Originariamente Scritto da
2IS
ciao settembrenero, e benvenuto su VR. Il quesito da te sollevato credo che sia uno tra i più gettonati del momento. Per questo vedrò di fare un po' di chiarezza per quello che so, partendo dall'inizio e da una breve analisi fisica dell'albero.
Il moto complesso di un albero motore è schematizzabile come la composizione di due moti, uno rotatorio attorno ad un asse fisso e l'altro di tipo "roto traslatorio armonico" (probabilmente non è la definizione più corretta, ma non saprei come definirlo altrimenti), che per semplicità assumeremo come traslatorio. il moto rotatorio comprende l'intero albero più una parte della biella, equivalente a circa un terzo della sua massa. Il moto traslatorio riguarda gli altri due terzi della massa della biella e il pistone completo di tutto (fasce, spinotto, gabbia, fermi). Tale traslazione definisce le masse alterne del manovellismo.
Seguendo il movimento dell'albero ci si può accorgere di come il moto delle masse alterne dia origine ad alcune forze, le quali agiscono sull'asse verticale del sistema e che, in assenza di altre forze di verso opposto, graverebbero sugli unici vincoli presenti, cioè i perni di banco, provocando vibrazioni e deformazioni tali da costituire rotture certe dell'albero e dei cuscinetti in poco tempo. Dunque in teoria ci vuole una forza di pari intensità e direzione (cioè uguale in modulo e agente sulla stessa retta), ma di verso opposto, in modo da annullare gli effetti negativi del movimento del pistone. Sottolineo "in teoria" per un motivo preciso: sui monocilindrici più evoluti (e grossi di cilindrata, ad es. Ducati 550 supermono) esistono degli organi preposti a controbilanciare le masse alterne mediante l'utilizzo di un contralbero "a mannaia" (ma esistono anche altri sistemi più complessi) adeguatamente fasato con l'albero motore, cioè in modo tale che nelle posizioni critiche (90° e 270°) la componente orizzontale della forza sia completamente contrastata. In questo modo è possibile azzerare quasi integralmente gli effetti delle masse alterne, dando un taglio netto alle vibrazioni, che sono tra le principali cause di dissipazione della potenza.
Sui monocilindrici sprovvisti di sistemi ausiliari di bilanciamento (come la vespa) questa equilibratura totale non è posibile, in quanto per ottenerla bisognerebbe appesantire parecchio l'albero, con la conseguenza che nei punti critici (gli stessi di prima...), la forza centrifuga della grande massa applicata all'albero finirebbe con l'equilibrare le forze sull'asse verticale, ma svilupparne altre su quello orizzontale.
Ovviamente, volendo analizzare tutti parametri, non dovremmo limitarci solo alle forze, ma bisognerebbe tenere conto, ad esempio, anche dei vari rapporti di compressione (geometrico, volumetrico (a luci chiuse o alla giapponese), compressione del carter-pompa) e dell'espansione presente, ma anche di tanti altri parametri, che in qualche maniera influiscono sulla spinta e sulla risalita del pistone, che di certo non scende per la sola forza di gravità...
Da questo si deduce che per tanti (me compreso) tenere conto di tutte queste variabili non è una cosa fattibile; inoltre per la vespa e per il tipo di motore che ha, spesso non vale la pena scervellarsi a questi livelli, ma è conveniente cercare un compromesso e accettare parte delle vibrazioni sui due assi, dunque vediamo come arrivare a questo compromesso...
Il punto di partenza è l'albero nella posizione della foto, avendo cura di porlo con l'asse di rotazione perfettamente in piano e in modo che possa ruotare col minore attrito possibile, dunque deve poggiare su una superficie quanto più ridotta è possibile. Meglio ancora se i dischi sono molto grandi, rigidi e sottili, e fanno poggiare l'albero in due punti vicini tra di loro. Meno attrito si ha nella rotazione, più è possibile essere precisi e ottenere un risultato soddisfacente.
La prima operazione da compiere è quella di trovare un punto di partenza, che serva da riferimento per le fasi successive, ovvero il controbilanciamento vero e proprio (che dobbiamo ancora definire).
L'unico modo per arrivare a questo punto di "reset", è equilibrare "a zero" l'albero motore, cioè fare in modo che il baricentro dell'intero albero (comprese anche le masse alterne) vada a coincidere con l'asse di rotazione dell'albero stesso. Per effettuare questa operazione ci sono due strade:
(tengo a precisare che in entrambi i casi si tratta di equilibratura statica dell'albero, che tiene conto solo degli sbilanciamenti più evidenti)
1) disassemblando l'albero motore: Questa prima opzione è sicuramente quella con cui si possono raggiungere i risultati migliori. Il lavoro consiste nello smontare l'albero separando le spalle ed estraendo la biella e i relativi cuscinetti, pesare la biella completa di tutto e il pistone (anch'esso completo) e creare una boccola dello stesso peso esatto, da inserire sullo spinotto di biella. Infine richiudere l'albero con la boccola al posto di tutto l'insieme biella+pistone. In questo modo è possibile bilanciare l'albero più semplicemente, in quanto abbiamo concentrato tutta la massa alterna sullo spinotto stesso. Per questa operazione non è necessario richiudere l'albero con una forte interferenza, così si possono preservare le mannaie da stress termici per la chiusura definitiva da effettuarsi alla fine di tutto.
2) tenendo la biella sempre in orizzontale: quest'altro metodo, meno preciso del primo, è da preferire nel caso in cui l'albero non si possa (o non si voglia) aprire. l'unica accortezza, per l a verità un po' difficile da mantenere, è quella di tenere la biella perfettamente orizzontale sul sull'asse congiungente l'occhio con il piede. Questo perchè la forza peso delle masse alterne DEVE avere SOLO componente verticale rispetto al sistema, altrimenti le nostre misurazioni saranno certamente alterate. Visto che in questi casi è già difficile tenere la biella nella giusta posizione, lo è ancor di più se il pistone è ancora attaccato, dunque è conveniente sostituirlo con un oggetto di massa analoga facilmente fissabile al piede di biella, ad esempio un bullone serrato da un lato e dall'altro con un certo numero di rondelle infilate, fino a raggiungere il peso esatto...
indifferentemente dai metodi, visto che l'obiettivo è comune, anche il modo "pratico" di bilanciare può essere lo stesso. Inizialmente può risultare comodo utilizzare della plastilina, appesantendo in corrispondenza al bottone di biella con delle applicazioni di materiale dalla forma più regolare possibile, finchè l'albero non resta immobile in qualunque posizione venga messo e non tenda a tornare verso un punto preciso...
Utilizzando il secondo metodo l'obiettivo è analogo, con l'unica differenza che la biella durante la rotazione deve essere sempre orizzontale.
Una buona norma in entrambi i casi, invece, è quella di annotare il peso iniziale dell'albero completo e il peso del materiale aggiunto. Questo perchè per il bilanciamento definitivo potrebbe essere necessario forare l'albero per riempirlo con materiale di densità più alta (piombo/tungsteno) e ovviamente bisogna tenere conto del materiale tolto e di quello che si deve aggiungere...
Al bilanciamento statico, eseguito con uno dei due metodi sopra descritti, può seguire anche il bilanciamento dinamico, da effettuarsi preferibilmente in officine specializzate e per un numero di giri discretamente alto. Questo perchè se tiriamo in ballo la dinamica di un corpo in rotazione, se parliamo di forze dobbiamo introdurre anche il concetto di momento angolare, che esprime una grandezza proporzionale alla velocità e al braccio. Detto in parole povere, una minima massa "fuori posto" staticamente potrebbe restare invisibile, mentre dinamicamente, il momento che essa genera potrebbe causare grossi sbilanciamenti, in maniera sempre crescente con l'aumentare dei giri.
Eseguire questa operazione da soli è praticamente impossibile, anche se in teoria un sistema ci sarebbe...(irrealizzabile con mezzi casalinghi e comunque molto complesso...). Tempo fa, su un altro forum, avevo pensato ad un modo per bilanciare un volano, e la mia testa aveva partorito questa malsana idea...
bisogna avere un profilato possibilmente molto rigido (non deve flettere o vibrare in rotazione) ricavato al tornio con un "finto cono" su cui fissare il volano. questo perno deve stare perfettamente orizzontale tra contropunte o su dei perni dotati di cuscinetti, con meno attrito possibile. mettendo in rotazione il volano, questo si fermerà sempre con la parte più pesante (dunque da alleggerire) verso il basso, finchè esistono parti più pesanti e finchè l'attrito (seppur minimo) delle contropunte o dei cuscinetti, non fara più accorgere delle differenze. Quando si raggiunge questo limite solitamente si passa alla parte dinamica, se necessaria. Premesso che un volano di norma va bilanciato a ZERO, dunque con il centro di massa esattamente sull'asse di rotazione, se si mette una bilancia sotto tutto l'apparato sopra descritto e si mette in rotazione il volano, teoricamente l'indice dovrebbe segnare sempre lo stesso punto. All'aumentare del regime, poichè il momento è proporzionale alla velocità angolare, le differenze di peso saranno sempre più evidenti. Il problema è che con strumenti casalinghi non si può stabilire dove alleggerire. A seconda della velocità di rotazione si potrebbe calcolare semmai la massa da togliere e a che distanza dal centro, tramite la formula del momento d'inerzia, ma anche questo è un lavoro lungo, duro e noioso...
l'ideale per aver eun'idea di dove alleggerire potrebbe essere filmare il volano mentre gira e analizzarne i fotogrammi visualizzando la posizione dell'ago della bilancia e del volano stesso, ma visto che le videocamere arrivano al max a 30fps, in questo modo TEORICAMENTE (ripeto "Teoricamente" perchè finora che io sappia non ci sono stati dei pazzi che lo hanno fatto così...) si può arrivare ad equilibrare solo fino a 1800rpm, che sono un po' pochini...per migliorare un po' le cose ci vorrebbe una videocamera simile a quelle con cui si fanno gli "high speed slow motion", che fanno anche 200fps, arrivando quindi a 12000 giri, che già sarebbero comodi...
è anche vero che in un secondo il volano compirebbe più di un giro, dunque forse sto esagerando, però potrebbe essere un'idea...
il top, infine, sarebbe studiarne i comportamenti al variare del regime di rotazione, per individuare eventuali inneschi di risonanze (vibrazioni)...però diciamo che se si riesce ad equilibrare il volano in modo neutro a 12000 giri in linea di massima siamo a posto anche per i regimi inferiori...
Una volta stabilito il peso da applicare all'albero per raggiungere l'equilibrio, si passa al controbilanciamento delle masse alterne, ovvero il succo dell'operazione. Quest'ultima fase deve tenere conto di una percentuale precisa, definita come:
peso del piede di biella + peso da aggiungere per equilibrare a zero / (peso del pistone completo / 100).
di solito tale percentuale oscilla tra il 35% e il 70%, scegliendola più alta si attenuano maggiormente le vibrazioni dell'asse verticale del motore, se è bassa invece il motore non vibra sull'asse orizzontale, ma avrebbe problemi su quello verticale...Visto che l'ideale sarebbe avere il 100% delle masse alterne bilanciate, ma non è possibile farlo, si potrebbe pensare che bilanciarle al 50% potrebbe rappresentare un buon compromesso tra i due assi, ed in effetti nella realtà spesso viene scelto un valore vicino alla metà, almeno per quanto riguarda i motori stradali. Ragionando sempre con la scomposizione delle forze e tenendo conto anche di quella di gravità (che nel caso di un motore verticale aiuta al massimo), si arriva alla conclusione che più incliniamo il motore e meno percentuale viene richiesta per raggiungere lo stesso comportamento. Tale differenza è misurabile ad esempio sui motori large rispetto a quelli small. Ricordo ancora una volta la scelta di questa percentuale è totalmente arbitraria. Sugli alberi in commercio è possibile ricavare la massa di bilanciamento preesistente in grammi in modo molto semplice. Con l'albero sui dischi, si appoggia il piede di biella in modo tale che stia in asse con l'asse stesso dell'albero e si aggiunge materiale sull'asse del bottone di manovella finchè asse dell'albero, occhio e piede di biella non si trovano sulla stessa retta. Noto il peso delle masse alterne e del materiale aggiunto, la percentuale si ricava facilmente...
Tale percentuale, inoltre, può essere raggiunta lavorando sulle masse in rotazione oppure su quelle in moto alterno (o anche entrambe). Ragionando su questo aspetto si arriva alla conclusione che è meglio avere un albero piuttosto pesante, in modo tale che le masse alterne rappresentino una frazione molto piccola di massa e dunque ci si possa permettere una percentuale più alta senza creare problemi e vibrazioni superflue. Per questo motivo si cerca sempre di alleggerire quanto più possibile le masse alterne rispetto all'albero, mediante bielle e pistoni superleggeri. Un motore con un albero molto pesante e un pistone e biella leggerissimi, si può equilibrare molto meglio ed è più predisposto a prendere giri rapidamente.
Da tutte queste considerazioni scaturisce il metodo di bilanciamento degli alberi che intuitivamente molti utilizziamo. È un sistema empirico, ma risponde esattamente alle leggi descritte finora. Le fasi sono: pesare l'albero, anticiparlo e togliere la stessa massa dall'altra spalla dell'albero, in una posizione diametralmente opposta alla parte asportata. In questo modo, però, l'albero viene alleggerito, di solito di non più di 50 grammi, con la conseguenza di abbassare la percentuale di equilibratura originale. Spesso già in questo modo si ottengono risultati molto soddisfacenti, ma per fare un lavoro "a regola d'arte" (per il tipo di intervento), nei limiti del possibile bisognerebbe ritornare al peso iniziale dell'albero in qualche modo, oppure effettuare un alleggerimento analogo sul pistone, ovviamente analogo in percentuale, non in grammi. Tuttavia non è sempre possibile fare questo, perchè su alcuni pistoni non ci sono sufficienti margini di alleggerimento, quindi qualche volta il famoso "compromesso" deve comprendere anche qualche spiacevole vibrazione in più.
bene o male questo è tutto quello che bisogna sapere per fare un lavoro di equilibratura, dal caso più semplice e alla portata di tutti, fino a quello più “professionale”. Spero di essere stato utile in qualche modo, ma dobbiamo ringraziare anche Curare, Ciop, Checco e altri con i quali spesso ho avuto modo di confrontarmi e di discutere riguardo a questo argomento, che secondo me è uno tra i più interessanti e articolati che riguardano il mondo dei motori. Infine, vorrei dire che alcune operazioni descritte (come ad esempio “come scoprire la percentuale originale”) sono semplicemente mie osservazioni o deduzioni non ancora sperimentate nella pratica, dunque mi scuso fin da ora se ci dovesse essere qualche inesattezza. Anzi a tal proposito, chiedo ai più esperti di correggere gli eventuali errori...
(ho già corretto qualche lapsus e qualche errorino di grammatica)
Ciao
Grazie in anticipo!
con il frullino ti sposti 
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