o ciclo motor h um intervalo mnimo de tempo em que no existe transferncia de trabalho resultante do processo de queima de combustvel sendo transferido rvore de manivelas. Mas esse detalhe se compensa com um volante motor um pouco mais pesado do que se inicialmente se faria necessrio, como um elemento que absorve e depois devolve energia cintica ao sistema, diminuindo a percepo da flutuao da entrega de torque pelo motor.</p> <p>O motor de 4 cilindros em linha muito popular no mundo inteiro entre praticamente todos os fabricantes de automveis por ser o arranjo mais simples de se produzir, que reune ao mesmo tempo um baixo custo de fabricao de todos os seus componentes e um resultado dinmico razovel e utilizvel. Ele muito mais barato de se fabricar que um complexo 5-em-linha, e muito melhor dinamicamente que um 3-em-linha. Como os pistes sempre se opem no 4-em-linha,</p> <p>no temos necessidade de simular massas na rvore de manivelas com propsito de balancear a mesma, fazendo com que ela seja muito simples e barata de ser fabricada. Como a maioria dos carros j de longa data tm motores transversais, e essa configurao perfeita para motores de 4 cilindros, pois permite uma eficaz montagem de todo o conjunto mecnico, no temos muito como nos livrar dele. Mas o 4-em-linha tem um detalhe desagradvel: seus pistes sempre chegando nos pontos morto superior e inferior ao mesmo tempo, apresenta uma vibrao mecnica que varia de forma quadrtica, quanto mais altas as rpm, maior ela fica, no de forma linear, mas exponencial. Ou seja, a vibrao a 2.000 rpm no o dobro, mas sim o qudruplo da vibrao a 1.000 rpm. Em motores pequenos de uso normal e em baixas rotaes, perfeitamente aceitvel; em motores mais elaborados, um transtorno. Ento temos uma soluo muito boa para consertar esta situao, sem ter que mexer no motor, aumentar o nmero de cilindros e deixando todo o resto do projeto intacto. Essa soluo usada pela Porsche, pela MWM, pela Mitsubishi, pela Fiat e por inmeros outros fabricantes como forma de gerar uma vibrao simtrica original do motor, causada pela inrcia dos pistes em fim de curso, usando 2 rvores simples, acionadas por engrenagens ou corrente, que girem de forma antagnica, ou seja, um no sentido oposto ao outro e com o dobro da velocidade angular do virabrequim. O fato da velocidade ser multiplicada por 2 preso ao fato de que a fora livre das inrcias de fim de curso dos pistes aumenta de forma quadrtica, logo rodando com o dobro da velocidade seu resultado ser tambm uma curva quadrtica e no uma reta.</p> <p>Este par de rvores elimina o problema da vibrao completamente. No h resultante perceptvel e o motor fica realmente liso sem que o motorista perceba qualquer vibrao oriunda do motor. Exemplos prticos em nosso cotidiano so abundantes, como os motores MWM 229-4 das F-1000 dos anos 80, os Fiats Coup, Tipo e Tempra SW 2.0 16V, vrios motores Mitsubishi automotivos, e por a vamos. Uma soluo mecnica razoavelmente complexa, mas que mantm o motor definitivamente fiel sua concepo original, mantendo intactas todas as vantagens iniciais de baixo custo de fabricao e facilidade de manuteno, mas sem vibrao. Indiscutivelmente uma soluo brilhante.</p> <p>ALEXANDRE GARCIA Anderson, Eles sabem de tudo isso e de muito mais, para voc ter uma idia, na dcada de 50, numa poca que tudo era feito e calculado com rguas de calculo por total e completa inexistncia de computadores, eles deduziram o modelo matemtico e todos os esquemas de balanceamento e diagramas de foras e momentos dos motores de 6 cilindros em V, esses sim os mais complexos que existem em se tratando de balanceamento. Mas entenda, no adianta jogar prolas aos porcos, aqui fizeram Celtas 1.0 e 1.4, o 1.4 morreu por falta de interesse, idem pro Classic 1.6. Se quiserem apenas vetores que levem do ponto A ao ponto B, sem emoo, sem zelo, sem sofisticao, pra que gastar dinheiro com compradores indiferentes e medocres como estes? Merecemos o que nos oferecem. Para que oferecer um Vectra com motor 2.4 16V com balance shafts em toda a linha se o que vende mesmo o 2.0 8V p duro? Quanto aos Fiats, andei em Palio 1.8R, motor GM e fiquei surpreso com a maciez e suavidade, se fosse comprar um carro novo hoje, pegaria um amarelo 2 portas sem a menor duvida. ALEXANDRE GARCIA Respondendo a todas as perguntas, 1 a 1: Marcelo Augusto, Sim, mas dependendo donumero de cilindros e da disposio, muda o numero de eixos, rotao relativa ao eixo de manivelas e resultantes. Luiz, Eu conheo esse texto, me serviu muito como material de pesquisa, tem mais coisa muito boa no manual do engenheiro mecanico da Dubbel e no Analise de motores de combusto interna, e no livro do Pat Ganahal V6 performance. Eu vou desmembrar um muito longo texto que trata de todos os motores, balanceamentos e resultantes. Vou comentar isso tudo em partes porque o texto um livro longo. Felipe, Nos 3, 5, 6 em V se usa cancelar em parte ou no todo um eixo apenas. Ele cancela a resultante que fica no eixo, resultante do cancelamento parcial das resultantes do movimento reciprocante dos pistes. Marlos, A no Rio voc tem a retifica Aksony do Sr. Antoinne, melhor recomendao, impossvel. E ele tem equipamento completo de balanceamento. Por mais que eu quisesse, seria apenas impossvel fazer um servio de retifica no motor da Elba.</p> <p>Caio, Creio em mudana especialmente na calibrao. Isso por si s faz muita diferena. No posso afirmar nada pois no tenho acesso a informaes tcnicas detalhadas sobre o motor para comentar com certeza. Thiago, Eu vou mandar um post breve s sobre V6, inclusive com muita coisa bem fundamentada e com muitos detalhes legais sobre esses motores. No seu caso da blazer, posso te dizer o seguinte: h outro problema. No caso da Blazer h uma nica arvore, que acionado a mesma rotao do eixo de manivelas, e se existe vibrao a uma rotao maior, ou o motor foi remontado com erro no sincronismo ou h algum problema no volante, embreagem ou damper. Esse arranjo usado na Blazer tecnicamente correto e deixa o motor muito liso, em qualquer rotao. Leonardo, Voc esta correto. O termo correto arvore e no eixo. Esteja a vontade, no h problema nisso! Caio, Espere at ver o que vai vir sobre V8, voc no vai acreditar no que vai ler. Vou deixar pro final, o ultimo capitulo da novela sempre mais interessante. Mas antes vou postar sobre os motores mais simples, e conseguir fazer claro a todos muitos detalhes interessantes que se eu passar direto ao V8, vo se perder. Este post seria o capitulo 3 ou 4, mas bacana porque por se tratar de algo muito ligado ao cotidiano, interessa a gregos e a troianos. Espere pelo do V8, vai ter coisa tirada do ba do Grande Smokey Yunick e do ultra genial e polivalente Ian Drysdale, o cara que amava tanto o ronco de uma Ducatti v8 que fez uma moto inteira nova, com motor de 8 cilindros em V e eixo de manivelas plano. Com justificativas tcnicas e comparaes. Esse um material bem bacana e at de certa forma indito. Alexei, Ele quebrou por que? A retirada das arvores, se feita com um mnimo de critrio e ateno ao conjunto de lubrificao, eliminaria o risco de quebra. Vale lembrar que o conjunto balanceador, independente da marca ou modelo de motor, no elimina a vibrao, apenas a anula outra vibrao simtrica. E evidentemente rouba potncia para funcionar. No caso de motores automotivos as rvores ficam alojadas no bloco mas no MWM 229 ficavam instaladas em um alojamento fixo nas capas dos mancais fixos e acionadas diretamente por uma cremalheira montada no meio do virabrequim. Vale comentar que neste caso, o alinhamento do conjunto em relao ao virabrequim critico, se desalinhado, provoca quebra do virabrequim. BALANCEAMENTO DE MOTORES 27 de maro de 2009 Alexandre Garcia O certo teria sido postar este texto antes, mas comeamos j pelos 4 cilindros em linha, 4 tempos, com o assunto das rvores balanceadoras. Mas vamos l, vamos</p> <p>agora do incio, do princpio de tudo, para que realmente possamos ter tudo bem explicado.</p> <p>Discorrendo sobre motores precisamos observar na essncia que todos se referem ao que ocorre com um motor monocilndrico. Temos que um motor monocilndrico apresenta em seu funcionamento elementos de que nos levam a ter vibraes, que se devidamente entendidas proporcionaram a possibilidade de fazer arranjos nos quais as vibraes podero ser atenuadas, e com a pluralidade de cilindros se obter tambm uma maior maciez e suavidade na sada de torque do motor. necessrio verificar que basicamente teremos 2 tipos de peas mveis em um motor de combusto interna reciprocante: as que giram e as que reciprocam. Ento o virabrequim rotativo e pisto com anel, pino e travas. reciprocante. Lembramos de que existem bielas, como elas seriam classificadas? Teremos que observar que o p da biela, a parte menor onde colocada o pino do pisto, vai se deslocar verticalmente no eixo do cilindro e apenas reciprocar (sim, a biela um rgo mecnico que trabalha de cabea para baixo). J a cabea da biela, a parte maior onde fica a bronzina, apenas gira junto com o virabrequim. A parte central da biela, que fica entre a cabea e o p apresentar um misto dos 2 movimentos, e para efeito de compensao de massas ela ter de ser pesada em gabarito adequado para que se possa determinar o que rotativo e o que reciprocante. Apenas para ilustrao, esse gabarito adequado apenas um dispositivo capaz de fazer com que a biela, durante o evento da pesagem, tenha a linha imaginria que contm os seus 2 centros geomtricos (da cabea e do p) absolutamente paralela ao nvel do solo, ou seja, completamente perpendicular fora da gravidade que atua na pea e comprime a clula de presso da balana. Ento teremos determinado que o que pesa junto com a cabea reciprocante e o resto rotativo. Em um motor monocilndrico vamos notar que na rvore de manivelas teremos que pensar em compensar o peso das partes reciprocantes e das rotativas. Como a rvore tem apenas uma manivela, ela dever apresentar, em um ponto diametralmente oposto ao brao da manivela, um contrapeso. O dimensionamento deste contrapeso ser feito da seguinte forma: Inicialmente o contrapeso dever anular o peso da manivela em si. Depois, conter massa equivalente poro rotativa da biela e da bronzina da biela. Ao analisarmos o movimento de vai-e-vem do pisto, vemos que ele vai atribular o motor grandemente nas proximidades dos pontos mortos inferior e superior. Mas durante o meio-curso nada atribula a rvore. Ento vemos que nos pontos mortos o percentual de atuao das massas reciprocantes de 100%, enquanto nos meio-cursos tende a zero. De 100 a 0, variando senoidalmente, temos ento que o valor mdio de importncia de 50%. Ao se utilizar um coeficiente de balanceamento de 50%, se anula a fora que tende a jogar o motor para cima e para baixo, inerente ao sobe e desce do pisto e acelerao e desacelerao desta massa com o funcionamento do motor alternadamente.</p> <p>Vemos que essa atitude de utilizar 50% desta massa reciprocante vai cancelar em 50% a fora inicial que tende a agitar o motor verticalmente. Acontece que, como h uma variao no-linear desta fora, vemos surgir uma fora de segunda inteno, de segunda ordem, compreendida tambm no plano vertical. Como essa fora desconfortvel ao condutor de um veculo, pode-se ento, aumentar o coeficiente de balanceamento e utilizar um valor maior que 50% do peso reciprocante, que tenderia a diminuir a aparente falta de compensao de massas nos pontos mortos, mas que aumentaria a sobrecompensao quando o pisto estiver em meio-curso. Como o cilindro vertical ou quase, o meio-curso seria horizontal. Nota-se que se essa fora de segunda ordem e a de primeira estiverem no sentido de deslocamento do veculo (horizontal) ela ser menos incmoda ao condutor. Em um motociclo de motor pequeno, com massas reciprocantes desprezveis, isso pouco notado, mas em uma motocicleta com um motor maior, essas resultantes so bem incmodas ao condutor. Da ser algo comum se utilizar em motores de moto um coeficiente de balanceamento superior a 50% do peso reciprocante como uma forma de amenizar o desconforto ao condutor. Devemos observar tambm que apenas uma vez a cada duas voltas gerado um pulso mecnico em um monocilndrico 4-tempos. Ou seja, h um curso motor de 180 e mais 540 de movimento do virabrequim sem que haja nenhuma gerao de torque, apenas consumo. Observa-se ento que necessrio um volante motor de grande massa para que a inrcia do mesmo venha a suavizar a sada do torque do motor e assegurar a continuidade de seu funcionamento. Naturalmente, se um cilindro apenas tem vrias limitaes como exposto acima, poderemos pensar em adicionar um segundo cilindro para facilitar as coisas. Mas, como dispor este segundo cilindro? Absolutamente paralelo ao primeiro como um segundo motor atrelado a ele, simtrico em tudo, ou paralelo, mas com uma desfasagem de 180 na manivela, adjacente ao primeiro ou mesmo diametralmente oposto ao primeiro? Cada uma das hipteses ter vantagens e desvantagens. O nmero de ciclos do motor determinar, inclusive, qual a mais proveitosa, sendo esse arranjo de 2 cilindros um dos quais mais se far importante o nmero de ciclos para determinao de caractersticas fsicas deste motor. No caso de um 4-tempos e com cilindros paralelos, vemos que se o segundo cilindro tiver movimento solidrio ao primeiro, todas as consideraes sobre balanceamento e compensao de massas se faro vlidas. Os 2 pistes sobem e descem juntos, mas h uma enorme vantagem: como do 2 voltas a cada ciclo motor, desfasa-se os momentos de ignio por 1 volta, e o problema do motor ter que dar 2 voltas para cada ciclo motor diminui metade, e ento a cada volta do motor teremos 1 ciclo motor, alternado entre um e outro cilindro. A necessidade de um volante exageradamente...</p>