Άξονας εξισορρόπησης (balance shaft)

Ο εσωτερικός εξισορροπητής, γνωστότερος ως άξονας εξισορρόπησης ή balance shaft, είναι ένας έμβαρος άξονας που κινείται από τον κινητήρα και τοποθετείται στο εσωτερικό του ειδικά για να εξουδετερώνει τους κραδασμούς που η διάταξή του παράγει εγγενώς. Υπάρχει επειδή ορισμένες διατάξεις κυλίνδρων, με χαρακτηριστικότερη τον εν σειρά τετρακύλινδρο, γεννούν κατά τη λειτουργία δυνάμεις που ο στροφαλοφόρος και τα αντίβαρά του δεν μπορούν από μόνα τους να ακυρώσουν. Αν αφεθούν ανεξέλεγκτες, οι δυνάμεις αυτές φτάνουν στην καμπίνα ως ενοχλητικό βουητό· ο άξονας εξισορρόπησης προστίθεται για να εξομαλύνει τη λειτουργία και να φέρει τον κινητήρα πιο κοντά στη φινέτσα των εγγενώς ζυγοσταθμισμένων σχεδιάσεων.

Ο κραδασμός που αντιμετωπίζει είναι η δευτερεύουσα αζυγοσταθμία του τετρακύλινδρου. Καθώς τα έμβολα ανεβοκατεβαίνουν, δεν εκτελούν τέλεια αρμονική κίνηση, επειδή ο διωστήρας ταλαντεύεται υπό γωνία, με αποτέλεσμα τα έμβολα να επιταχύνουν ελαφρώς περισσότερο κοντά στο άνω νεκρό σημείο απ' ό,τι κοντά στο κάτω. Το καθαρό αποτέλεσμα είναι μια κατακόρυφη δύναμη ταλάντωσης με συχνότητα διπλάσια των στροφών του κινητήρα, που δεν εξαλείφεται με αντίβαρα στροφαλοφόρου. Η κλασική λύση, την οποία τελειοποίησε η Mitsubishi τη δεκαετία του 1970 πάνω σε παλαιότερη πατέντα του Lanchester, είναι ένα ζεύγος αξόνων εξισορρόπησης που περιστρέφονται με διπλάσια ταχύτητα από τον στροφαλοφόρο και σε αντίθετες κατευθύνσεις, με τα έκκεντρα βάρη τους χρονισμένα έτσι ώστε οι κατακόρυφες συνιστώσες των δυνάμεών τους να αθροίζονται ενάντια στην αζυγοσταθμία, ενώ οι οριζόντιες αλληλοεξουδετερώνονται.

Η μετάδοση κίνησης και ο συγχρονισμός φάσης είναι κρίσιμα. Ο άξονας, ή το ζεύγος αξόνων, περιστρέφεται από τον στροφαλοφόρο μέσω γραναζιών, καδένας ή οδοντωτού ιμάντα και πρέπει να γυρίζει σε ακριβές πολλαπλάσιο των στροφών του κινητήρα και σε απολύτως σωστή γωνιακή θέση ως προς τα έμβολα. Αν ο χρονισμός αποκλίνει έστω και ελάχιστα, ο άξονας θα προσθέτει κραδασμούς αντί να τους αφαιρεί. Τα έμβαρα έκκεντρα τμήματα τοποθετούνται συνήθως χαμηλά στο στροφαλοθάλαμο, συχνά εν μέρει βυθισμένα κοντά στο λάδι, και η μάζα με την εκκεντρότητά τους υπολογίζονται ώστε να αντιστοιχούν στο μέγεθος της δύναμης που πρέπει να ακυρώσουν.

Οι άξονες εξισορρόπησης συναντώνται κυρίως σε μεγαλύτερους τετρακύλινδρους κινητήρες, όπου οι δευτερεύουσες δυνάμεις μεγαλώνουν με τη διάμετρο και τη διαδρομή των εμβόλων, καθώς και σε ορισμένους V6, όπου μια ανομοιόμορφη διάταξη ανάφλεξης δημιουργεί ροπή λικνισμού που ένας μόνο άξονας μπορεί να δαμάσει. Μικρότεροι τετρακύλινδροι συχνά τους παραλείπουν για λόγους κόστους, βάρους και τριβών, αποδεχόμενοι λίγο περισσότερους κραδασμούς. Αντίθετα, εγγενώς ζυγοσταθμισμένες διατάξεις, όπως ο εν σειρά εξακύλινδρος, ο μπόξερ έξι κυλίνδρων και πολλοί V12, δεν παρουσιάζουν αξιόλογη πρωτεύουσα ή δευτερεύουσα αζυγοσταθμία και δεν χρειάζονται κανέναν εξισορροπητή.

Στην πράξη ο άξονας εξισορρόπησης είναι ένα αθόρυβο εξάρτημα με ελάχιστες απαιτήσεις συντήρησης, αλλά δεν είναι δωρεάν. Απορροφά μικρή ποσότητα ισχύος μέσω τριβών και της αδράνειας της περιστροφής του σε υψηλές ταχύτητες, ενώ στις σχεδιάσεις με ιμάντα ή καδένα η μετάδοσή του πρέπει να συντηρείται όπως κάθε εξάρτημα χρονισμού. Ορισμένοι κινητήρες έχουν εμφανίσει πρόωρη φθορά στα έδρανα ή στην καδένα του άξονα, κάτι που, αν αμεληθεί, μπορεί να οδηγήσει σε προβλήματα πίεσης λαδιού. Το εξάρτημα αποτελεί επομένως έναν μηχανολογικό συμβιβασμό: μια ηθελημένη προσθήκη μάζας και πολυπλοκότητας, αποδεκτή επειδή το κέρδος σε ομαλότητα από μια κατά τα άλλα οικονομική διάταξη κρίνεται ότι αξίζει το κόστος.