26 de março de 2009

Árvores balanceadoras

Tem um assunto que eu acho fascinante, mas que é muito pouco divulgado: balanceamento de motores. Como se trata de algo complexo, inclusive por uma série de outros detalhes mecânicos, fica sempre mal explicado.

Como é 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 tão 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 exótico. Acontece que no assunto proposto, esses 3 tipos de motores são exceções em se tratando de balanceamento.

Um item que deve ser entendido, que apesar de não ter muito a ver com balanceamento em si afeta muito o comportamento de um motor, é a existencia de sobreposição de tempos mecânicos. Um motor de 4 tempos requer que o pistão atinja 2 vezes o ponto morto superior para completar um ciclo. Duas voltas tem 720°. Se cada movimento do pistão, seja ascendente ou descendente tem 180°, se não tivermos pelo menos 5 cilindros não existe sobreposição de tempos. Ou seja, ao terminar o ciclo motor há um intervalo mínimo de tempo em que não existe transferência de trabalho resultante do processo de queima de combustível sendo transferido à árvore de manivelas.

Mas esse detalhe se compensa com um volante motor um pouco mais pesado do que se inicialmente se faria necessário, como um elemento que absorve e depois devolve energia cinética ao sistema, diminuindo a percepção da flutuação da entrega de torque pelo motor.



O motor de 4 cilindros em linha é muito popular no mundo inteiro entre praticamente todos os fabricantes de automóveis por ser o arranjo mais simples de se produzir, que reune ao mesmo tempo um baixo custo de fabricação de todos os seus componentes e um resultado dinâmico razoável e utilizável.

Ele é muito mais barato de se fabricar que um complexo 5-em-linha, e muito melhor dinamicamente que um 3-em-linha. Como os pistões sempre se opõem no 4-em-linha, não temos necessidade de simular massas na árvore de manivelas com propósito de balancear a mesma, fazendo com que ela seja muito simples e barata de ser fabricada.

Como a maioria dos carros já de longa data têm motores transversais, e essa configuração é perfeita para motores de 4 cilindros, pois permite uma eficaz montagem de todo o conjunto mecânico, não temos muito como nos livrar dele.

Mas o 4-em-linha tem um detalhe desagradável: seus pistões sempre chegando nos pontos morto superior e inferior ao mesmo tempo, apresenta uma vibração mecânica que varia de forma quadrática, quanto mais altas as rpm, maior ela fica, não de forma linear, mas exponencial.

Ou seja, a vibração a 2.000 rpm não é o dobro, mas sim o quádruplo da vibração a 1.000 rpm. Em motores pequenos de uso normal e em baixas rotações, é perfeitamente aceitável; em motores mais elaborados, é um transtorno.

Então temos uma solução muito boa para consertar esta situação, sem ter que mexer no motor, aumentar o número de cilindros e deixando todo o resto do projeto intacto.

Essa soluação é usada pela Porsche, pela MWM, pela Mitsubishi, pela Fiat e por inúmeros outros fabricantes como forma de gerar uma vibração simétrica à original do motor, causada pela inércia dos pistões em fim de curso, usando 2 árvores simples, acionadas por engrenagens ou corrente, que girem de forma antagônica, 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 é preso ao fato de que a força livre das inércias de fim de curso dos pistões aumenta de forma quadrática, logo rodando com o dobro da velocidade seu resultado será também uma curva quadrática e não uma reta.




Este par de árvores elimina o problema da vibração completamente. Não há resultante perceptível e o motor fica realmente liso sem que o motorista perceba qualquer vibração oriunda do motor. Exemplos práticos em nosso cotidiano são abundantes, como os motores MWM 229-4 das F-1000 dos anos 80, os Fiats Coupé, Tipo e Tempra SW 2.0 16V, vários motores Mitsubishi automotivos, e por aí vamos. Uma solução mecânica razoavelmente complexa, mas que mantém o motor definitivamente fiel à sua concepção original, mantendo todas as vantagens iniciais de baixo custo de fabricação e facilidade de manutenção intactos, mas sem vibração.

Indiscutivelmente uma solução brilhante.

22 comentários:

  1. você deveria mandar esse texto para a GM, para que eles deixem de fabricar motores que mais parecem britadeiras em altas rotações

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  2. os motores da FIAT não estão muito longe não, vide motores FIAT powertrain ex: fiat stilo

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  3. Anderson,

    Eles sabem de tudo isso e de muito mais, para voce ter uma idéia, na decada de 50, numa época que tudo era feito e calculado com reguas de calculo por total e completa inexistencia de computadores, eles deduziram o modelo matematico e todos os esquemas de balanceamento e diagramas de forças e momentos dos motores de 6 cilindros em V, esses sim os mais complexos que existem em se tratando de balanceamento. Mas entenda, não adianta jogar pérolas aos porcos, aqui fizeram Celtas 1.0 e 1.4, o 1.4 morreu por falta de interesse, idem pro Classic 1.6. Se querem apenas vetores que levem do ponto A ao ponto B, sem emoção, sem zelo, sem sofisticação, pra que gastar dinheiro com compradores indiferentes e mediocres 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 é o 2.08V pé duro?
    Quanto aos Fiats, andei em Palio 1.8R, motor GM e fiquei supreso com a maciez e suavidade, se fosse comprar um carro novo hoje, pegaria um amarelo 2 portas sem a menor duvida.

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  4. Marcelo Augusto27/03/09 01:06

    Alexandre,

    desculpa a minha burrice e curiosidade, mas esse seu exemplo de sistema é conhecido também por árvore de balanceamento, que também é usado em motocicletas de até mesmo 1 cilindro?

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  5. Luís Henrique27/03/09 01:32

    Minha iniciação no assunto foi neste site aqui, na seção engine smoothness:
    http://www.autozine.org/technical_school/tech_index.html
    Muito interessante

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  6. Grande AG!!!

    Os Scania de 5 cilindros também possuem o eixo de balanceamento na parte inferior, massivo!!!

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  7. Marlos Dantas27/03/09 02:19

    AG,
    Bom texto, uma curiosidade a menos na minha cabeça!

    Receio que o 1,6 ACT da Elba esteja próximo de pedir uma retífica. Caso você venha passar uma temporada no RJ me avise, estava precisando de alguém de confiança.
    Um abraço.

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  8. AG, também dirigi um Fiat com esse 1.8 e não notei a aspereza que todo mundo fala. será que modificaram esse motor? Realmente ele anda bem suave agora...

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  9. Alexandre! Parabéns pelo assunto interessante, pois me interesso muito por balanceamento de motores, e esclarecedor! Li sobre seu trabalho em uma Auto e Técnica(revista) que tenho em que o Roberto Nasser comenta a retífica que vc fez no motor V8 do Esplanada GTX dele, com balanceamento e tudo. Sobre o V6, conheço bem o vortec 4.3 do Blazer, que tem os eixos contrarrotantes, mas após 4.000rpm's vibra, sente-se os "pulos" do motor que chegam ao interior..Conheci também o motor Fiat 2.0 16v do Tipo, muito macio com os eixos balanceadores, especialmente em esticadas de marcha, mas tinha uma faixa de rotação(+- 3.500rpm's) em quinta marcha constante que fazia ruído e vibração destoantes. De qualquer modo, bons esclarecimentos!Abraço

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  10. Cada post, uma aula!!! Parabéns!!!

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  11. Boa Alexandre !!! agora já tenho um bom resumo sobre o assunto quando precisar me lembrar.
    Obrigado.

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  12. Se me permitem, já me sentindo permitido:

    O "correto" mesmo não seria : "ARVORE BALANCEADORA" ? Assim como disse o colega Marcelo Augusto ?


    Pois entendo que eixo é "X", "Y" e "Z". Eixo dianteiro, eixo traseiro, etc . . .


    Assim como usa-se muito erroneamente o termo "eixo cardã" acho que houve um equivoco não ?


    Muito, mas muito mais anos luz de distancia de mim, o Bob Sharp pode falar mais sobre isso. Mas antes de convoca-lo;

    http://autoentusiastas.blogspot.com/2009/02/cultura-inutil.html


    Alexandre Garcia, por favor não me leve a mal, adorei seu post, acho muito mais muito intereçante esses tópicos de mecânica !

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  13. Caio, o de Santos27/03/09 20:41

    Pronto,
    Quando comprar meu V8, já sei do que falar e entender mais...

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  14. Os motores do Vectra 2.2 16v tem as árvores contra-rotantes.

    Para colocar-lo num Chevette,tiveram que eliminar as árvores.Por não caber e pelo peso das árvores.

    Depois de turbinado, O Chevette 2.2 16v quebrou por duas vezes.

    A solução foi usar a parte de baixo do motor 2.2 8 válvulas,que originalmente não tem as árvores, e instalar nela o cabeçote 16v. Pronto.

    Trabalha normalmente agora o 2.2 16v Turbo.

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  15. Este comentário foi removido pelo autor.

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  16. É temos aqui em casa um Vectra B 98 2.2 8v, não tenho padrão de comparação para classificar ele como um motor aspero, vibrador e afins.

    Mas gosto muito de seu torque e da sua boa velocidade final !

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  17. Respondendo a todas as perguntas, 1 a 1:

    Marcelo Augusto,
    Sim, mas dependendo donumero de cilindros e da disposição, muda o numero de eixos, rotação relativa ao eixo de manivelas e resultantes.


    Luiz,

    Eu conheço 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 combustão 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 é 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 pistões.

    Marlos,

    Aí no rio voce tem a retifica Aksony do sr. Antoinne, melhor recomendação, impossivel. E ele tem equipamento completo de balanceamento. Por mais que eu quisesse, seria apenas impossivel fazer um serviço de retifica no motor da Elba.

    Caio,

    Creio em mudança especialmente na calibração. Isso por sí só faz muita diferença.Não posso afirmar nada pois não tenho acesso a informações tecnicas detalhadas sobre o motor para comentar com certeza.

    Thiago,

    Eu vou mandar um post breve só 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: há outro problema. No caso da Blazer há uma unica arvore, que é acionado a mesma rotação do eixo de manivelas, e se existe vibração a uma rotação maior, ou o motor foi remontado com erro no soncronismo ou há algum problema no volante, embreagem ou damper. Esse arranjo usado na Blazer é tecnicamente correto e deixa o motor muito liso, em qualquer rotação.

    Romildo e JJ, obrigado!

    Leonardo,

    Voce esta correto. O termo correto é arvore e não eixo. Esteja a vontade não há problema nisso!

    Caio,

    Espere até ver o que vai vir sobre V8, voce não vai acreditar no que vai ler. Vou deixar pro final, o ultimo capitulo da novela é 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, vão se perder. Este post seria o capitulo 3 ou 4, mas é 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 bau 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 tecnicas e comparações. Esse é um material bem bacana e até de certa forma inédito.

    Alexei,

    Ele quebrou por que? A retirada das arvores, se feita com um minimo de critério e atenção ao conjunto de lubrificação eleminaria o risco de quebra. Vale lembrar que o conjunto balanceador, independente da marca ou modelo de motor, não elimina a vibração, apenas a anula com outra vibração simétrica. E evidentemente rouba potencia para funcionar. No caso de motores automotivo as arvores 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 alihamento do conjunto em relação ao virabrequim é critico, se desalinhado, provoca quebra do virabrequim.

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  18. A resposta pra isso tudo é simples: Wankel.
    Na minha opinião, se os motores Wankel estivessem sendo mais usados, seu desenvolvimento acabaria desbancando os motores de cilindros atuais.
    Abraço
    Beto Dutra

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  19. Infelizmente o motor wankel sofreu e foi morto pela questaão da emissão de poluentes, ele é tão ruim neste quesito quanto os 2 tempos. E não há como se contornar isso. A vedação da camara, maior problema inicial, teve evolução real e significativa.

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  20. A Yamaha usou árvore de balanceamento na Crypton e usa a YBR/XTZ.

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  21. boa noite meu nome é william e possuo um vectra CD 2.0 16v ano 1998, e estou quase doido com a vibração do motor a 2,500 RPM não acredito que um carro que foi o top da categoria possa vibrar assim. sai de um Kadett GSI conversível que o nível de vibração era zero e peguei esse carro achando que seria ainda melhor e me decepcionei, j´troque o causso trazeiro do motor que não foi barato e não adiantou e faço ai minha pergunta esse carro foi feito o motor geral sera que isso pode ter algo a ver? gostaria de uma ajuda se puder o meu E-mail é will_ssb@hotmail.com agradeço desde já !!!

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  22. estou fazendo esboços de uma moto 3 cilindros de 850 cil. O texto foi de grande ajuda!

    A quem interesse saber, se vc quer motor suave, compre um ford. zeec rocam, o melhor motor moderno sem sombra de dúvida....

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