Tecnica e storia

Motori bicilindrici paralleli: guerra alle vibrazioni

- Funzione e storia degli equilibratori dinamici, dispositivi spesso indispensabili per far funzionare bene un motore e ridurre le vibrazioni. Iniziamo con quelli dedicati ai motori a due cilindri paralleli

Questo servizio è realizzato in ottica tecnico-storica e quindi cominciamo con i bicilindrici paralleli, che in campo motociclistico sono stati i primi motori ad impiegare gli equilibratori dinamici.
L’argomento è comunque complesso e non può essere trattato in un unico articolo. Questa è solo la prima puntata.

Le vibrazioni sono causate da forze o da coppie non equilibrate. Con alcune architetture motoristiche la sola equilibratura dell’albero a gomiti, ottenuta mediante contrappesi opportunamente disposti, non è sufficiente a bilanciare le forze (o le coppie) squilibranti.

Quelle in gioco in questo caso sono le forze d’inerzia dovute alle parti in moto alterno e al fatto che per trasformare il movimento rettilineo alternato in moto di rotazione si fa ricorso a un sistema a biella e manovella.
Per ragioni di semplicità e di chiarezza espositiva vediamo cosa accade in un monocilindrico verticale.
Mediante contrappesatura dell’albero possiamo equilibrare le masse in moto alterno ai punti morti, ovvero le forze d’inerzia che agiscono secondo l’asse del cilindro. Diciamo di equilibrarle al 100%. Quando il perno di manovella ha compiuto una rotazione di 90° (rispetto ai punti morti), i contrappesi “tirano” l’albero in direzione perpendicolare all’asse del cilindro, ma dall’altra parte, opposta alla manovella, non c’è nulla che agisca in senso contrario. Si crea cioè una forza orizzontale che non è bilanciata. Il risultato sono vibrazioni inammissibili.

Come ovvio, se non si impiegasse alcun contrappeso avverrebbe il contrario (vibrazioni inaccettabili da forze agenti secondo l’asse del cilindro). Di conseguenza si fa una scelta di compromesso, equilibrando solo parzialmente le masse in moto alterno (pistone, spinotto e parte della biella). In genere si adotta una equilibratura dell’ordine del 50 – 65%. Il motore comunque non è equilibrato e durante il funzionamento genera in ogni caso vibrazioni.

 

Da alcuni decenni gli equilibratori dinamici sono una realtà importante e consolidata nel panorama tecnico del nostro settore. Sulle moto hanno esordito per merito della Yamaha

In effetti la situazione è ancora più complessa. In aggiunta a quelle appena descritte, cioè alle forze d’inerzia del primo ordine, ci sono anche quelle del secondo ordine.
Sono di entità notevolmente minore ma in certi casi possono originare vibrazioni fastidiose. Vengono originate dal movimento della biella che, inclinandosi ora da un lato e ora dall’altro rispetto all’asse del cilindro influisce considerevolmente sulla legge del moto del pistone. In pratica, l’inclinazione della biella determina una accelerazione che si somma algebricamente a quella dovuta al solo spostamento verticale del perno di manovella. Fermo restando il regime di rotazione, quando parte dal punto morto superiore (PMS) il pistone accelera più forte di quando parte dal punto morto inferiore (PMI)! Se la biella non si inclinasse ma rimanesse sempre verticale le forze del secondo ordine non ci sarebbero!
Per completare il quadro, nei policilindrici ci sono anche le coppie, da equilibrare…

Per abbattere le vibrazioni nei monocilindrici e negli altri motori nei quali la sola contrappesatura dell’albero non è sufficiente a eliminare le forze perturbanti, occorre adottare un equilibratore dinamico. Si impiegano cioè uno o più alberi rotanti con masse eccentriche opportunamente disposte o un organo ausiliario di altro genere, che in genere è costituito da una massa oscillante che viene mossa da una “falsa biella” (sistema detto in gergo “a batacchio”).

In questo modo si generano forze che agiscono in senso opposto rispetto a quelle squilibranti, col risultato di annullarne gli effetti.

Sulle sue CB 400 T e N apparse nel 1977 la Honda ha adottato una soluzione analoga a quella utilizzata dalla Kawasaki, con due alberi ausiliari che ruotavano alla stessa velocità dell’albero a gomiti (dotato di manovelle a 360°) ma in senso opposto
Sulle sue CB 400 T e N apparse nel 1977 la Honda ha adottato una soluzione analoga a quella utilizzata dalla Kawasaki, con due alberi ausiliari che ruotavano alla stessa velocità dell’albero a gomiti (dotato di manovelle a 360°) ma in senso opposto

Via con i bicilindrici paralleli

Ormai da alcuni decenni gli equilibratori dinamici sono una realtà importante e consolidata nel panorama tecnico del nostro settore. Sulle moto hanno esordito per merito della Yamaha che li ha utilizzati sui motori bicilindrici in linea di due modelli dei primi anni Settanta.
Gli alberi ausiliari di equilibratura erano due (controrotanti) nella sfortunata TX 750, dotata di manovelle a 360°. Questa moto è entrata in produzione nel 1973 ed è stata seguita pochi mesi dopo dalla TX 500 con testa bialbero a quattro valvole per cilindro; in questo caso le manovelle erano a 180° e veniva utilizzato un solo albero di equilibratura munito di due masse eccentriche.

Perché gli equilibratori dinamici iniziassero ad affermarsi davvero su vasta scala non è stato necessario attendere molto. La Kawasaki ha rapidamente adottato sulla KZ 400 la soluzione a due alberi ausiliari, collocati in maniera simmetrica nel basamento, uno davanti e l’altro dietro all’albero a gomiti, che aveva le manovelle a 360°.
Poco dopo è stata la volta della Suzuki che sulla GS 400, rapidamente evolutasi nella 450, ha optato per manovelle a 180° e di conseguenza per lo schema con un singolo albero di equilibratura.

La foto mostra l’albero ausiliario di equilibratura a due masse di una Kawasaki EN 500 (il motore è mostrato nell’immagine precedente). Comandato mediante ingranaggi, ruota con la stessa velocità dell’albero a gomiti ma in senso opposto
La foto mostra l’albero ausiliario di equilibratura a due masse di una Kawasaki EN 500 (il motore è mostrato nell’immagine precedente). Comandato mediante ingranaggi, ruota con la stessa velocità dell’albero a gomiti ma in senso opposto

Nel 1977 sono state presentate le Honda CB 400 T e N a due cilindri paralleli con manovelle a 360°, dotate di due alberi ausiliari. Ormai la strada era chiaramente indicata e negli anni successivi hanno fatto la loro comparsa diversi modelli a due cilindri paralleli muniti di equilibratori dinamici.

Quando le manovelle erano a 360° si impiegavano due alberi ausiliari di equilibratura, rotanti entrambi con la stessa velocità ma in senso opposto rispetto all’albero a gomiti. Quando invece erano a 180° veniva utilizzato un solo albero ausiliario (anche in questo caso la velocità era uguale a quella dell’albero a gomiti e il senso di rotazione era opposto), di norma azionato mediante una coppia di ingranaggi.

Quando le manovelle sono a 360° quelle che è importante equilibrare sono le forze d’inerzia del primo ordine mentre quando esse sono a 180° quella da bilanciare è una coppia, che si genera in quanto gli assi dei due cilindri sono inevitabilmente a una certa distanza uno dall’altro. In questo caso infatti un pistone sale al PMS (e quindi tende a tirare verso l’alto il relativo perno di manovella) mentre l’altro scende al PMI (e quindi tende a spingere verso il basso la sua manovella). Dopo mezzo giro dell’albero a gomiti la situazione si inverte e così via. Di conseguenza il motore tende ad oscillare alternativamente in senso trasversale. In altre parole, si crea una coppia squilibrata. Con un albero ausiliario a due masse è possibile originare forze che agiscono in senso opposto ed ottenere così una efficace bilanciatura.

Tra i bicilindrici paralleli apparsi negli ultimi anni va menzionato in particolare il BMW F800 bialbero raffreddato ad acqua, nel quale le manovelle sono a 360°. Per abbattere le vibrazioni i progettisti in questo caso hanno optato per un sistema “a batacchio”, con una falsa biella centrale montata su un perno eccentrico e collegata a una leva oscillante piazzata inferiormente e dotata di una massa di equilibratura.
Questa scelta, molto razionale ed efficiente, ha reso necessario l’impiego di quattro supporti di banco, con la falsa biella collocata tra quelli centrali. Inoltre tale soluzione ha indubbiamente influito sulla scelta dei tecnici di adottare un sistema di lubrificazione a carter secco, con poco olio all’interno del basamento, cosa che riduce drasticamente lo sbattimento.

Per la sua F 800, apparsa nel 2006, la BMW ha scelto di impiegare un equilibratore dinamico del tipo “a batacchio”, con biella ausiliaria e massa oscillante. In precedenza una soluzione di questo genere era stata proposta dalla Jawa e adottata dalla Ducati per il suo Supermono
Per la sua F 800, apparsa nel 2006, la BMW ha scelto di impiegare un equilibratore dinamico del tipo “a batacchio”, con biella ausiliaria e massa oscillante. In precedenza una soluzione di questo genere era stata proposta dalla Jawa e adottata dalla Ducati per il suo Supermono

Di recente sono entrati in scena alcuni bicilindrici paralleli con manovelle dell’albero a gomiti disposte in maniera non convenzionale. In altre parole, né a 360° né a 180°. L’idea in questo caso è quella di avere un pistone che viaggia con elevata velocità mentre l’altro si ferma momentaneamente in corrispondenza di un punto morto per invertire il senso del suo movimento. Per intenderci, un pistone “fa da volano” all’altro. Per ottenere questo si dispongono le manovelle a 270°.

In questi casi le esigenze di equilibratura sono intermedie tra quelle dei bicilindrici paralleli con manovelle a 360° e di quelli con manovelle a 180°. Per ottenere una buona bilanciatura in genere è sufficiente impiegare un solo albero ausiliario con masse eccentriche opportunamente disposte. Le manovelle possono anche essere disposte in maniera differente da quelle fin qui indicate. Nel 2011 ha fatto la sua comparsa la Husqvarna a due cilindri paralleli di 900 cm3 con manovelle a 315° e una rumorosità di scarico non molto dissimile da quella di un bicilindrico a V….

  • salvo64, Ceresole Alba (CN)

    da semplice "utilizzatore" nel corso degli anni ho visto un netto miglioramento dei motori bicilindrici paralleli ormai penso che si sia arrivati alla perfezione o quasi e non credo che si sia insistito solo per il costo di produzione. Anche la clientela ha i suoi vantaggi. L'ingombro e contenuto e quindi si puo' progettare meglio l'insieme col telaio e lo scarico, anche il peso e' minore, e soprattutto sono generalmente meno incandescenti tra le gambe e non c'e' il cilindro posteriore puntato sotto le parti intime che le fa alla brace ahahahahahha
  • varamolo, Montalto di Castro (VT)

    Che che se ne dica, per me l'unico bicilindrico degno di questo nome è quello a V. Anche il boxer è un bel motore ma il V twin è un qualcosa di unico. La verità è che si è arrivati al bicilindrico parallelo per contenere i costi di produzione. E' inutile stare lì a menarla tanto. Costa meno al costruttore, punto.
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