Bilanciamento motore - Engine balance

Il bilanciamento del motore si riferisce al modo in cui le forze (derivanti dalla combustione o dai componenti rotanti/alternativi) sono bilanciate all'interno di un motore a combustione interna o di un motore a vapore . I termini più comunemente usati sono saldo primario e saldo secondario . Forze sbilanciate all'interno del motore possono provocare vibrazioni.

Cause di squilibrio

Ciclo di funzionamento per un motore a quattro tempi
Funzionamento di un motore bicilindrico

Sebbene alcuni componenti all'interno del motore (come le bielle) abbiano movimenti complessi, tutti i movimenti possono essere separati in componenti alternativi e rotanti, il che aiuta nell'analisi degli squilibri.

Utilizzando l'esempio di un motore in linea (dove i pistoni sono verticali), i principali movimenti alternativi sono:

  • Pistoni in movimento su/giù
  • Bielle in movimento su/giù
  • Le bielle si muovono a sinistra/destra mentre ruotano attorno all'albero motore, tuttavia le vibrazioni laterali causate da questi movimenti sono molto inferiori alle vibrazioni su-giù causate dai pistoni.

Mentre i principali movimenti rotatori che possono causare squilibrio sono:

  • Albero motore
  • alberi a camme
  • Bielle (ruotano attorno all'estremità del pistone come richiesto dal diverso disassamento orizzontale tra il pistone e la corsa della manovella)

Gli squilibri possono essere causati dalla massa statica dei singoli componenti o dalla disposizione dei cilindri del motore, come dettagliato nelle sezioni seguenti.

Massa statica

Se il peso, o la distribuzione del peso, delle parti in movimento non è uniforme, il loro movimento può causare forze sbilanciate, portando a vibrazioni. Ad esempio, se i pesi dei pistoni o delle bielle sono diversi tra i cilindri, il moto alternativo può causare forze verticali. Allo stesso modo, la rotazione di un albero a gomiti con pesi del nastro irregolari o un volano con una distribuzione dei pesi non uniforme può causare uno squilibrio rotante .

Disposizione del cilindro

Anche con una distribuzione dei pesi delle masse statiche perfettamente bilanciata, alcune disposizioni dei cilindri causano squilibri a causa delle forze di ciascun cilindro che non si annullano in ogni momento. Ad esempio, un motore a quattro cilindri in linea ha una vibrazione verticale (al doppio della velocità del motore). Questi squilibri sono inerenti al design e non possono essere evitati, quindi la vibrazione risultante deve essere gestita utilizzando alberi di equilibratura o altre tecniche di riduzione NVH per ridurre al minimo le vibrazioni che entrano nella cabina.

Tipi di squilibrio

Squilibrio reciproco

Uno squilibrio alternativo è causato quando il movimento lineare di un componente (come un pistone) non viene annullato da un altro componente che si muove con uguale momento e si muove nella direzione opposta sullo stesso piano.

I tipi di squilibrio di fase alternativo sono:

  • Mancata corrispondenza nei pistoni che si muovono contromano, come in un motore monocilindrico o in un motore a tre cilindri in linea.
  • Ordine di accensione non uniformemente distanziato , come in un motore V6 senza perni di biella sfalsati

I tipi di squilibrio del piano alternativo sono:

  • La distanza di offset tra i perni di biella causando una coppia oscillante sull'albero motore dalle forze di combustione uguali e opposte, come in un motore boxer-twin, un motore a tre cilindri in linea da 120°, un motore V4 a 90°, un motore a cinque cilindri in linea, un motore a 60 ° Motore V6 e un motore V8 a 90° crossplane.

Nei motori senza corse di potenza sovrapposte (come i motori con quattro o meno cilindri), le pulsazioni nell'erogazione della potenza fanno vibrare il motore in rotazione sull'asse X , simile a uno squilibrio alternativo.

Squilibrio rotante

Uno squilibrio rotante è causato da distribuzioni di massa irregolari sugli assiemi rotanti

I tipi di squilibrio di fase rotante sono:

  • Masse eccentriche sbilanciate su un componente rotante, come un volano sbilanciato

I tipi di squilibrio del piano rotante sono:

  • Masse squilibrate lungo l'asse di rotazione di un gruppo rotante che causano una coppia oscillante, ad esempio se l'albero motore di un motore boxer-twin non includesse contrappesi, la massa dei giri della manovella posizionati a 180° l'uno dall'altro provocherebbe una coppia lungo l'asse di l'albero motore.
  • Movimento laterale in coppie di gruppi in movimento contrario, come una differenza di altezza del centro di massa in una coppia di gruppi pistone-biella. In questo caso, una coppia oscillante è causata da una biella che oscilla a sinistra (durante la metà superiore della sua rotazione della manovella) mentre l'altra oscilla a destra (durante la metà inferiore), determinando una forza a sinistra nella parte superiore della motore e una forza a destra nella parte inferiore del motore.

Squilibrio torsionale

Smorzatore armonico per un motore Pontiac del 1937

La vibrazione torsionale si verifica quando la coppia viene applicata a distanze sfalsate lungo un albero.

Ciò avviene lungo l'asse di un albero a gomiti, poiché le bielle si trovano solitamente a distanze diverse dalla coppia resistente (es. la frizione). Questa vibrazione non viene trasferita all'esterno del motore, tuttavia l'affaticamento dovuto alla vibrazione potrebbe causare il guasto dell'albero motore.

I motori radiali non presentano squilibri torsionali.

Saldo primario

L'equilibrio primario si riferisce alla vibrazione che si verifica alla frequenza fondamentale (prima armonica) di un motore. Questa vibrazione si verifica quindi alla frequenza di rotazione dell'albero motore.

Saldo secondario

Causa di squilibrio

0: Blocco motore (nero)
1: Pistone (blu)
2: Biella (verde)
3: Albero motore (blu)

Un pistone si sposta ulteriormente durante la metà superiore della rotazione dell'albero motore rispetto alla metà inferiore, il che si traduce in vibrazioni non sinusoidali chiamate vibrazioni secondarie .

La differenza di distanza percorsa è dovuta al movimento della biella. A 90 gradi dopo il punto morto superiore (PMS) l'estremità dell'albero motore della biella è esattamente a metà della sua corsa; tuttavia, l'angolo della biella (cioè il movimento sinistra-destra, guardando in basso l'albero motore) significa che l'estremità del pistone della biella deve essere inferiore al punto di metà corsa, affinché la biella mantenga una lunghezza fissa . Lo stesso vale anche a 270 gradi dopo il PMS, quindi l'estremità del pistone percorre una distanza maggiore da 270 gradi a 90 dopo il PMS rispetto alla "metà inferiore" del ciclo di rotazione dell'albero motore (da 90 gradi a 270 gradi dopo il PMS). Per percorrere questa maggiore distanza nello stesso lasso di tempo, l'estremità del pistone della biella deve subire accelerazioni maggiori durante la metà superiore del suo movimento rispetto alla metà inferiore.

Questa accelerazione ineguale determina una maggiore forza di inerzia creata dalla massa di un pistone (nella sua accelerazione e decelerazione) durante la metà superiore della rotazione dell'albero motore rispetto alla metà inferiore. Nel caso di un motore a quattro cilindri in linea (con albero motore convenzionale a 180 gradi), l'inerzia verso l'alto dei cilindri 1 e 4 è maggiore dell'inerzia verso il basso dei cilindri 2 e 3. Pertanto, nonostante un numero uguale di cilindri si muovano in senso opposto direzioni in ogni momento (creando un perfetto equilibrio primario ), il motore presenta comunque uno squilibrio non sinusoidale . Questo è indicato come uno squilibrio secondario .

Matematicamente, il movimento non sinusoidale del meccanismo a manovella può essere rappresentato come una combinazione di due movimenti sinusoidali:

  • un componente primario con la frequenza di rotazione della manovella (equivalente a quello che sarebbe il movimento del pistone con una biella infinitamente lunga)
  • un componente secondario che si presenta al doppio della frequenza ed è equivalente all'effetto dell'angolo di ribaltamento della biella che abbassa la posizione del piede di biella da quando è in posizione verticale

Sebbene i pistoni non si muovano esattamente in questo modo, è comunque una rappresentazione utile per analizzare il loro movimento. Questa analisi è anche l'origine dei termini bilancio primario e bilancio secondario , che ora vengono utilizzati anche al di fuori del mondo accademico per descrivere le caratteristiche del motore.

Analisi matematica

Un cilindro

OneCyl.jpg

Consideriamo un motore monocilindrico, con un pistone, di massa , che si muove su e giù lungo l' asse. Il pistone è collegato all'albero motore da uno stelo di lunghezza . Se l'albero motore ha raggio , e tende con un angolo theta, , all'asse -, allora la posizione del pistone, , è data da:

La prima parte è il componente dell'albero motore lungo l' asse -. La seconda è la componente della biella, determinata mediante il teorema di Pitagora, la cui ipotenusa è la lunghezza e la cui lunghezza dell'asse è .

Se l'albero motore ruota ad una velocità angolare , attraverso un angolo nel tempo , allora

La velocità lineare del pistone lungo l' asse può essere calcolata come la velocità di variazione della sua posizione rispetto al tempo, cioè , che può essere scritta

usando la regola della catena. Per una velocità angolare costante, questo diventa

La seconda derivata darà l'accelerazione del pistone. Allo stesso modo questo può essere riscritto come

Considera che l'albero a gomiti viene azionato, ad esempio dalla quantità di moto di un volano. L'accelerazione del pistone corrisponde alla forza applicata al pistone dall'albero motore, utilizzando la seconda legge di Newton . (L'albero motore a sua volta percepisce l'inerzia del pistone e la forza di reazione viene trasmessa attraverso i suoi cuscinetti all'ambiente circostante e percepita come una vibrazione.)

Prima di differenziare, aiuta a fare una sostituzione.

Permettere

La sostituzione dà:

Differenziando rispetto a :

Nb regola della catena:

Differenziando ancora:

Questo è abbastanza ingombrante e non semplifica nulla di terribilmente utile. Ma può essere semplificato efficacemente usando approssimazioni. In un vero motore, la biella è più lunga del raggio dell'albero motore.

Supponiamo , allora . Così

Premesso che :

diventa

Allo stesso modo, quindi se ignoriamo il termine più piccolo:

Ricordiamo che: e Quindi la forza alternativa percepita sull'asse dovuta al moto del pistone è

Esiste quindi una prima componente, di magnitudo , con frequenza pari alla velocità di rotazione del motore, ed una seconda, di magnitudo , a frequenza doppia. Più piccolo ma dello stesso ordine di grandezza della prima componente di grandezza . (Il segno meno significa che la forza è verso il basso quando il lato destro è positivo, e viceversa. Quindi quando , e il pistone è al punto morto superiore, la forza che lo tira è verso il basso ed è il valore massimo.)

Possiamo vedere che l'effetto dell'albero motore e della biella combinati è di produrre una forza sull'asse attorno al quale ruota l'albero a camme, che ha un componente che vibra alla frequenza di rotazione dell'albero motore, e un secondo di un simile grandezza che vibra al doppio della frequenza.

La prima componente corrisponde al saldo primario e la seconda componente al saldo secondario.

Due cilindri

In un motore in linea, viene aggiunto un secondo cilindro parallelo al primo. Supponiamo che l'albero motore sia disposto in modo tale che i pistoni siano separati. Quando un pistone è al PMS, l'altro è al PMS. Le forze che agiscono sull'asse di rotazione dell'albero motore si combinano:

Supponiamo che i pesi dei pistoni siano uguali:

Quindi il componente di bilanciamento primario scompare - il motore è bilanciato in base alle sue forze del componente primario - ma i componenti di bilanciamento secondari si combinano e il motore a due cilindri subisce il doppio delle forze di vibrazione rispetto a quello singolo.

Quattro cilindri

Se un motore a quattro cilindri in linea è costruito da una coppia di un tale motore a due cilindri in una disposizione back to back, allora per simmetria sperimenterà la stessa firma di vibrazione, anche se il doppio della grandezza.

Non è chiaro se si considera un motore a 4 cilindri dal punto di vista della simmetria perché soffrirebbe di qualsiasi vibrazione, poiché sembra che i pistoni si annullino e si bilanciano. L'analisi matematica mostra dove sorge la causa della vibrazione.

Tre cilindri

Si consideri un motore a 3 cilindri in linea, in cui ciascuno dei pistoni è separato, ovvero a , e . Per informazioni su come gli angoli si annullano a vicenda, vedere ad esempio Elenco delle identità trigonometriche .

Cinque cilindri

Considera un motore a 5 cilindri in linea in cui i cilindri sono tutti equidistanti tra loro. Gli angoli sono , , , e . La derivazione per il motore 5 cilindri viene semplificata con le stesse modalità del caso precedente.

Lo stesso vale per qualsiasi numero di cilindri dispari in un motore in linea, le forze primarie e secondarie si annulleranno sempre per dare un motore equilibrato.

Configurazioni cross-plane

Nel caso delle analisi a due e quattro cilindri di cui sopra, assumono una configurazione piana piana, in cui le coppie di cilindri sono distanziate. (Nel caso di tre e cinque cilindri, sono distribuiti uniformemente in modo non "piatto".) Un albero motore può essere progettato in modo tale che i cilindri adiacenti siano separati, ed è una delle due configurazioni che si trovano sui motori V8 e che utilizzano il termine cross-plane per descrivere l'aspetto dell'albero motore, se visto frontalmente. Considera una bancata a quattro cilindri di un tale motore V8. Ogni cilindro sarà lontano dai suoi vicini, e dal prossimo; cioè sono in fasi a intervalli di .

Due cilindri

Inoltre, consideriamo ora due cilindri adiacenti del banco di quattro, a parte. Allora, come prima:

( L'ultimo passaggio può essere dimostrato espandendo usando la formula del doppio angolo per il coseno, notando che )

Il risultato mostra che l'effetto secondario - al doppio della velocità del motore - si annulla, lasciando solo la vibrazione primaria alla velocità mentre il motore sta girando. Il è solo la differenza di fase tra l'angolo dell'albero a gomiti e la tempistica della forza di vibrazione. Contrasta questo con un motore a due cilindri i cui pistoni sono separati, il che ha provocato una vibrazione secondaria al doppio della velocità del motore.


Quattro cilindri

Basandosi sull'analisi dei due cilindri, una configurazione a quattro cilindri è:

L'analisi dei due cilindri mostra che non c'è alcun effetto secondario, che le coppie di termini si annullano, quindi questi possono essere ignorati.

Quindi un motore a quattro cilindri cross-plane non subisce vibrazioni primarie o secondarie. Ne consegue quindi che un V8 costruito da due bancate di quattro di questi cilindri, e condividendo l'albero motore, non subirà alcuna vibrazione come risultato della sua rotazione. Ciò contrasta con un V8 piano piano, costruito da due blocchi cilindrici piani piani, ciascuno dei quali mostra una vibrazione secondaria, come descritto sopra.

Effetti e misure di riduzione

Sistema dell'albero di equilibratura : design del 1922 di Lanchester Motor Company

La vibrazione causata dallo squilibrio secondario è relativamente piccola a velocità del motore più basse, ma è proporzionale al quadrato della velocità del motore, causando potenzialmente vibrazioni eccessive a velocità del motore elevate. Per ridurre queste vibrazioni, alcuni motori utilizzano alberi di equilibratura. Un sistema di alberi di equilibratura è più comunemente costituito da due alberi con un peso eccentrico identico su ciascun albero. Gli alberi ruotano al doppio della velocità del motore e in direzioni opposte tra loro, producendo così una forza verticale che ha lo scopo di annullare la forza causata dallo squilibrio secondario del motore. L'uso più comune degli alberi di equilibratura è nei motori V6 e nei motori a quattro cilindri in linea di grande cilindrata.

Effetto della disposizione dei cilindri

Per i motori con più di un cilindro, fattori come il numero di pistoni in ciascuna bancata, l'angolo a V e l'intervallo di accensione determinano solitamente se sono presenti squilibri di fase alternativi o squilibri torsionali.

Motori dritti

Motore bicilindrico in linea con diversi angoli dell'albero motore

I motori bicilindrici in linea più comunemente utilizzano le seguenti configurazioni:

  • Albero motore a 360°: questa configurazione crea i massimi livelli di squilibrio primario e secondario, equivalenti a quelli di un motore monocilindrico.; ma l'ordine di accensione uniforme fornisce un'erogazione di potenza più fluida (sebbene senza le corse di potenza sovrapposte dei motori con più di quattro cilindri).
  • Albero motore a 180°: questa configurazione ha un bilanciamento primario ma un ordine di accensione irregolare e una coppia oscillante; inoltre, gli squilibri secondari sono forti la metà (e con frequenza doppia) rispetto a un motore bicilindrico a 360°.
  • Albero motore a 270°: questa configurazione riduce al minimo gli squilibri secondari; tuttavia, è presente uno squilibrio del piano rotante primario e l'ordine di accensione non è uniforme. La nota di scarico e l'erogazione della potenza ricordano quelle di un bicilindrico a V di 90°.

I motori a tre cilindri in linea utilizzano più comunemente un design dell'albero motore a 120° e hanno le seguenti caratteristiche:

  • L'intervallo di sparo è perfettamente regolare (sebbene i colpi di potenza non si sovrappongano).
  • L'equilibrio del piano alternativo primario e secondario è perfetto.
  • Sono presenti squilibri del piano rotante primario e secondario.

I motori a quattro cilindri in linea (chiamati anche motori a quattro cilindri in linea ) utilizzano in genere un design dell'albero motore a 180° su-giù-giù-up e hanno le seguenti caratteristiche:

  • L'intervallo di sparo è perfettamente regolare (sebbene i colpi di potenza non si sovrappongano).
  • Sono presenti squilibri del piano alternativo primario e secondario.
  • Le forze alternative secondarie sono elevate, poiché tutti e quattro i pistoni sono in fase al doppio della frequenza di rotazione.
  • Contrappesi sono stati utilizzati sui motori di autovetture a partire dalla metà degli anni 1930, sia come contrappeso totale o semi-contrappeso (noto anche come mezzo di contrappeso ) progetta.

I motori a cinque cilindri in linea utilizzano tipicamente un design dell'albero motore a 72° e hanno le seguenti caratteristiche:

  • Un intervallo di accensione perfettamente regolare con corse di potenza sovrapposte, che si traduce in un minimo più fluido rispetto ai motori con meno cilindri.
  • L'equilibrio del piano alternativo primario e secondario è perfetto.
  • Sono presenti squilibri del piano rotante primario e secondario.

I motori a sei cilindri in linea utilizzano tipicamente un design dell'albero motore a 120 °, un ordine di accensione di 1–5–3–6–2–4 cilindri e hanno le seguenti caratteristiche:

  • Un intervallo di sparo perfettamente regolare con colpi di potenza sovrapposti. L'uso di due semplici collettori di scarico tre in uno può fornire uno scavenging uniforme, poiché il motore si comporta effettivamente come due motori separati a tre cilindri in questo senso.
  • L'equilibrio del piano alternativo primario e secondario è perfetto.
  • Il bilanciamento del piano rotante primario e secondario è perfetto.

motori a V

I motori bicilindrici a V hanno le seguenti caratteristiche:

  • Con un angolo a V di 90 gradi e perni di biella sfalsati, un motore bicilindrico a V può avere un perfetto equilibrio primario.
  • Se viene utilizzato un perno di manovella condiviso (come in un motore bicilindrico a V Ducati), l'albero motore a 360 ° provoca un intervallo di accensione irregolare. Questi motori hanno anche squilibri primari del piano alternativo e del piano rotante. Laddove le bielle si trovano in posizioni diverse lungo l'albero motore (che è il caso a meno che non vengano utilizzate bielle a forcella e lama ), questo offset crea una coppia oscillante all'interno del motore.

I motori V4 sono disponibili in molte configurazioni diverse in termini di angolo a "V" e configurazioni dell'albero motore. Alcuni esempi sono:

  • I motori Lancia Fulvia V4 con angolo a V stretto hanno l'offset del perno di biella corrispondente agli angoli a V, quindi l'intervallo di accensione corrisponde a quello di un motore a quattro cilindri in linea.
  • Alcuni motori V4 hanno una distanza di accensione irregolare e ogni progetto deve essere considerato separatamente in termini di tutti gli elementi di bilanciamento. Il motore Honda RC36 ha un angolo a V di 90° e un albero a gomiti di 180° con intervalli di accensione di 180°-270°-180°-90°, il che si traduce in intervalli di accensione irregolari entro 360 gradi ed entro 720 gradi di rotazione dell'albero motore. D'altra parte, il motore Honda VFR1200F ha un angolo a V di 76° e un albero motore a 360° con perni di biella condivisi che hanno un offset di 28°, risultando in un intervallo di accensione di 256°-104°-256°-104°. Questo motore ha anche un insolito orientamento della biella anteriore-posteriore-posteriore-anteriore, con una distanza tra i cilindri molto più ampia ("spaziatura dei cilindri") sulla bancata anteriore rispetto a quella posteriore, con conseguente riduzione delle coppie oscillanti (a scapito di larghezza maggiore del motore).

I motori V6 sono comunemente prodotti nelle seguenti configurazioni:

  • Angolo V di 60°: questo design si traduce in un motore di dimensioni compatte e la lunghezza ridotta dell'albero motore riduce le vibrazioni torsionali. Squilibri del piano rotante. Lo sfalsamento delle bancate dei cilindri sinistro e destro (a causa dello spessore della biella e dell'anima della manovella) rende più difficile ridurre lo squilibrio del piano alternativo utilizzando i contrappesi dell'albero motore.
  • Angolo a V di 90°: questo design deriva storicamente dal taglio di due cilindri di un motore V8 a 90°, al fine di ridurre i costi di progettazione e costruzione. Un primo esempio è il motore V6 a 90° della General Motors , che ha un albero a gomiti sfalsato di 18°, con conseguente intervallo di accensione irregolare. Gli esempi più recenti, come il motore Honda C , utilizzano perni di biella sfalsati di 30°, con conseguente intervallo di accensione uniforme. Come per i motori V6 con angoli a V di 60°, questi motori hanno squilibri sul piano alternativo primario e sul piano rotante, bancate dei cilindri sfalsate e squilibri secondari più piccoli.

Motori piatti

Motore bicilindrico piatto BMW R50/2 visto dall'alto, che mostra l'offset tra i cilindri sinistro e destro

[Precisione: un motore "piatto" non è necessariamente un motore "boxer". Un motore "piatto" può essere un motore a V di 180 gradi o un motore "boxer". Un motore a V di 180 gradi come utilizzato nella Ferrari 512BB ha coppie di cilindri opposti le cui bielle utilizzano la stessa pedivella. Contrariamente a ciò, in un motore "boxer", come applicato nelle motociclette BMW, ogni biella ha la propria corsa della manovella che è posizionata a 180 gradi dalla corsa della manovella del cilindro opposto.]

I motori flat-twin in genere utilizzano alberi a gomito a 180 ° e tiri di manovella separati e hanno le seguenti caratteristiche:

  • L'equilibrio del piano alternativo primario e secondario è perfetto.
  • È presente uno squilibrio del piano rotante primario e secondario.

I motori Flat-four in genere utilizzano una configurazione dell'albero motore sinistra-destra-destra-sinistra e hanno le seguenti caratteristiche:

  • Gli squilibri primari sono causati dallo sfalsamento delle coppie oscillanti dei pistoni contrapposti (spostamento avanti contro dietro). L'intensità di questa coppia oscillante è inferiore a quella di un motore a quattro cilindri in linea, poiché le coppie di bielle che oscillano su e giù si muovono a diverse altezze del baricentro.
  • Gli squilibri secondari sono minimi.

I motori Flat Six utilizzano tipicamente una configurazione boxer e hanno le seguenti caratteristiche:

  • Un intervallo di sparo uniformemente spaziato con colpi di potenza sovrapposti. Un semplice scarico tre in uno per ogni bancata fornisce uno scavenging uniforme, poiché il motore si comporta effettivamente come due motori separati a tre cilindri in questo senso.
  • Squilibri del piano alternativo primario e del piano rotante, dovuti alla distanza lungo l'albero motore tra i cilindri contrapposti. Un motore a sei cilindri avrebbe un perfetto equilibrio primario se fossero utilizzate bielle a forcella e lama.
  • Gli squilibri secondari sono minimi, perché non ci sono coppie di cilindri che si muovono in fase, e lo squilibrio è per lo più annullato dal cilindro avversario.
  • Gli squilibri torsionali sono inferiori rispetto ai motori sei cilindri in linea, a causa della minore lunghezza di un motore sei cilindri in linea.

Locomotive a vapore

Una ruota motrice su una locomotiva a vapore che mostra il contrappeso a forma di mezzaluna

Questa sezione è un'introduzione all'equilibratura di due motori a vapore collegati da ruote motrici e assi come assemblati in una locomotiva ferroviaria.

Gli effetti delle inerzie sbilanciate in una locomotiva sono brevemente mostrati descrivendo le misurazioni dei movimenti della locomotiva e le flessioni nei ponti in acciaio. Queste misurazioni mostrano la necessità di vari metodi di bilanciamento, nonché altre caratteristiche di progettazione per ridurre l'ampiezza delle vibrazioni e i danni alla locomotiva stessa, nonché alle rotaie e ai ponti. La locomotiva di esempio è di tipo semplice, non composto, con due cilindri esterni e comando valvole, ruote motrici accoppiate e tender separato. Viene trattato solo il bilanciamento di base senza menzionare gli effetti di diverse disposizioni dei cilindri, angoli di manovella, ecc. poiché i metodi di bilanciamento per locomotive a tre e quattro cilindri possono essere complicati e diversi. I trattamenti matematici possono essere trovati in "ulteriori letture". Ad esempio, "The Balancing of Engines" di Dalby tratta il trattamento delle forze sbilanciate e delle coppie usando i poligoni. Johnson e Fry usano entrambi calcoli algebrici.

Alla velocità la locomotiva tenderà a salire avanti e indietro e muso, o ondeggiare, da un lato all'altro. Tenderà anche a beccheggiare e dondolare. Questo articolo esamina questi movimenti che hanno origine da forze di inerzia sbilanciate e coppie nei due motori a vapore e nelle loro ruote accoppiate (alcuni movimenti simili possono essere causati da irregolarità nella superficie di scorrimento e rigidità del binario). I primi due movimenti sono causati dalle masse alterne e gli ultimi due dall'azione obliqua delle bielle, o spinta del pistone, sulle barre di guida.

Ci sono tre gradi in cui si può perseguire l'equilibrio. Il più basilare è il bilanciamento statico delle caratteristiche decentrate su una ruota motrice, cioè il perno di biella e le sue parti annesse. Inoltre, il bilanciamento di una parte delle parti alternative può essere effettuato con un peso rotante aggiuntivo. Questo peso è combinato con quello richiesto per le parti decentrate sulla ruota e questo peso aggiuntivo provoca lo sbilanciamento della ruota con conseguente colpo di martello . Infine, poiché i suddetti contrappesi sono nel piano della ruota e non nel piano dello squilibrio originario, il gruppo ruota/assale non risulta equilibrato dinamicamente. Il bilanciamento dinamico sulle locomotive a vapore è noto come bilanciamento incrociato ed è un bilanciamento su due piani con il secondo piano che si trova nella ruota opposta.

La tendenza all'instabilità varierà con la progettazione di una particolare classe di locomotive. I fattori rilevanti includono il suo peso e lunghezza, il modo in cui è supportato su molle ed equalizzatori e come il valore di una massa in movimento sbilanciata si confronta con la massa non sospesa e la massa totale della locomotiva. Anche il modo in cui il tender è attaccato alla locomotiva può modificarne il comportamento. La resilienza del binario in termini di peso della rotaia e la rigidità del fondo stradale possono influenzare il comportamento alle vibrazioni della locomotiva.

Oltre a fornire una scarsa qualità di guida umana, la guida irregolare comporta costi di manutenzione per usura e fratture sia nei componenti della locomotiva che dei binari.

Fonti di squilibrio

NZR Classe K (K 88) che mostra i conducenti (senza tender)

Tutte le ruote motrici hanno uno squilibrio causato dai perni di biella decentrati e dai componenti collegati. Le ruote motrici principali hanno il maggiore squilibrio poiché hanno il perno di biella più grande così come la porzione girevole dell'asta principale. Hanno anche la manovella eccentrica dell'ingranaggio della valvola e l'estremità posteriore dell'asta eccentrica. In comune con le ruote motrici collegate hanno anche una propria porzione del peso dell'asta laterale. La parte dell'asta principale assegnata a un movimento di rivoluzione è stata originariamente misurata pesandola supportata a ciascuna estremità. Si rese necessario un metodo più accurato che dividesse le parti rotanti e alternative in base alla posizione del centro di percussione. Questa posizione è stata misurata facendo oscillare l'asta come un pendolo. Lo squilibrio nelle restanti ruote motrici è causato da un perno di biella e dal peso dell'asta laterale. I pesi dell'asta laterale assegnati a ciascun perno di biella vengono misurati sospendendo l'asta su tante bilance quanti sono i perni di biella o mediante calcolo.

Il collegamento alternativo pistone-traversa-asta principale-valvola-movimento è sbilanciato e provoca un'impennata avanti e indietro. La loro separazione di 90 gradi provoca una coppia ondeggiante.

Misurare gli effetti dello squilibrio

L'intera locomotiva tende a muoversi sotto l'influenza di forze d'inerzia squilibrate. I moti orizzontali per locomotive squilibrate furono quantificati da M. Le Chatelier in Francia, intorno al 1850, sospendendoli su funi dal tetto di un edificio. Sono stati fatti funzionare fino a velocità su strada equivalenti fino a 40 MPH e il movimento orizzontale è stato tracciato da una matita, montata sulla trave tampone. La traccia era una forma ellittica formata dall'azione combinata dei movimenti longitudinali e ondeggianti. La forma poteva essere racchiusa in un quadrato di 58 pollici per una delle locomotive sbilanciate ed era ridotta a un punto in cui venivano aggiunti pesi per contrastare le masse rotanti e alternative.

L'effetto dello squilibrio verticale o del carico variabile della ruota sulla rotaia fu quantificato dal professor Robinson negli Stati Uniti nel 1895. Misurò le flessioni del ponte, o deformazioni, e attribuì un aumento del 28% rispetto al valore statico ai conducenti sbilanciati .

Lo squilibrio residuo nelle locomotive è stato valutato in tre modi nell'impianto di prova della Pennsylvania Railroad. In particolare, otto locomotive furono testate alla Louisiana Purchase Exposition nel 1904. Le tre misurazioni furono:

  1. La velocità critica. Questa è stata definita come la velocità con cui le parti alternative sbilanciate invertono la trazione della locomotiva. A velocità più elevate questo movimento è stato smorzato dalla strozzatura del flusso dell'olio nei dashpot. La velocità critica variava da 95 giri/min per una mescola tandem Baldwin a oltre 310 giri/min per una mescola Cole Atlantic.
  2. il movimento orizzontale al pilota. Ad esempio, il composto Atlantic di Baldwin si è spostato di circa 0,80 pollici a 65 MPH rispetto a 0,10 pollici per il composto Atlantic di Cole.
  3. Una valutazione qualitativa del carico sulle ruote portanti dell'impianto. Un filo del diametro di 0,060 pollici è stato fatto passare sotto le ruote. La misurazione del filo deformato ha fornito un'indicazione del carico verticale sulla ruota. Ad esempio, un composto Cole Atlantic ha mostrato poche variazioni da uno spessore di 0,020 pollici per tutte le velocità fino a 75 MPH. Al contrario, una mescola Atlantic di Baldwin a 75 MPH non ha mostrato alcuna deformazione, il che indicava il sollevamento completo della ruota, per una rotazione della ruota di 30 gradi con un impatto di ritorno rapido, su una rotazione di soli 20 gradi, fino a una deformazione senza colpo di martello di 0,020 pollice.

Le valutazioni qualitative possono essere effettuate durante un viaggio su strada in termini di qualità di guida in cabina. Potrebbero non essere un indicatore affidabile di un requisito per un migliore equilibrio poiché fattori non correlati possono causare una guida irregolare, come cunei bloccati, equalizzatori sporchi e gioco tra il motore e il tender. Anche la posizione di un asse sbilanciato rispetto al baricentro della locomotiva può determinare l'entità del movimento in cabina. AH Fetters ha riferito che su un 4-8-2 gli effetti dell'aumento dinamico di 26.000 libbre sotto il cg non si sono manifestati nella cabina, ma lo stesso aumento in qualsiasi altro asse avrebbe.

Equilibratura statica delle ruote

I contrappesi sono installati di fronte alle parti che causano lo squilibrio. L'unico piano disponibile per questi pesi è nella ruota stessa che si traduce in una coppia sbilanciata sul gruppo ruota/assale. La ruota è solo equilibrata staticamente.

Bilanciamento statico del peso alternativo

Una parte del peso alternativo è bilanciata con l'aggiunta di un peso rotante extra nella ruota, cioè ancora solo bilanciata staticamente. Lo sbilanciamento provoca ciò che è noto come colpo di martello o aumento dinamico, entrambi termini che hanno la stessa definizione data nei seguenti riferimenti. Il colpo di martello varia intorno alla media statica, aggiungendo e sottraendo alternativamente ad ogni giro della ruota. Negli Stati Uniti è noto come aumento dinamico, una forza verticale causata dal tentativo di un designer di bilanciare le parti alternative incorporando il contrappeso nelle ruote.

Il termine colpo di martello non descrive molto bene ciò che avviene poiché la forza varia continuamente e solo in casi estremi quando la ruota si solleva per un istante dal binario si ha un vero colpo quando torna giù.

Fino al 1923 circa le locomotive americane erano bilanciate per condizioni statiche solo con variazioni fino a 20.000 libbre nel carico sull'asse principale sopra e sotto la media per giro dalla coppia sbilanciata. La guida approssimativa e il danno hanno portato a raccomandazioni per il bilanciamento dinamico, inclusa la definizione della proporzione del peso alternativo da bilanciare come proporzione del peso totale della locomotiva, o con il respingente Franklin, la locomotiva più il peso del tender.

Una diversa fonte di carico ruota/rotaia variabile, la spinta del pistone, viene talvolta erroneamente indicata come colpo di martello o aumento dinamico sebbene non appaia nelle definizioni standard di tali termini. Ha anche una forma diversa per giro di ruota come descritto più avanti.

In alternativa all'aggiunta di pesi alle ruote motrici, il tender potrebbe essere fissato utilizzando un accoppiamento stretto che aumenterebbe la massa effettiva e il passo della locomotiva. Le Ferrovie dello Stato prussiane costruirono motori bicilindrici senza bilanciere alternativo ma con un rigido accoppiamento del tender. L'accoppiamento equivalente per le ultime locomotive americane era il tampone radiale smorzato per attrito.

Bilanciamento dinamico del gruppo ruota/assale

Il peso del perno di biella sulle ruote si trova in un piano al di fuori della posizione del piano della ruota per il contrappeso statico. Il bilanciamento su due piani, o dinamico, è necessario se la coppia sbilanciata in velocità deve essere bilanciata. Il secondo piano utilizzato è nella ruota opposta.

Il bilanciamento a due piani o dinamico di un set di ruote per locomotive è noto come bilanciamento incrociato. Il bilanciamento incrociato non era raccomandato dall'American Railway Association fino al 1931. Fino a quel momento in America veniva effettuato solo il bilanciamento statico, sebbene i costruttori includessero il bilanciamento incrociato per le locomotive da esportazione quando specificato. I costruttori in Europa adottarono il bilanciamento incrociato dopo che Le Chatelier pubblicò la sua teoria nel 1849.

Determinazione del colpo di martello accettabile

I carichi massimi sulle ruote e sugli assi sono specificati per un particolare progetto di ponte in modo da poter ottenere la durata a fatica richiesta dei ponti in acciaio. Il carico sull'asse di solito non sarà la somma dei due carichi sulle ruote perché la linea di azione dell'equilibratura incrociata sarà diversa in ciascuna ruota. Noto il peso statico della locomotiva, si calcola la quantità di sbilanciamento che può essere messa in ciascuna ruota per equilibrare parzialmente le parti in moto alternativo. Le deformazioni misurate in un ponte sotto una locomotiva in transito contengono anche un componente della spinta del pistone. Questo è trascurato nei calcoli precedenti per lo sbilanciamento ammissibile in ciascuna ruota. Potrebbe essere necessario tenerne conto.

Risposta della ruota al colpo di martello

Poiché la forza di rotazione riduce alternativamente il carico sulla ruota oltre ad aumentarlo ad ogni giro, lo sforzo di trazione sostenibile nell'area di contatto diminuisce una volta per giro della ruota e le ruote possono slittare. Il verificarsi di uno slittamento dipende da come si confronta il colpo di martello su tutte le ruote accoppiate contemporaneamente.

L'eccessivo colpo di martello dovuto alle alte velocità di slittamento era una causa di rotaie attorcigliate con i nuovi 4-6-4 e 4-8-4 nordamericani che seguivano la raccomandazione AAR del 1934 per bilanciare il 40% del peso alternativo.

Forze di inerzia sbilanciate nella ruota possono causare oscillazioni verticali diverse a seconda della rigidità del cingolo. I test di slittamento eseguiti su sezioni di binario unte hanno mostrato, in un caso, una leggera marcatura della rotaia a una velocità di slittamento di 165 mph ma su binari più morbidi gravi danni al binario a 105 mph.

Spinta pistone dall'angolarità della biella

La superficie di scorrimento della traversa della macchina a vapore fornisce la reazione alla forza della biella sul perno di biella e varia da zero ad un massimo due volte durante ogni giro dell'albero motore.

A differenza del colpo di martello, che alternativamente aggiunge e sottrae per ogni giro della ruota, la spinta del pistone si aggiunge alla media statica o si sottrae da essa, due volte per giro, a seconda della direzione del movimento e se la locomotiva è in folle o alla deriva.

In una locomotiva a vapore a doppio effetto, come in una locomotiva ferroviaria, la direzione della spinta verticale sulla barra di scorrimento è sempre verso l'alto durante la marcia in avanti. Varia da nulla a fine corsa ad un massimo a metà corsa quando l'angolo tra biella e manovella è maggiore. Quando il perno di manovella aziona il pistone, come durante l'inerzia, la spinta del pistone è verso il basso. La posizione di massima spinta è indicata dalla maggiore usura al centro delle barre di scorrimento.

La tendenza della forza variabile sulla slitta superiore è di sollevare la macchina dalle sue molle di piombo a metà corsa e di abbassarla a fine corsa. Ciò provoca un beccheggio e, poiché la massima forza di salita non è simultanea per i due cilindri, tenderà anche a rotolare sulle molle.

Somiglianze con il bilanciamento di altri macchinari

L'equilibratura dinamica delle ruote della locomotiva, utilizzando le ruote come piani di equilibratura per squilibri esistenti in altri piani, è simile all'equilibratura dinamica di altri rotori come i gruppi compressore/turbina del motore a reazione. Lo squilibrio residuo nel rotore assemblato viene corretto installando pesi di bilanciamento su due piani accessibili con il motore installato nell'aeromobile. Un piano è nella parte anteriore della ventola e l'altro nell'ultimo stadio della turbina.

Guarda anche

Riferimenti

citazioni

Fonti

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