SMORZATORI TORSIONALI TREVI CONSIDERAZIONI GENERALI Per meglio comprendere l utilità e la funzionalità degli smorzatori torsionali, sempre più utilizzati e perfezionati (soprattutto con la diffusione dei motori diesel, con un numero di cilindri in linea maggiore di quattro), riteniamo opportuno fare una panoramica sulla dinamica del motore endotermico, con particolare riferimento alle sollecitazioni del manovellismo di spinta. I motori convenzionali endotermici per trazione si basano sul manovellismo biella manovella per trasformare il moto alternato, ascendente e discendente, dei pistoni, generato dalla pressione dei gas nella camera di combustione, in un movimento rotatorio con un momento torcente utile all estremità dell albero motore. Durante il funzionamento del motore si vengono a creare : forze di inerzia centrifughe, forze di inerzia alternate fluttazione della forza motrice che costituiscono le principali cause di vibrazioni del motore. In sostanza, le forze agenti nel motore variano periodicamente : le forze alterne variano in intensità ed in verso le forze centrifughe in direzione la coppia di reazione varia come la coppia motrice Il risultato è che il motore acquista un moto vibratorio. L albero motore è sollecitato notevolmente, e in maniera complessa, da momenti flettenti e momenti torcenti, nonché dalle conseguenti oscillazioni, che variano notevolmente in termini di spazio e di tempo Le vibrazioni di flessione sono importanti solo nei motori con pochi cilindri, poichè costituiscono un sistema oscillante a bassa frequenza propria. Già per motori a tre cilindri le vibrazioni di flessione sono acritiche Aumentando il numero dei cilindri, diventano, al contrario, pericolose le vibrazioni torsionali del sistema albero motore-biella-pistone. Infatti, il momento motore è periodicamente variabile ed è, quindi, origine di vibrazioni torsionali dell albero. 1
L albero motore, configurato come un albero portante, se è sottoposto ad un momento torcente esterno, si deforma per torsione e le sue sezioni trasversali ruotano l una rispetto all altra. ( Fig. 1 e Fig. 2 ). Se togliamo bruscamente il momento torcente esterno, le masse estreme ripristinano le condizioni iniziali dando origine ad un moto oscillatorio che prende il nome di moto oscillatorio proprio dell albero. Fig. 1 Fig. 2 Nei motori endotermici, il momento eccitante è dato dalla coppia motrice, generata dalla risultante della spinta dei gas sui pistoni e delle forze di inerzia. Ne consegue che l albero viene soggetto ad oscillare torsionalmente ad ogni accensione Quando non è possibile modificare l albero in modo da ottenere un periodo di oscillazione propria tale da allontanare il pericolo della risonanza, riconducendo così le oscillazioni di torsione dell albero motore a valori acritici, è necessario far assorbire l energia del momento eccitante da appositi organi smorzanti o anti vibrazionali, calettati sull albero stesso. In linea di massima, per i motori a quattro cilindri non si raggiunge la risonanza, neppure agli alti regimi. Per i motori con più di quattro cilindri, questa condizione negativa di risonanza, aumentando, per l appunto, i cilindri, può essere più facilmente acquisita negativamente.. Infatti, dal momento che aumenta : la frequenza del momento eccitante, la lunghezza dell albero e, di conseguenza, il periodo T delle oscillazioni proprie, ne consegue una velocità critica relativamente bassa e, quindi, vicina alla velocità di utilizzazione del motore. Per meglio comprendere il concetto di risonanza,in generale, con una esemplificazione più immediata e visiva, si pensi che una colonna di soldati, che marciano al passo su di un ponte, possono indurre oscillazioni di tale ampiezza da distruggerlo, se per caso la frequenza del loro passo è vicina a qualche frequenza naturale (propria ) del ponte. Questa è la ragione della consuetudine di far rompere il passo ai soldati che attraversano un ponte. Il ponte Tracoma: il ponte distrutto dal vento che ha generato una forza periodica in risonanza con una frequenza propria della costruzione 2
Ritornando al nostro albero motore, se ruota alla velocità critica di risonanza, può andare in contro anche a rottura o, più frequentemente, per esercizi prolungati a detta velocità, a gravi sollecitazioni a fatica, con inevitabile cedimento meccanico a termine. SMORZATORI TORSIONALI ( DAMPER ) Per ridurre le sollecitazioni dell albero motore vengono, pertanto, impiegati smorzatori torsionali e/o antioscillatori. Generalmente vengono adottati smorzatori torsionali con accoppiamento elastico ( smorzatori in gomma ) e /o senza accoppiamento elastico (smorzatore viscoso ). Lo smorzatore torsionale, in base alla rigidezza degli elementi elastici e al momento di inerzia della sua massa, ha una sua specifica frequenza propria che deve essere sintonizzata con la frequenza propria dell albero motore. Tramite lo smorzatore, abbinato all albero, vengono modificate le caratteristiche delle vibrazioni dell albero stesso. Dalla Fig. 3, si può notare l effetto fondamentale di uno smorzatore, con accoppiamento elastico, sulla curva di risonanza di un albero motore. B A Fig. 3 3
Il sistema riceve un ulteriore grado di libertà ; a smorzamento zero, il punto di risonanza originario scompare del tutto e, in sostituzione, si verificano due nuove risonanze. ( A e B ) In caso di smorzamento molto alto, non si registra alcun effetto, lo smorzatore torsionale è come se fosse accoppiato all albero quasi rigidamente : appare approssimativamente la risonanza base dell albero. Con la progettazione corretta dello smorzamento si è in grado di far si che non si verifichino più risonanze nuove né quelle originarie. Si comprende, pertanto, come sia importante una corretta progettazione del componente smorzante e come lo stesso debba essere efficiente ed affidabile per non vanificare il suo compito o, peggio ancora, renderlo inutile e pericoloso nell ambito del motore stesso. Nel settore automobilistico ( in modo particolare per le autovetture/ veicoli commerciali ), gli smorzatori per alberi motore sono fissati all esterno, sull estremità esterna dell albero motore, dalla parte opposta al volano ( Fig. 4, Fig. 5 ), integrati nella puleggia ( Fig.6 ) per il comando degli ausiliari. anelli in gomma Fig. 4 Fig. 5 Fig. 6 4
Questi smorzatori, nell ambito della versione assemblata esternamente, a secondo delle applicazioni, possono essere, come già accennato, in gomma, in viscosa, a frizione. E previsto, pertanto, un volano applicato all estremità dell albero motore con l interposizione, a secondo delle soluzioni, più frequentemente di un anello in gomma o di un dispositivo a frizione con anelli di attrito, in alcuni casi un elemento elastico metallico elicoidale. Le oscillazioni torsionali vengono assorbite dalla deformazione elastica dell anello in gomma o dallo slittamento della frizione, trasformando l energia in eccesso in un lavoro di attrito. a = massa volanica b = anelli di attrito frizione c = molla di pressione d = mozzo di trascinamento e = albero motore a = elemento conduttore b = massa volanica c = anello di gomma d = mozzo di trascinamento e = albero motore 5
Pertanto, da quanto sopra evidenziato,si comprende come si debba rivolgere la massima considerazione ed attenzione a questo componente che troppo spesso, a torto, è considerato a livello di una semplice e banale puleggia. Un damper obsoleto, con i componenti in gomma invecchiati, e quindi non più efficiente, può causare gravi danni e cedimenti al sistema alternativo del motore e ai cuscinetti, indurre rumorosità/vibrazioni anomale alla trasmissione, non ultimo mettere in centrifugazione frammenti di gomma che possono incunearsi nel sistema di circuitazione della cinghia ausiliaria o, peggio, della cinghia di distribuzione. anello in gomma Lo stesso dicasi di un prodotto non di qualità. 6
E per questo motivo che TreVI riserva ai suoi Damper una particolare attenzione, impiegando materie prime di qualità, tecnologie e controlli accurati per garantirne la massima affidabilità e durata. Una particolare attenzione è risevata all equilibratura dei vari componenti, al processo di vulcanizzazione per la realizzazione di quei giunti smorzatori che prevedono questa soluzione in gomma, contrariamente ad altri tipi che adottano come elemento smorzante una molla elicoidale ( Fig.5 ) e al controllo al 100% di tutti i pezzi per verificarne la corretta vulcanizzazione tramite una telecamera.allontanando di alcuni millimetri le parti, si verifica la presenza di criccature o bolle. Da ultimo, è previsto un controllo dimensionale finale, con particolare riferimento a : principali quote critiche oscillazione radiale oscillazione assiale parallelismo concentricità molla elicoidale quota gole Fig. 5 Anche le quote delle gole sono importanti in quanto, generalmente, gli smorzatori torsionali si abbinano a cinghie Poly V per il trascinamento degli organi ausiliari. 7