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27 de julho de 2009

BALANCEAMENTO DE MOTORES, PARTE 2

Prezados,

Continuando de onde parei, após analisar os motores de 1 e de 2 cilindros, vamos ver os outros arranjos possíveis.

Esse segundo capitulo vai ser sucedido por outro onde vou analisar um pouco sobre ordens de ignição e opções de se arrumar ordens de ignição diferentes em um mesmo motor, ou tipos de motor. Aqui é legal ver explicações pertinentes a diversas coisas comentadas aqui no blog pelos nossos entusiasmados leitores, coisas sobre ronco do motor Ferrari que o AK acelerou em Interlagos, explicações sobre o motor Flat 8 do protótipo Jamaro, que foi citado e muito comentado no Blog do Saloma, e mais diversas outras perversões mecânicas que tanto amamos.
Retornando ao texto anterior, temos na sequência os L3.

3 cilindros em linha

É interessante notar que a partir deste ponto teremos uma situação nova, na qual as relações primárias obtidas com os 2 cilindros não valerão mais nesse e em outros multicilindricos. Os L3 por apresentarem sempre uma compensação primária de massas em oposição não vão ter forças livres de 1ª ou de 2ª ordem, mas apresentarão momentos de 1ª e de 2ª. Novamente, quanto menor a distancia entre os cilindros, menor os momentos resultantes.

Esses momentos tendem a fazer o motor oscilar lateral e alternadamente a direita e a esquerda em relação ao plano horizontal que contem o eixo de manivelas. Usa-se colocar um eixo auxiliar contrarotativo que induz um momento simétrico e deixa uma resultante nula. É importante notar também que o de 2ª ordem por ser de uma relação exponencial com o de primeira, apresenta valores muito menores que os de 1ª, e são mais difíceis de serem cancelados ou anulados por outros simétricos.

Os L3 parecem atrativos e interessantes por suas dimensões compactas para eventual uso em motos ou em carros urbanos de dimensões compactas. A decalagem dos cilidros permite um pulso mecânico a cada 240° de rotação do eixo nos 4 tempos ou a cada 120° nos 2 tempos, portanto simétrica e superior aos bicilindricos já analisados. As considerações validas ao L3 se repetem nos L5. A compensação de massas no balanceamento deve ser feita com contrapesos obrigatoriamente regidos pela formula de 50% do peso reciprocante e 100% do rotativo dos êmbolos, como nos demais motores já analisados.

4 quatro cilindros em linha

Aqui voltamos às relações inicialmente vistas nos mono e bicilindricos. Como sempre se visa a obtenção do cancelamento dos momentos e forças livres indesejáveis nos arranjos multicilindros. Inicialmente veremos a colocação de um segundo L2 de cilindros alternados ao lado do primeiro, fazendo de cara o cancelamento do momento de 1' ordem que atribulava ambos, só que se deve observar que o agrupamento deverá ser feito de forma que se tenha os 2 cilindros das pontas no PMS e os 2 do meio no mi,alternadamente. No entanto a força livre de segunda que atribulava oL2 vai se revelar dobrada neste arranjo, de modo que o agrupamento foi indiferente no tocante a FL oriunda da inércia das massas reciprocantes em fim de curso.

Deve-se entender que o L4 é um arranjo que tem esse compromisso mas em contrapartida tem um bom acondicionamento, é pratico e barato de fabricar e balancear,dispensando o uso de simuladores de massas (bob-weights) no balanceamento do virabrequim, não apresenta nenhum tipo de stress torcional no virabrequim e ainda é dinamicamente aceitável. Boas praticas de projeto mecânico, como pouco uso de DeSaxe, fator de biela numericamente alto - aqui um parênteses - ao contrário do numero e norma geralmente utilizado pela imprensa técnica automotiva no pais utilizarei um numero obtido pela simples divisão do comprimento físico da biela pelo curso do eixo, este vai variar de escassos 1,4 a 2,1 nos motores comerciais automotivos disponíveis atualmente, e outros detalhes como o cuidado de manter as massas reciprocantes a níveis minimalistas vão produzir um motor bem aceitável de se usar sem que seja necessário se recorrer a artifícios extras de balanceamento. Mas há os detalhes.

Um fator de biela numericamente alto deixa o motor com pouca FL de 2ª ordem, mas também torna ele algo preguiçoso. A resultante eficiência mecânica do motor é alta, mas a dirigibilidade sofre. Um motor equivalente em todos os detalhes mas com menor fator vai se revelar algo mais agradável de dirigir embora menos apto a altas rpms. Então há métodos de reduzira FL de 2ª caso se deseje manter o fator mais baixo ou então se busque um motor mais refinado dinamicamente: dois eixos contrarotativos, que obrigatoriamente vão girar com o dobro da rotação do virabrequim, produzindo uma FL também de 2ª ordem que vai simplesmente cancelar a inerente ao L4.

Há alguns requisitos contudo: O motor deverá ter um De Saxe mínimo, os 2 eixos devem ser contidos por um plano geométrico obrigatoriamente normal ao plano que contém as linhas de centro dos 4 cilindros, os 2 eixos devem ser equidistantes deste plano também. Pode-se localizar os eixos no bloco ou em uma estrutura tipo main cap girdle, um suporte coletivo das capas dos mancais fixos, ou mesmo diretamente sobre 2capas de mancais qualquer. Recomenda-se também que o centro dos eixos quando vistos longitudinalmente coincida com o centro longitudinal do virabrequim.

Esse arranjo é utilizado pela Porsche, MWM e Mitsubishi entre outros e é a solução correta para se obter um L4 isento de quaisquer vibrações. Todos esses comentários obrigatoriamente atrelados a motores de 4 tempos. Ao se planejar um arranjo L4 de 2 tempos o raciocínio a ser seguido seria outro. O motor deverá ter um virabrequim com 4 pinos móveis a 90° um do outro, da mesma forma que o de um V8 de 2 planos, apresentará um momento de 1ª ordem, que poderá ser completamente eliminado com a introdução de um par de contrapesos diametralmente opostos que vão introduzir no conjunto um momento simétrico ao primeiro, e o balanceamento deve ser feito usando bob-weights com fator de 50% obrigatoriamente.

Há outros arranjos possíveis para 4 cilindros ainda derivados do de 2 cilindros inicialmente analisados. Um particularmente interessante é o flat4, que apresenta uma restrição devido a ser um motor mais difícil de acomodar em um carro, mas que tem uma avaliação geral ligeiramente superior aos L4 normais. Se obtém o flat 4 inicialmente da mesma forma que o L4, colocando 2 flat 2 simétricos, de modo que o virabrequim tenha os 2 colos centrais altos e os 2 externos baixos e vice versa, de modo que com o motor montado os cilindros em oposição estejam sempre simultaneamente no PMI ou no PMS. Do mesmo modo que no L4, os eventos de primeira ordem são automaticamente cancelados, restando no entanto um momento de 2ª, que não é facilmente cancelável, atribula muito menos o conjunto que a Fl de 2ª inerente aos L4, e que tem como fator importante a distancia entre os cilindros em oposição.

Da mesma forma que no flat2, quanto mais próximos os centros dos cilindros em oposição menor será a resultante. O gasto com balanceamento é mínimo, não é necessário uso de bob-weights para balancear o eixo diminuindo custos no processo. Teríamos ainda os V4. Esse arranjo é bastante raro no mundo automotivo por alguns motivos. O primeiro deles é que é algo complexo de balancear. Não se obtém uma sequências de ignição par, even fire sem um complexo arranjo de virabrequim. Um exemplo notório é um motor feito pela Ford na Europa, modo even fire, que acabou depois sendo aproveitado para um V6 maior, era inicialmente um motor V4 de 1500cc, angulo do V de 60', virabrequim com 4 pinos móveis sendo que os de uma mesma banca opostos 180' e os das bancas adjacentes defasados 120° um do outro.

Complexo, caro de fabricar e balancear, apresenta forças livres de 2', momentos de 1' e de 2'ordem. Requer um eixo balanceador original para minimizar o momento de 1ª, mas é atribulado pelos outros resultantes de 2ª gerando um motor pobre, com comportamento dinâmico ruim, resultando em um motor exótico, um arranjo incomum, explicando assim sua raridade. Há outros arranjos. V4 com angulo de V a 90°. Nesse arranjo incomum em 4 tempos deve-se ter um eixo com todos os mancais móveis alinhados, os cilindros de uma mesma banca com os pistões sempre na mesma posição como nos L2 de pistões solidários, sendo um sempre no ciclo motor e o outro em balanço de válvulas.

Desta forma se terá um motor odd fire,com sequência de ignição pobre, tendo um pulso mecânico a 90' e depois outro a 270'.Apresenta todas as formas de vibrações,sendo que apenas a Fl de 1ª pode ser compensada com uso de contra pesos no próprio eixo, usando bob weights para esse fim no processo de balanceamento como já visto anteriormente. Apresenta resultado dinâmico ruim, porém ultimamente devido a uma aplicação exclusiva ter uma grande aceitação. Existe uma versão do Chevrolet V8 bloco pequeno cortado literalmente ao meio e que é usada em competições Midget que é feita desta forma. O resultado dinâmico é entusiasmante mais pelo ganho de peso obtido com o desenho compacto. Existe um arranjo muito pratico de motor a 2 tempos com V de 90 que é possível com o uso de um virabrequim com 4 pinos móveis distintos equidistantes 90' uns dos outros O desenho extremamente compacto e o peso final extremamente reduzido compensa os desbalanceamentos inerentes.

5 cilindros em linha

Conforme já citado, o L5 se comporta de forma análoga aos L3, uma forma simples de compensar o desbalanceamento inerente é o uso de um eixo contrarotativo que vai induzir uma vibração antagonista que ajuda a suavizar o conjunto. Note-se que há momentos de 1ª e de 2ª ordem, o eixo auxiliar pode compensar a de 1ª',mas não a de 2ª, valendo-se lembrar que a de 2ª é sempre muito menor em valor e que portanto se obtem ganho de qualidade já no uso de apenas 1 eixo balanceador. Note-se também outro fator muito interessante: Pela primeira vez vai se obter uma superposição de ciclos motores nos diversos cilindros, dando como resultado um motor extremamente suave, bem mais que um L4, e essa suavidade de funcionamento vem a compensar grandemente a desvantegem do desbalanceamento.

Vale lembrar-se da experiência da VW e da Mercedes com seus L5, inclusive dos diesel de grande porte da Mercedes, sendo que nenhum deles utiliza eixos balanceadores. É obrigatório o uso de bobweights no balanceamento do virabrequim, é um motor caro e complexo de ser balanceado aumentando o custo de produção. Outro detalhe muito favorável ao L5 é que por ser mais compacto e curto que um L6, e mais barato de balancear que um V6, é uma opção tecnicamente interessante para montagem transversal.

6 em linha

Várias e muito excitantes possibilidades. A inicial e mais simples de todas é o L6. Simples, consiste na simples colocação de 2 L3 simetricamente dispostos s partir do ponto de junção dos mesmos, onde passa a existir o mancal numero 4 do L6. O arranjo permite o cancelamento imediato de todas as resultantes do L3 por simples simetria. Motor simples de ser fabricado, balanceamento barato e simples, muito bom de comportamento dinâmico, que fez dele um motor muito popular sempre em todas as opções automotivas. Vale lembrar que funcionou durante décadas como motor inicial na indústria automobilística americana e como opção de luxo na Europa.

Dois únicos inconvenientes do desenho: é relativamente longo e o virabrequim é atribulado por inversões dos esforços elásticos, ou seja, o momento inicialmente presente que atribula os L3 vai estar presente tendendo a deformar o eixo junto com os esforços de funcionamento do motor. É imperioso que se utilize um amortecedor de vibrações harmônicas na ponta do virabrequim. Esse compensador vai ajudar a anular essas vibrações presentes no eixo. Idealmente e ao contrário do que se nota na maioria das aplicações o compensador não deve ser atribulado com tração de acessórios.

Por questão de economia de espaço isso nem sempre é possível. Esse desenho é inerente a motores de 4 tempos. Nos2 tempos L6 é utilizado a mesma conjugação de 2 L3, mas há uma defasagem de 60° entre eles, de modo que a cada 60°' de rotação do eixo haja sempre um pistão no PMS. O arranjo para 2 tempos é pobre,apresenta um momento de 1' ordem que requer eixos auxiliares para compensação e balanceamento. A resultante é vertical portanto para o completo cancelamento das vibrações 2 eixos são requeridos. 1 de cada lado da linha de centro dos cilindros.

Flat 6

Outro arranjo excepcional. Não apresenta nenhuma resultante. São 2 L3 fixos pela base, com cilindros em oposição sempre aos pares. Da mesma forma que nos Flat 2. O gasto com balanceamento é muito pequeno, não sendo necessário usar bob weights para tal fim. O único problema é a acomodação. Pouco comum no meio automotivo, e bastante uso em aviões de pequeno porte. A avaliação geral é a melhor possível, não sendo atribulado por inversões de esforços elásticos nem por harmônicas no eixo.

V6

Um desenho que não foi muito abundante na história do automóvel mas que recentemente devido a gradual redução de custos de usinagem e processos numéricos de produção tem se difundido bastante.Em realidade um arranjo mecânico pobre, o V6 não consegue ser uma unanimidade. Há vários desenhos possíveis, sendo que nenhum é realmente perfeito. O modelo matemático que rege todos os arranjos foi elaborado pela GM no ano de 1953. Foi trabalho publicado e aberto, propondo todas as soluções ao problema de tornar esses arranjos aceitáveis. Inicialmente vamos fazer uma distinção: motores com ângulos do V de 90°, derivados diretamente de um V8 americano com eixo de 2 planos, aproveitamento por motivos econômicos de um desenho e de ferramental previamente existente e demais desenhos, normalmente com angulo de V de 60°, tanto um desenho completo novo quanto aproveitamento de componentes de um L4 ou 2 L3 por exemplo.

O V6 de 60° muito usado na Europa durante muitas décadas em veículos pequenos como uma opção interessante de se ter um motor mais potente que os L4 sendo contudo leve, robusto e ainda sim simples e razoavelmente barato fazer. É mais curto que um L4, não muito mais ou proporcionalmente pesado, estreito e marginalmente mais largo que um L4. Apresenta apenas uma dificuldade no desenho do coletor de admissão por ter pouca distancia entre os cabeçotes. Pode-se analisar ele partindo de 2 L3 colocados juntos com um angulo de 60° entre as bancas. O motor não apresenta nenhuma força livre resultante. Mancais móveis são sempre opostos nos cilindros em lados opostos do motor na mesma fileira, de modo que os momentos livres de 1ª e de 2ª ordem presentes nos L3 vão se somar neste motor e da mesma forma que nosL3, a distancia entre as linhas de centro dos cilindros vai ter fator importante, quanto mais distantes, maior os momentos resultantes.

O de 1ª ordem pode ser cancelado com contrapesos simétricos e diametralmente opostos no eixo, mas o de 2ª ordem somente pode ser cancelado com um par de eixos contra rotativos que girem com o dobro da rotação do eixo de manivelas. Como já explicado, o de 2ª ordem tem valor menor, não atribula muito o motor, nem é muito notável no uso do motor. No geral um motor bastante utilizável, apesar de algo caro de fazer, requer bob weights para balanceamento do eixo. Houve uma família de motores a gasolina de grande porte para uso em veículos comercias desenvolvido pela GM e utilizado em picapes e caminhões leves Chevrolet e GMC durante os anos 50 e 60, tinham deslocamentos que iam de 305 até 478 polegadas cúbicas, (de 5.0L a 7.9L) e que inclusive teve um V-8 derivado deles, mas com angulo do V alterado para 90', com 637 polegadas de deslocamento e um interessantíssimo V12, chamado comercialmente de double 6, que deslocava 702 polegadas, 11,5 litros.

Houve versões a diesel, mas eram pouco populares e sofriam concorrência interna dos Detroit/GMC 2 tempos, muito mais populares e de desenho mais robusto e confiável. Não vingaram. Há uma exceção a regra que merece ser comentada que é o motor Ferrari utilizado no carro modelo 156 de 1961 que Phil Hill utilizou para ganhar o campeonato mundial de formula 1 no mesmo ano. Era com V de 120°, o que levava a algumas coisas interessantes, tinha um eixo com pinos móveis comuns a 2 bielas, o que reduzia muito o custo de produção e tornava o desenho muito atraente, mas o fato de ser exageradamente largo, tanto quanto um flat 6 nunca fez o desenho ser popular. Era atribulado pelos mesmos itens do V6 60'. O desenho voltou a ser utilizado pela Ferrari no carro turbo de 1981.

V6 90°

Esse desenho surgiu por uma questão muito simples: economia. No início dos anos 60 havia uma demanda por carros menores e mais econômicos nos EUA. Os fabricantes não dispondo de motores L4 adequados a propulsionar as barcas de então, vislumbraram a possibilidade de retirar 2 cilindros de um V8 existente e fazer um motor menor e menos gastador, contudo com um nível de potencia adequado a um veiculo menor, no qual seria indesejável por questões de espaço se montar um L6 já existente. Esse raciocínio foi utilizado pela engenharia da Buick, a grande pioneira e patrocinadora desta idéia.

O principio básico é um V8 sem 2 cilindros, e com um virabrequim com apenas 3 pinos móveis, que por conta de se ter um angulo de 90 e que 720/6 é 120, fazia que os pistões chegassem aos PMS em intervalos irregulares de 90/15090/150 aos invés do que se desejaria 120/120/120, resultando no mais notório caso de motor oddfire conhecido. O ronco do motor é estranho, a entrega do torque é irregular pelos pulsos mecânicos desiguais, porém a avaliação geral é aceitável, e o projeto foi levado a frente, e em 1964 foi vendido a AMC. O motor é atribulado apenas por momentos, gerados em parte pelas2 bielas adjacentes que por estarem em cilindros opostos a 90'produzem apenas um único momento de magnitude fixa (componentes horizontais e verticais iguais) sendo que os de 1' ordem são completamente balanceáveis com o uso de contrapesos simétricos e diametralmente opostos no eixo. Contudo sobra um momento de segunda ordem que atribula o motor tendo a mesma como atuação a tendência de levar a frente do motor para a direita e a traseira para esquerda,movimento composto exclusivamente no plano horizontal (neste plano está contido o eixo de manivelas) sendo que há uma alternância dupla do sentido deste momento de 2' a cada rotação do eixo.

Somente pode ser compensada com o uso de 2 eixos contra rotativos, que devem girar com o dobro da velocidade do eixo, sendo que esses 2 eixos devem obrigatoriamente estar contidos no plano vertical que contenha alinha de eixo do vira e os 2 eixos devem ser equidistantes do eixo de manivelas. Um arranjo praticamente impossível de se fazer por questões de espaço. Mas o que mais incomoda não é o momento de segunda, mas a sequência de ignição odd-fire. Como já citado, o ronco do motor fica desagradável, além do que a sequência 90/150/90/150cria uma harmônica que causa muito stress torsional no eixo de manivelas. Um damper é requisito obrigatório. O melhor exemplar desses motores é o Buick V6 dos anos 60.

O desenho foi vendido depois a AMC e posteriormente recomprado no ano de 1975 e relançado em vários carros da marca Buick por conta da crise do petróleo. Um movimento inédito na indústria americana.Como citado acima a pior parte do desenho deste V6 era a sequencia odd fire. Então, a engenharia da Buick ousou desenhar um novo eixo de manivelas com os pinos moveis particionados, que permitiam aos pistões chegarem ao PMS em intervalos simétricos de120'. Então se tinha um motor com sequência de ignição even. Isso feito em realidade não era nenhuma novidade, essa solução do mancal particionado era uma patente Lancia que datava 1915.

O problema que surgiu foi apenas o fato de que, por as bielas não terem mais um ponto comum nem a articulação comum a 90' não mais oferecerem um único momento de 1ª' ordem de componentes verticais e horizontais idênticas. Essa opção também teve outro inconveniente, como foi feito um septo no meio do mancal móvel para possibilitar que ele fosse fracionado e defasasse os 30° necessários, as bielas ficaram fora da linha de centro dos cilindros. O septo tinha .120" (3mm) de espessura.Esse septo é que tira as bielas dos centros dos cilindros.Vale lembrar que as bielas dos V8 e V6 odd fire não tem as bronzinas centradas nas mesmas, o raio de concordância no lado externo das bielas é muito maior que o do lado que faceia a outra biela. No evenfire, ambos raios são iguais e muito menores. As bielas dos odd fire são postas muito próximas a linha de centro dos cilindros como nos demais V8, sempre se tolerando alguma folga para as tolerâncias de usinagem.

No entanto, os .120" do septo do even fire fazem a biela ficar .098" (2,5mm) fora do centro do cilindro. Ou seja, a média de deslocamento da linha de centro é mais do dobro do máximo tolerado para produção do Odd fire. Valem agora algumas considerações já vistas nos monocilindros. As vibrações no plano vertical atribulam mais ocupantes dos veículos que as horizontais. O desenho novo gerava um momento com componentes verticais e horizontais. Como já visto, a variação do fator de balanceamento relativo a massa reciprocante permite anular uma componente as custas do aumento da outra. Então se optou por fazer um balanceamento com fator de 36.6% deixava a componente vertical zerada. Iso fazia o motor ser um completo evenfire, sem vibrações verticais.Contudo a Buick não foi a única a usar motores V6 derivados de V8 normais de produção.

A divisão Chevrolet também o fez. Só que usou uma aproximação diferente. Também particionou o mancal móvel,mas ao invés de buscar uma sequência even, optou-se por fazer 5 motores protótipo com angulo de partição distintos de 0°, 15°, 18°, 22° e30°. Os com 0 graus eram full odd fire, o de 30° era full evenfire e os outros chamados de semi-even. O consenso democrático foi de que o melhor de todos os motores foi o de 18° de partição. Isso gerava uma sequência de 108°/132° e que reduzia a flutuação do torque e a harmônica no eixo em 62%, e depois o motor era sub-balanceado com fator de 46% para reduzir ao máximo a componente vertical do momento de inércia. Isso gerou um motor que foi considerado muito utilizável á época, sendo posteriormente substituído por outra versão, desta feita, full even fire. A nova versão foi a que conhecemos em nossas Blazer e S10.

Há uma partição de 30° graus nos mancais móveis do virabrequim, e há a adição de 1 eixo balanceador que gira na mesma velocidade do virabrequim. Esse eixo aliado com o rotineiro sub-balanceamento vai simplesmente anular o momento de primeira ordem presente no motor. Em verdade não anula completamente, pois é apenas um eixo que gira com a mesma velocidade do eixo, portanto tem um ponto de geração do momento antagonista não simétrico em relação ao eixo de manivelas. Vai ter um 3º momento de 1ª ordem como resultante, mas muito menor que os iniciais, e portanto o resultado é plenamente compensador. E o processo de fabricação do motor inicial não precisou ser muito alterado por conta disso.

Apenas uma pequena alteração na tampa de distribuição e a incorporação de 2 apoios para o eixo balanceador. Que fica colocado no vale entre os cabeçotes e imediatamente acima do eixo comando de válvulas. A Chrysler também tem seu V6, é um desenho semi-even fire, não tem eixo balanceador auxiliar, e o angulo de fracionamento do mancal do eixo é de 22°, sendo a sequência resultante de 112°/128°. Os motores usados nas Dakotas no Brasil são desta forma. Não há eixo compensador de vibrações.

8 cilindros

Há 4 arranjos de motores de 8 cilindros comercialmente disponíveis: dois em V a 90°, um em linha e outros 2 flat.

8 cilindros em linha

É a forma de montar um par de motores de 4 cilindros em linha um na frente do outro. Arranjo já bastante comum, houve vários motores L8 na história do automóvel. Complexo, caro e atribulado por torções e harmônicas no exageradamente longo virabrequim, é um motor não muito apropriado a altas rotações, e é exageradamente pesado em comparação a outros arranjos mecânicos. Não apresenta nenhuma resultante nem de primeira nem de segunda ordem, sendo portanto isento de vibrações e produzindo um motor que apesar de muito comprido e pesado, bastante agradável de ser utilizado. Um desenho que foi abandonado por conta de suas limitações nos anos 50.

V8 a 90°com eixo de 1 plano

É a forma inicial da associação de dois L4 juntados em angulo a 90° graus e utilizando um eixo de manivelas plano, com todos os mancais contidos em um único plano geométrico, que tem aparência física idêntica a de um eixo de L4, e tem como vantagem a conjugação das forças livres de 2°' ordem que atribulam os 2 L4 em uma soma vetorial cuja resultante é apenas 1,41 vezes a força inicial que atribulava cada um dos L4 separadamente. Neste caso 1 + 1 não é igual a 2, e sim a 1,41. Isso é interessante e animador, o gasto com balanceamento é pequeno, e o resultado dinâmico é razoavelmente interessante.

O motor tem um som próprio, bastante diferente dos V8 americanos, não possui cilindros adjacentes com ignição consecutiva e não apresenta nenhum momento no seu conceito. Por não ter nenhum momento a ser anulado, permite um desenho de eixo fino e leve. Por não possuir nenhum cilindro adjacente com ignição em sequência não é atribulado por problemas de esvaziamento melhor ou pior de cilindros nem indução de ignição em cilindros adjacentes , sendo isso vantagem em motores de competição com pouca cilindrada.Todos os motores Ferrari, TVR, Lotus, Ducatti de F1 de motos dos anos50 são de 1 plano apenas. Não faz muito sentido em motores de grande deslocamento, onde a massa compensatória do momento de 1ª ordem dos eixos de 2 planos não atribula muito o desenho.

V8 a 90° com eixo de 2 planos

Esse é o principal desenho automotivo da industria norte americana. A Porsche também usa esse desenho em seus V8 utilizados nos 928, bem como Mercedes Benz e BMW. O desenho se constitui da seguinte forma: Os mancais móveis são arranjados de forma que as bielas são montadas em pares num único pino, o primeiro é posto na vertical, o segundo a 90° do 1º, o 3º a 180° do segundo e por fim o 4º a 90° graus do 3º sempre seguindo a mesma orientação de rotação de referencia. Tal arranjo e o fato de cada par de bielas estar a 90° uma da outra vai fazer com que não haja nenhuma força livre resultante. Não há momento de segunda ordem apenas 1 de primeira,com componentes horizontais e verticais idênticas, podendo portanto ser completamente anulado por outro momento simétrico,gerado por 2 contrapesos simétricos e diametralmente opostos nos extremos do eixo.

Isso torna o eixo mais pesado que o de um V8 de 1plano, portanto em um motor pequeno é algo a ser considerado. Há também o fato que se pode dispor os eventos de distribuição em 2 ordens distintas, mas em qualquer uma delas haverá sempre 1 par de cilindros com ignição em sequência sendo que um será vizinho do outro. Isso é indesejável se o motor tem tão pouco deslocamento a ponto da calibragem da admissão ou esvaziamento do cilindro ser notadamente afetada por esse evento. É desejável que os cabos de vela que alimentam as velas desses 2 cilindros sejam roteados o mais distante possível um do outro para evitar problemas referentes e indução de corrente no que vem depois.

Flat 8

Como já vimos inicialmente, esse arranjo vai ser prejudicado pelo tamanho. O resultado vai ser um motor extremamente largo, impossível de ser colocado com racionalidade na frente ou traseira de um veiculo para uso normal, sendo então utilizado em posição central. Houve poucos exemplos deles, há possibilidade de 2 desenhos distintos, um com eixo plano, onde há ignição simultânea de2 cilindros década vez, sendo que cada evento simultâneo ocorre a 180° do outro. Há uma pobre saída de torque, sendo idêntica a dos L4.

O virabrequim nesta situação é idêntico ao de um L4, e o motor é atribulado por um momento de 2' ordem. que tem como fator importante o desalinhamento de cada par de cilindro em oposição. A outra possibilidade seria a confecção de um eixo de 2 planos como nos V8 de 2 planos, como se 2 L4 de 4 tempos com eixo de 2 planos juntados por baixo. Então seria atribulado por um momento de primeira ordem com componente apenas vertical. Haveria a possibilidade da soma vetorial dos momentos dos 2 motores se anular, sendo resultado um motor liso e sem vibrações. Não há referencias literárias sobre esta montagem.

V10

Como houve os V6 gerados pela necessidade de se ter algo menor que um V8 mas maior que um L4, em certa época se desejou algo maior que umV8 bloco pequeno, mas que não trouxesse os problemas de emissão gerados por um motor com cilindros muito maiores. Como a supressão de 2 cilindros que era razoavelmente grave terminou por ser razoavelmente contornada, optou-se então por se ter um motor com mais 2 cilindros e se tentar um arranjo que permitisse maior aproveitamento do mesmo.

A formula usada é muito simples: o angulo do V é de 90°', portanto temos o desejável angulo mágico de 90°' fazendo uma série de 5 momentos ao longo do eixo. A sequência de ignição é odd fire, sendo os intervalos de 90°/54°/90°/54°, contra os 72°/72° even desejáveis. O comportamento do motor que é atribulado por momentos de inércia de 1ª ordem (completamente anulável pela pratica de colocar 2 contrapesos simétricos e diametralmente opostos nos extremos do virabrequim) mas o de segunda não é facilmente anulável sem o auxilio de eixos contra-rotativos. Pela menor defasagem quando comparado a um V6 odd fire, as harmônicas geradas são menores,apesar de existirem e dependendo do tamanho do motor serem até perceptíveis. Um remendo a principio não muito recomendável que a industria e a necessidade de redução de custos tornou possível.

V12

Esse é bastante simples de ser entendido. A principio como um par de L6 juntados pela base. Como é a junção de 2 harmônicos, não apresenta resultantes também. Atribulado pelo longo eixo e pelas mesmas harmônicas de 6ª ordem que atribulam os L6, sempre é tido como motor exótico, sempre associado a altos desempenhos e uma imagem de sofisticação. Normalmente caros e complexos, apresentam comportamento dinâmico impecável, o único senão sendo o sobredimensionamento do eixo de manivelas com vistas a compensar seu exagerado comprimento. Normalmente o angulo do V é de 60°.

18 comentários:

  1. !!!!!!

    Confesso que lendo rápido pouco assimilei...

    Terei de ler com mais calma!

    E só tenho uma coisa a dizer: AMÉM!

    *rs*

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  2. Desenhos ajudam também, por isso coloquei o link em outro post para um site onde mostram as diferenças do V8 eixo plano e do tradicional americano.

    Post fantástico, mas já tive essa aula com o mestre AG há mais de 10 anos, hehehe. Difícil assimilar de primeira mesmo.

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  3. Sacanagem essa descarga de informações sem fotos ou diagramas!
    Valeu pelo texto mas fico me sentindo um idiota. Me interesso por tudo sobre carros, mas assim a distância dos manés aqui pro mestre Mr V8 fica inatingível.

    Tenho vergonha de me identificar.

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  4. Amigos vejam o site http://www.autozine.org/home.html
    Na parte Technical School tem um texto sobre balanceamento de motores, inclusive o VR6, além de muitas outras coisas interessantes. Valeu AG, é raro ver essas informações na net. Eu pensava que os motores 6 em linhas fossem perfeitos, não sabia dessa harmônica.

    Abraço

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  5. Cara, excelente post sobre balanceamento de motores. Você conseguiu simplificar um assunto que é bastante complicado. Precisei ler umas duas vezes cada tipo de motor para entender como o balanceamento funciona...

    Confesso também que precisei procurar desenhos na Internet para entender que raio de virabrequim de 2 planos é esse! Eu sempre pensei que os V8 americanos fossem de 1 plano somente. Vi até ao vivo e a cores um virabrequim de Dodge 318 e não notei a defasagem de 90° entre um munhão e outro.

    Agora entendi o porquê do compensador harmônico na ponta do "6-caneco" de meu Caravan. E também porque esses motores trabalham como gatinhos em baixa rotação.

    Percebo que conheço cada vez menos de motores...

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  6. AG para presidente! Cadeia pro atual!

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  7. Espetaculo de post. Existe alguma informacao dos motores da VW, Bugatti, etc em W?

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  8. Pessoal:

    Este texto é bom apenas pelo que representa: um trabalho de pesquisa, a respeito de um assunto obscuro. Claro que estou em divida com todos por falta de fotos ou informações, mas no momento me é impossivel desenhar tudo isso para uma melhor compreensão. Novamente me desculpo por isso. E ao mesmo tempo ainda afirmo que, muito melhor que imagens são asilustrações que o Cruvinel mandou. Aí sim o entendimento é perfeito. Eu bebi em várias fontes para consegui juntar isso aí tudo. O assunto balanceamento é imensamente distorcido, mal explicado e mistificado. Tá, é complexo pacas e as possibilidades e arranjos são infinitos. Eu não comentei motores aeronauticos radiais, belos em sua extremanente complexa simplicidade nem os arranjos exóticos como os W,que o Scheidecker comentou, nem os Ves apertados como os VR5 e VR6 da Volks e seu derivados como os W da mesma VW, Audi e Bugatti. É impossivel traçar uma linha de raciocinio valida porque as variaveis sãi infinitas. Tipo um motor de 3 cilindros radial, se com um eixo singelo desmontável, como os de motores 2 tempos, com uma unica manivela ou cambota, com 3 bielas fendidas alinhadas as 3 em um unico plano é harmonico, perfeito com um unico momento resultante de primeira ordem completamente compensável com um unico contrapeso no eixo de manivelas oposto a manivela, mas tal arranjo mecanico seria inutil pois em nada seria vantajosa sua aplicação, e o esquema das bielas alinhadas e fendidas além de dificil e caro de produzir seria algo como um compromisso por serem longas e relativamente finas e delgadas. Os Ves de angulo apertado e os W automotivos são soluções comuns em compressores e em outras maquinas termicas usadas em refrigeração, onde balanceamento e suavidade de funcionamento ou sua falta normalmente são resolvidos com grandes coxins de borracha. Neles sempre teremos resultantes em forma eliptica, com componentes horizontais e verticais diferentes, tornando dificil e caro seu cancelamento.
    E ainda vale um comentário, aos que lembram de um prototipo chamado Audi Avus, o motor era um W12 feito a partir do que poderiamos ver como 3 blocos de 4 em linha colados em torno de uma mesma linha de eixo. Não me lembro dos angulos, mas me pareceu algo como 30° entre as bancadas adjacentes, ou seja a resultante seria uma força livre de segunda ordem, bela e eliptica com um componente vertical grande e um horizontal pequeno, aparentemente 3 bielas em cada pino movel do eixo. No caso imagino um eixo plano, como se fosse um de L4 normal, até porque o motor montado denotava isso, com as bancadas sendo montadas uma ligeiramente mais a frente da outra como em um motor em V normal. O merlin aeronautico, que tinha uma biela por dentro da outra e portanto as bancadas de cilindro alinhadas não é o comum, é anormal. O W8, W12 e W18 são feitos como o VR6, montados em grupos.
    Por fim, Alberoni, não sofra pelos em linha. Eles são perfeitos sim. Tenha em mente que apenas se consideram forças e binários de primeira e de segunda ordem, porque cada vez que aumentamos um expoente ou ordem a uma resultante, ela diminui de forma proporcional. Uma força livre de terceira ou quarta ordem já é desprezível. A de sexta é minima e só tem importancia na medida em que ressona no eixo. Daí a necessidade de sempre usarmos um bom amortecedor de vibrações ou damper, devidamente equacionado, na ponta do eixo. E igualmente importante, respeitar dentro do possivel as limitações de rotação atreladas ao projeto. No caso nosso, Brasil, impossivel não pensar em GM 250, que se sente alegre e feliz até 6 mil rpms, depois disso, estamos em aguas turvas...
    E ao Anonimo: cara, lestes o reminiscencias? aprender é bom, mas é aquilo, quanto mais se aprende, mas se fica certo de nada se saber! Meu grande barato é oferecer a quem tiver interesse o pouco que sei, para que esses que se interessem gastem o tempo que tiverem disponivels a criticar e fazer outros experimentos, para que não errem os mesmos erros que já errei. Isso é que realmente importa.

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  9. A GMB deveria, ou melhor, deve contratar o AG para transformar as britadeiras em motores de verdade!

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  10. Interessante toda a explicação.
    Gostaria de saber qual seria a configuração mais "balanceada" para os 6 cilindros: um v6 a 120º, Flat 6, ou ainda um boxer 6 (que se difere do flat 6 por ter mancais de bielas diferentes para cada pistão).
    Ouvi dizer que a configuração mais apropriada para os v6 seria com angulação de 120º. Sendo assim, como é possivel que os flat 6 sejam melhores balanceados?!?
    Grande Abraço

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  11. Parabéns pelo trabalho Alexandre Garcia!
    Sou estudante e resolvi focar meu TCC nesta área, sei o quanto é difícil informações. Minhas principais e únicas fontes são estes 2 post e livro Analise de Motores de Combustão Interna vol.2, tem um capítulo que trata só sobre balanceamento.
    Você teria bibliografias e/ou informações a me indicar sobre o balanceamento dos motores 3 cilindros.

    Obrigado desde já,
    NFR.

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  12. NFR,

    No Manual do engenheiro mecanico da editora dubbel tem alguma coisa, mas pouco bem pouco.
    Na mesma linha do que vc achou no analise de motores. O assunto é dificil e as fontes de informações raras. E 3 cilindros são bem incomuns. Um comentário que vale é que eles em termos de comportamento sob a otica das vibrações tem a ver com o 5 em linha. Entender bem o 3 faz a guerra dos V6 ser bem mais simples.

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  13. Alexandre Garcia,

    Primeiramente parabéns pela matéria, segundo, preciso fazer o balanceamento dos componentes de um SBF 302. Também sou de Brasília e gostaria de saber se você pode indicar alguma empresa que faça bem esse procedimento, mais próximo de nós aqui em BSB.

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  14. Rafael,

    Aqui em Brasilia ninguem esta fazendo balanceamento de V8. Duas maquinas quebradas, na Mineira e na Brasiliense. Tem que levar para Goiania mesmo ou tentar em formosa, dia desses liguei numa retifica lá e o cara tem a maquina, mas parece que não sabe fazer V8, e não tem os bob weights tb.

    AG

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  15. Há um artigo na Wikipedia com as equações que regem o equilíbrio de motores de combustão interna e apresenta também a analise de motores de 3 e 4 cilindros em linha:

    http://pt.wikipedia.org/wiki/Equil%C3%ADbrio_de_motores_de_combust%C3%A3o_interna

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  16. Grande Alexandre e demais,
    Além dos aspectos dinâmicos, sempre tive curiosidade de conhecer os efeitos dos deslocamentos de ar dentro dos blocos dos diversos motores. Pouco achei de literatura sobre isso, embora deva haver algum conhecimento vigente, especialmente pela questão de emissões (no caso, de ar contaminado com óleo lubrificante). Um 4 em linha (na minha pouco instruída cabeça) não tem variação de pressão interna (2 cil no pmi e 2 no pms). Como vão funcionar os 3 em linha? Abs.

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    Respostas
    1. Olha, bem complicado uisso de querer atrelar numero de cilindros com deslocamento de ar dentro dos blocos. Não existe, até onde eu sei, um modo de se equacionar isto. Muitas variaveis, muitas diferenças. De forma geral ainda tem que considerar as perdas por bombeamento, o que vaza pelos anéis e desce pro carter. Tem que ter ventilação positiva de carter, tem que ser de forma adequada para não vazar para a atmosfera, tem que ser queimado novamente na combustão.

      AG

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  17. A análise é mesmo complexa, mas pensei em simplificá-la somente considerando a variação de pressão dentro do carter pelo movimento de cada pistão. Isso daria uma idéia de quanto o cárter "respira", ou o quanto deve haver de ventilação positiva (ou negativa) do cárter para compensar essa variação de pressão. Os V6, os 3 em linha e os flat 6 estariam na condição de maiores variações de pressão e, daí, seriam motores que precisariam de mais "respiro". Deixar entrar ar externo no cárter quando a pressão for inferior à atmosférica e depois deixar o motor aspirar os gases do cárter quanto a pressão for superior me parece que é a solução adotada por quase todos os motores, mas no caso dos mais "desequilibrados" isso deveria levar, pelo menos, a um consumo maior de óleo. Isso acontece na prática?

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