Molti motori europei e asiatici utilizzano camme in testa da anni, quindi quando Ford ha deciso di seguire il percorso delle camme in testa con il loro motore V8 da 4,6 litri, alcuni motori a bilanciere previsti stavano per uscire. Ma GM e Chrysler sono rimasti fedeli al design dell'asta di spinta per i loro motori LS e 5.7L e 6.2L Hemi, rispettivamente.
È facile capire perché i bilancieri e le aste di spinta sono ancora un argomento caldo per la costruzione di motori ad alte prestazioni quando si aggiungono tutti i motori più vecchi e le attuali combinazioni di blocchi/testa aftermarket che utilizzano ancora aste di spinta e bilancieri.
I bilancieri reindirizzano il movimento verso l'alto dei sollevatori e delle aste nel movimento verso il basso necessario per aprire le valvole. L'albero del bilanciere o il perno sferico di montaggio funge da punto di fulcro attorno al quale si verifica questo movimento e la lunghezza relativa del bilanciere su ciascun lato del fulcro centrale determina il rapporto di sollevamento del bilanciere.
Come ogni leva, la leva si moltiplica quando il lato valvola del bilanciere è più lungo del lato asta di spinta. Più corto è il lato dell'asta del bilanciere e più lungo è il lato della valvola del bilanciere, maggiore è il rapporto di sollevamento del bilanciere.
Se la lunghezza del lato valvola del bilanciere è 1,5 volte quella del lato asta di spinta, il rapporto di sollevamento sarà 1,5:1. Se il lato della valvola del bilanciere è 2 volte la lunghezza del lato dell'asta di spinta, il rapporto di sollevamento sarà 2,0:1.
Se stai utilizzando una tipica camma da strada in un piccolo blocco Chevy V8 che produce 0,480 pollici di sollevamento totale alla valvola, la camma stessa produce solo circa 0,320 pollici di sollevamento al lobo. I bilancieri con rapporto di 1,5 moltiplicano l'alzata (.320 x 1,5) per ottenere l'alzata di .480" alla valvola.
Il vantaggio dell'utilizzo di bilancieri con rapporto più elevato è che lo stesso profilo del lobo della camma può produrre l'alzata totale della valvola per una maggiore potenza.
Un bilanciere con rapporto più alto richiede anche una minore corsa del sollevatore e dell'asta di spinta per ottenere la stessa quantità di sollevamento di un bilanciere con rapporto inferiore. Un rapporto bilanciere più elevato riduce anche la quantità di coppia dell'albero a camme necessaria per aprire le valvole per una determinata quantità di sollevamento. Inoltre, più lungo è il lato valvola del bilanciere, maggiore è il diametro dell'arco che segue mentre si muove su e giù. Ciò riduce il carico laterale, l'attrito e l'usura sugli steli delle valvole e sulle guide. Questo è il motivo per cui molti motori NASCAR ad alto numero di giri hanno in genere rapporti del bilanciere molto alti fino a 2:1 o superiori.
Modifica dei rapporti di oscillazione
Diciamo di sostituire i bilancieri con rapporto 1.5 di serie con bilancieri con rapporto 1.6 di sollevamento più elevato. Lo stesso albero a camme ora produrrà 0,512 pollici di sollevamento alla valvola (0,320 pollici per 1,6). Quindi, semplicemente sostituendo i bilancieri di serie con i bilancieri con sollevamento più alto, aumenti il sollevamento totale del 6,7% e probabilmente guadagni da 15 a 20 cavalli.
In che modo la modifica dei rapporti dei bilancieri influisce sulla durata dell'albero a camme? Poiché il lobo della camma è sempre lo stesso, il punto in cui la camma inizia a muovere il sollevatore è sempre lo stesso. Lo stesso vale per il lato di chiusura della rampa. Ma la velocità con cui la valvola si apre ora è leggermente più veloce a causa del rapporto più alto del bilanciere, quindi la durata effettiva dell'albero a camme è leggermente aumentata, forse un paio di gradi nell'esempio sopra.
Una piccola modifica del rapporto non avrà un grande impatto sulla gamma di giri in cui il motore produce potenza, o sulla sua coppia ai bassi regimi, sulla qualità del minimo o sulla quantità di vuoto di aspirazione che produce. Tuttavia, un grande cambiamento nel rapporto di sollevamento che aumenta significativamente la durata della gamma media sposterà il picco di potenza del motore verso l'alto nella scala dei giri/min. Ecco perché le camme selvagge con molta durata e sovrapposizione delle valvole che producono tonnellate di potenza ad alta velocità sono in genere dannose per la coppia ai bassi regimi, la qualità del minimo e la guidabilità quotidiana.
Ci sono un paio di cose a cui devi prestare attenzione quando cambi i rapporti dei bilancieri. Uno è assicurarsi che le molle delle valvole abbiano uno spazio sufficiente tra le bobine in modo che le molle non si leghino. Un altro è assicurarsi che la fessura in un bilanciere montato su perno possa accogliere la maggiore corsa senza colpire il perno. Qualcosa si romperà se lo fa. Inoltre, assicurarsi che il dispositivo di ritegno della valvola non colpisca la parte superiore della guida della valvola quando si aumenta l'alzata. Ci deve essere un po' di spazio per evitare il contatto meccanico, che sarebbe un altro killer del treno di valvole.
Montaggio con perno e bilancieri con montaggio su albero
Fino alla metà degli anni '50, i motori a valvole in testa utilizzavano bilancieri montati sull'albero. Quando Chevrolet ha introdotto i suoi V8 small block ad alto regime con bilancieri montati su perno in acciaio stampato, ha aperto gli occhi dei progettisti di motori sulle possibilità dei bilancieri montati su perno. Ford e altri seguirono presto l'esempio e i bilancieri montati su borchie divennero la configurazione "calda" per l'epoca.
I bilancieri montati su perno hanno iniziato a mostrare i loro punti deboli quando i costruttori di motori hanno apportato modifiche per aumentare la velocità e la potenza del motore. I perni del bilanciere a pressione avevano la tendenza a sfilarsi se il motore veniva accelerato eccessivamente o le pressioni della molla venivano aumentate troppo. Alcuni costruttori di motori ad alte prestazioni hanno iniziato a fissare i prigionieri per mantenerli in posizione, mentre altri li hanno sostituiti con prigionieri a pressione con prigionieri a vite.
Poiché la pressione della molla della valvola continuava ad aumentare, è diventato ovvio che i prigionieri del bilanciere si stavano flettendo eccessivamente ad alti regimi. La soluzione consisteva nell'installare prigionieri più lunghi e fissare una barra (cintura perno) sulla parte superiore della testata per legare insieme tutti i prigionieri.
Ciò, a sua volta, richiedeva coperchi delle valvole più alti per accogliere la cintura del prigioniero. Ha anche reso più difficili le regolazioni delle valvole.
Sono stati introdotti anche i bilancieri a rulli aftermarket per sostituire i bilancieri di serie in acciaio stampato fragili e piuttosto usurati. I bilancieri ad alte prestazioni presentavano un fulcro centrale del cuscinetto a rulli e un rullo sull'estremità della valvola del braccio per ridurre l'attrito. Questi erano un enorme miglioramento rispetto ai bilancieri di serie e consentivano regimi più elevati con maggiore affidabilità e meno attrito.
Mentre i piloti continuavano a spingersi oltre, è diventato presto evidente che alcuni di questi bilancieri in alluminio montati su perno non erano abbastanza forti da sopportare i carichi delle molle delle valvole e i giri al minuto che gli veniva chiesto di gestire.
I bilancieri montati sull'albero aftermarket sono stati introdotti come mezzo per irrigidire il gruppo valvole e i bilancieri in acciaio sono diventati un'opzione di aggiornamento per le corse serie ad alto dollaro.
Secondo alcuni produttori, il passaggio da bilancieri montati su perno a bilancieri montati sull'albero (utilizzando lo stesso rapporto di sollevamento di prima) produrrà in genere da 10 a 15 cavalli in più grazie alla maggiore stabilità del gruppo valvole.
I vantaggi di una configurazione del bilanciere dell'albero sono che l'albero mantiene i bilancieri in un migliore allineamento, eliminando la necessità di una piastra guida separata per le aste di spinta. Ciò riduce la flessione nel gruppo valvole a velocità più elevate per un migliore controllo delle valvole. La posizione dell'albero può anche abbassare leggermente il punto di articolazione dei bilancieri rispetto alle valvole e alle aste di spinta per ridurre l'attrito tra le punte dei bracci e la parte superiore delle valvole. L'albero può anche fornire pressione dell'olio direttamente ai bilancieri per migliorare la lubrificazione e ridurre l'attrito.
Un sistema a bilanciere montato sull'albero è eccessivo per la maggior parte delle applicazioni per prestazioni su strada perché un tale motore non ha davvero bisogno di quel livello di rigidità e forza. Ma per le corse, un sistema montato sull'albero può fornire maggiore rigidità e affidabilità.
Sostenere i bilancieri su un albero rigido in acciaio o alluminio significa che i bilancieri non possono deviare dalla loro posizione fissa a causa della flessione del perno o del movimento verticale sul perno del bilanciere. La rigidità fornita dall'albero tiene tutti i bilancieri in perfetto allineamento e consente loro di gestire in sicurezza carichi e regimi più elevati. Inoltre, i bilancieri montati sull'albero non richiedono una fessura sul lato inferiore del corpo del bilanciere per liberare un perno, quindi i bilancieri dell'albero sono intrinsecamente più forti.
I sistemi a bilanciere montati sull'albero sono disponibili per molte testate dei cilindri con prestazioni aftermarket. In molti casi, è una semplice installazione imbullonata che richiede poche o nessuna modifica alla testa. I bilancieri con montaggio su piedistallo sono disponibili anche per molti motori con bilancieri montati su perno.
Un sistema di montaggio su piedistallo può fornire molti degli stessi vantaggi di un sistema a bilanciere montato su albero, ma a un costo inferiore. Molte di queste sono semplici installazioni imbullonate, ma non funzioneranno allo stesso livello di un vero sistema di montaggio su albero in un'applicazione da corsa completa.
Scegliere i bilancieri
Oggi, i costruttori di motori hanno un'ampia varietà di bilancieri ad alte prestazioni e sistemi di bilancieri tra cui scegliere. Ci sono i bilancieri in alluminio "economici" tipicamente realizzati in alluminio pressofuso che forniscono un aggiornamento delle prestazioni rispetto ai bilancieri in acciaio stampato di serie. Ma per le applicazioni più impegnative, è spesso necessario passare a bilancieri in alluminio estruso o forgiato CNC o bilancieri in acciaio.
I rocker leggeri sono un must perché riducono la massa nel valvetrain. La riduzione del "momento di inerzia" con bilancieri più leggeri consente al motore di aumentare di giri con le stesse molle.
Ovviamente i bilancieri devono essere robusti per sopportare i carichi che gravano su di essi, ma la riduzione della massa sul lato valvola del bilanciere ha un effetto più positivo sulla riduzione dell'inerzia rispetto alla modifica della massa sul lato asta di spinta del bilanciere . Questo spiega anche perché le aste di spinta più grandi o più rigide che pesano più delle aste di spinta di serie hanno un effetto minimo sulla quantità di moto del treno valvole. Desideri aste di spinta più rigide e più robuste per affidabilità e stabilità del gruppo valvole, in particolare con pressioni delle molle delle valvole più elevate in un motore ad alto regime altamente modificato.
Alcuni dei bilancieri in acciaio di oggi sono altrettanto leggeri se non leggermente più leggeri di un bilanciere in alluminio con prestazioni comparabili. L'acciaio può gestire in sicurezza molta pressione della molla della valvola, fino a 950 libbre o superiore, affermano le persone che producono tali bilancieri. L'acciaio ha una resistenza alla fatica e una rigidità migliori dell'alluminio e resisterà ai rigori delle corse per un periodo di tempo più lungo, spesso da 2 a 4 volte più lunghi dei bilancieri in alluminio comparabili.
In confronto, i tipici bilancieri economici in alluminio pressofuso non dovrebbero essere utilizzati con una pressione della molla aperta superiore a 350-450 libbre a seconda della marca del bilanciere. I bilancieri in alluminio estruso di solito possono gestire fino a 700 libbre di pressione della molla aperta, con alcuni classificati fino a molle da 900 libbre. Segui sempre ciò che il produttore del bilanciere dice che le loro braccia possono gestire in sicurezza. Non spingere i bilancieri oltre la loro capacità nominale a meno che tu non voglia rompere qualcosa.
Qualcos'altro a cui prestare molta attenzione quando si scelgono i bilancieri è il design dei rulli e dei cuscinetti a rullini. Più aghi nel cuscinetto centrale è migliore perché distribuisce il carico su una superficie più ampia per una maggiore durata. I rulli sulla punta di molti bilancieri non hanno cuscinetti a rullini, ma alcuni sì, il che aiuta a ridurre l'attrito e l'usura dello stelo della valvola.
Il tipo di bilancieri consentito può essere limitato dalle regole in alcune applicazioni da corsa. Se le regole richiedono bilancieri "che appaiono di serie" o bilancieri in acciaio stampato, ciò non significa che sei bloccato usando i bilancieri di serie. Molte società aftermarket offrono bilancieri in acciaio stampato che sembrano stock realizzati con leghe più resistenti per una maggiore affidabilità.
E anche se le regole non sono un fattore limitante, i bilancieri in acciaio stampato di solito possono gestire regimi del motore fino a 6.500 giri / min e alzate delle valvole fino a .600" purché la fessura del bilanciere abbia uno spazio libero sufficiente per i perni per gestire una camma di sollevamento elevato. Lo stesso vale per i bilancieri in acciaio fuso sui motori Ford e Chrysler che utilizzano un qualche tipo di configurazione del bilanciere montato sull'albero.
Per le applicazioni del motore che richiedono un aumento, la sostituzione dei bilancieri in acciaio stampato o fuso con bilancieri a rulli in alluminio produrrà in genere un guadagno da 10 a 15 CV con lo stesso rapporto di sollevamento e un guadagno ancora maggiore di potenza con un rapporto di sollevamento più elevato. La potenza extra deriva dalla riduzione dell'attrito fornita dai bilancieri a rulli, che aiuta anche a mantenere l'olio più freddo.
Problemi di installazione
A seconda del design dei bilancieri, la modifica dei bilancieri spesso richiede la modifica della lunghezza dell'asta di spinta. Con i bilancieri montati su perno, la posizione del bilanciere sul perno determina la geometria del gruppo valvole.
Quando l'asta di spinta è della lunghezza corretta per l'applicazione, la punta del bilanciere sarà centrata sulla punta dello stelo della valvola quando la camma è al 50 percento di sollevamento. Se l'asta di spinta è troppo lunga o troppo corta, la punta del bilanciere sarà sfalsata verso l'esterno o l'interno dello stelo della valvola piuttosto che centrata su di esso. Ciò può creare carichi laterali sullo stelo della valvola che aumentano l'attrito, l'usura dello stelo e della guida.
È possibile utilizzare un'asta di spinta a lunghezza regolabile per determinare la lunghezza ottimale dell'asta di spinta per qualsiasi combinazione bilanciere/albero a camme.
Regolare l'asta di spinta quando la camma è al 50 percento di sollevamento in modo che la punta del bilanciere sia perfettamente centrata, quindi rimuovere il bilanciere e l'asta di spinta e misurare la lunghezza end-to-end dell'asta di spinta per determinare la lunghezza ottimale dell'asta di spinta.
Se il motore è dotato di sollevatori idraulici, il sollevatore collasserà leggermente quando il gruppo valvole è sotto carico. L'utilizzo di una leggera molla di controllo anziché di una vera e propria molla della valvola consentirà una lettura più accurata della lunghezza dell'asta di spinta.
Una volta determinata la lunghezza dell'asta di spinta, cercare le aste di spinta più rigide e resistenti che si adattino all'applicazione e alla gamma di giri prevista del motore. Le aste di spinta di serie possono andare bene per le molle delle valvole di serie e 5.500 giri/min, ma si piegheranno e si fletteranno con carichi della molla e giri/min più elevati.
