Lo smorzatore torsionale: cosa fare su un motore da competizione?

ReVenge

In un precedente articolo abbiamo parlato degli effetti che può avere la riduzione di peso, o meglio la riduzione del momento d'inerzia, del volano sul comportamento vibrazionale del motore.
Nella stessa sede abbiamo accennato anche al fatto che tale intervento produce un cambiamento delle frequenze proprie torsionali (e non solo) dell'albero motore.
Tale effetto può avere ripercussioni negative sul comportamento del motore e degli organi della trasmissione, se non opportunamente contrastati.

Per capire meglio cosa può accadere dobbiamo fare, un breve richiamo sulle frequenze proprie torsionali di un albero motore.
Consideriamo un albero motore di un motore quattro tempi, quattro cilindri in linea il cui schema è qui di seguito mostrato.
 

Schema di un motore a quattro cilindri

L'albero, quando sollecitato dai cicli termici dei quattro cilindri, inizierà a vibrare torsionalmente con le seguenti principali modalità:

1. Moto rigido dell'albero motore, conseguenza della non uniformità del momento motore e quindi della velocità di rotazione, chiamato anche moto di "rolling" e descritto da una curva, come quella di seguito, dove le ampiezze maggiori si registrano a basse velocità.
 

Curva delle ampiezze

2. 1° modo vibrazionale con un nodo vicino al volano ed ampiezze di deformazione, in opposizione di fase a quelle sul volano, maggiori sull'estremità libera dell'albero come descritto nella figura seguente:
 

Deformata torsionale del primo modo di vibrare

3. 2° modo vibrazionale con due nodi sull'asse dell'albero motore ed ampiezze di deformazione che sono in fase agli estremi ed in opposizione di fase al centro tra i due nodi.
 

Deformata torsionale del secondo modo di vibrare

In realtà i modi di vibrare sono infiniti e ad ogni grado corrisponderà un eguale numero di nodi.
In parole semplici al terzo e quarto modo di vibrare corrisponderanno, rispettivamente, tre e quattro nodi e così via.

È bene ricordare come, al crescere delle frequenze e del numero dei nodi, le ampiezze di deformazione diminuiscono.
Questa è la ragione per cui, solitamente, ad esempio in un motore 4 cilindri in linea, ci si ferma all'analisi del primo e secondo modo di vibrare.

Ciò potrebbe non essere sufficiente su un motore ad alte prestazione o potrebbe rendersi necessaria l'analisi dei modi di vibrare superiori per problematiche legate all'emissione acustica.

I nodi rappresentano le zone dove si hanno le maggiori sollecitazioni in termini di deformazione del materiale e quindi rappresentano possibili punti di rottura, occorre quindi ricorrere a delle azioni per ridurre gli stress nel materiale.
L'azione più semplice potrebbe essere quella di aumentare le sezioni dell'albero, ma ciò sarebbe possibile solo in fase di progettazione di una nuova motorizzazione e comunque, condurrebbe ad un aumento di peso ed inerzia dell'albero motore che non sono certo l'obiettivo su un motore ad alte prestazioni.

Si ricorre dunque all'adozione di smorzatori torsionali che, solitamente, vengono calettati sull'estremità libera dell'albero motore (opposta al volano) dove si registrano le ampiezze di vibrazione maggiori.
 

Schema a masse concentrate

Lo smorzatore torsionale ha la funzione di abbattere le ampiezze di vibrazione e, di conseguenza, le sollecitazioni che si innescano sull'albero in corrispondenza dei nodi.
In particolare, in un albero senza smorzatore, l'andamento delle ampiezze di vibrazione in funzione della velocità di rotazione, è del tipo sotto indicato dalla curva blu.

Adottando uno smorzatore sull'estremità libera dell'albero, il picco di vibrazione (e sollecitazione) viene diviso in due picchi di ampiezza più bassa rappresentati dalla curva rossa.
 

Vibrazioni torsionali

Torniamo ora alla domanda di partenza.

Se un'unità motrice viene progettata per uso esclusivamente agonistico è chiaro che i criteri progettuali e di utilizzo (alto numero di giri) potrebbero anche non richiedere l'adozione di uno smorzatore torsionale.
Ma cosa accade se si trasforma un motore di serie in un propulsore per uso agonistico?

In questo caso occorre essere molto attenti poiché la semplice rimozione dello smorzatore, per ragioni di peso ed ingombri, potrebbe essere possibile, a patto che si verifichi se l'aumento di ampiezze genera delle sollecitazioni che, in termini di fatica sull'albero, non rispettino i requisiti di affidabilità richiesti.

Oltre a ciò, nel caso in cui il momento d'inerzia del volano è stato ridotto, occorre considerare che la frequenza propria dell'albero cambia e lo smorzatore di serie non sarà più sintonizzato e non svolgerà più la sua funzione in modo corretto, rendendo necessario lo studio di un nuovo smorzatore con le caratteristiche di frequenza e smorzamento richiesti.

Ovviamente quanto sopra descritto può essere attentamente valutato, in modo predittivo, con opportuni algoritmi di calcolo, e giungere alla miglior definizione delle caratteristiche del volano e dello smorzatore in funzione delle prestazioni attese.

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