Alberi di equilibratura: come funzionano, da Lanchester al Silent Shaft

Gli alberi di equilibratura servono a contrastare alcune delle forze d’inerzia generate dagli organi in movimento del motore. Non sono alberi a camme aggiuntivi e non comandano le valvole: fanno ruotare masse eccentriche, sincronizzate con l’albero motore, per produrre una forza che si oppone a una componente della vibrazione. Il caso classico è il quattro cilindri in linea, con due alberi che girano in versi opposti al doppio del regime del motore.

Perché un quattro cilindri può vibrare anche se i pistoni si compensano

Nel quattro cilindri in linea convenzionale i pistoni esterni si muovono insieme, mentre quelli interni procedono nella direzione opposta. A prima vista il bilancio sembra perfetto: quando due masse salgono, le altre due scendono. Ma il movimento del pistone non è quello di un punto che percorre una circonferenza. Fra pistone e manovella c’è la biella, che si inclina durante la rotazione e modifica l’andamento dell’accelerazione.

Di conseguenza, le componenti principali delle forze d’inerzia si compensano, ma resta una componente di secondo ordine: ripete il proprio andamento due volte per ogni giro dell’albero motore. È una forza alternata lungo la direzione dei cilindri, non la semplice somma delle spinte delle combustioni. La parola “ordine” indica dunque un rapporto di frequenza rispetto alla rotazione, non il numero del cilindro o l’ordine di accensione.

Il principio Lanchester: costruire una forza contraria

Un albero equilibratore porta una massa il cui baricentro è spostato rispetto all’asse di rotazione. Ruotando, questa eccentricità genera una sollecitazione periodica sui supporti. Con un solo albero la direzione della forza gira continuamente; aggiungendone un secondo, uguale e controrotante, si possono annullare le componenti laterali e sommare quelle lungo l’asse dei cilindri.

La sincronizzazione fa il resto: quando la componente indesiderata del motore spinge in un verso, la risultante degli equilibratori deve agire nel verso opposto. Per contrastare il secondo ordine, gli alberi devono ruotare al doppio della velocità dell’albero motore. Conta anche la fase, cioè la posizione angolare reciproca: due alberi alla velocità corretta ma fuori fase non producono la compensazione voluta.

Che cosa documentano i brevetti storici

Il nome richiama Frederick William Lanchester. La domanda britannica identificata come GB191126777A fu depositata il 30 novembre 1911 e pubblicata il 30 dicembre 1912. Il documento descrive masse rotanti destinate a contrastare vibrazioni dovute al moto alternativo e all’angolarità delle bielle. Sono date della pratica brevettuale: non vanno confuse con l’avvio della produzione su una specifica automobile.

Il brevetto statunitense US1163832A, depositato nel 1912 e pubblicato nel 1915, chiarisce il funzionamento della coppia di alberi paralleli controrotanti e contempla disposizioni su piani differenti. La posizione degli assi, infatti, serve anche a governare i momenti, ossia le tendenze del complesso a oscillare attorno a un asse. Non basta aggiungere due contrappesi in un punto qualsiasi del basamento.

Mitsubishi Silent Shaft: l’applicazione del 1975

La cronologia aziendale globale Mitsubishi colloca nel febbraio 1975 il lancio della Galant GTO con il quattro cilindri due litri 4G52 Astron 80 dotato di Silent Shaft. Il riconoscimento tecnico della Society of Automotive Engineers of Japan indicato nello stesso archivio è del 1976: il premio e l’introduzione del motore sono due eventi distinti.

Mitsubishi impiegò i due alberi controrotanti al doppio del regime del motore e sottolinea una propria evoluzione della disposizione: l’albero che gira nello stesso verso dell’albero motore è collocato più in alto dell’altro. L’archivio ricorda inoltre la concessione di licenze a costruttori europei, fra cui Porsche, Volvo e Saab. Il Silent Shaft non cambia il ciclo di combustione: interviene sul bilanciamento meccanico del propulsore.

Porsche 944: due alberi e una cinghia dedicata

La storia ufficiale Porsche associa alla 944 del 1981 un quattro cilindri in linea di 2,5 litri con due alberi di equilibratura secondo il principio Lanchester. È un’applicazione significativa: l’obiettivo era rendere più regolare il comportamento vibratorio di un quattro cilindri di cilindrata consistente, mantenendo quell’architettura.

La documentazione Porsche Classic descrive due alberi paralleli all’albero motore, disposti ad altezze diverse e azionati da una cinghia dentata su entrambe le facce. Il comando della distribuzione e della pompa dell’acqua usa invece un’altra cinghia. La distinzione aiuta a capire perché equilibratura e distribuzione siano funzioni diverse, pur dipendendo entrambe da una sincronizzazione precisa.

Dove si trovano e quali compromessi comportano

Schaeffler distingue soluzioni raccolte in un modulo, spesso collocato nella zona della coppa, e alberi integrati nel basamento. Cambiano ingombri, supporti e percorsi di lubrificazione. Gli alberi lavorano a velocità elevata e trasmettono carichi ai cuscinetti: il loro comando e i supporti producono attrito, mentre il modulo aggiunge componenti, massa e costi. L’equilibratura è quindi una scelta di progetto, non un accessorio gratuito.

Nel nostro archivio, l’approfondimento sui motori Diesel Volkswagen mostra un’altra applicazione su un due litri. Il principio generale va comunque distinto dalla costruzione di ciascuna famiglia: comando, posizione e tipo di supporto non si deducono dal solo nome “albero di equilibratura”.

Che cosa non possono eliminare

Compensare una forza d’inerzia non significa annullare qualsiasi rumore o vibrazione dell’automobile. Le variazioni della coppia motrice, le oscillazioni torsionali dell’albero e la trasmissione delle sollecitazioni attraverso i supporti richiedono valutazioni proprie. Per questo un motore con equilibratori non diventa automaticamente equivalente a un’architettura con più cilindri e non esiste una percentuale universale di miglioramento applicabile a tutti i propulsori.

Il valore della soluzione sta nella precisione del bersaglio: identificare una componente vibratoria e contrastarla con una forza di frequenza, ampiezza e fase appropriate. Dai brevetti Lanchester al Silent Shaft e alle applicazioni successive, il lavoro ingegneristico consiste nel realizzare questa compensazione entro i vincoli reali del motore.

Fonti e riferimenti tecnici

• Brevetto GB191126777A, Frederick William Lanchester — metadati di deposito/pubblicazione e oggetto del documento.
• Brevetto US1163832A, Balancing of reciprocating engines — descrizione del sistema controrotante e disposizioni degli assi.
• Mitsubishi Motors, Company History — voci febbraio 1975 e 1976; Silent Shaft e licenze.
• Porsche, Winning number four, 27 aprile 2016 — sezione 1981: Porsche 944, pagina 3 del PDF.
• Porsche Classic News 2016 — sezione 944: comando degli alberi di equilibratura, pagina 5 del PDF.
• Schaeffler Symposium 2010, New achievements with “old” technology — Mass balancing for 4-cylinder engines, pagine stampate 294–297.

Le immagini sono originali: copertina illustrativa, non fotografia di un componente identificato; schema redazionale qualitativo, senza misure o prestazioni sperimentali.