تعادل نیروهای اولیه و ثانویه: چگونه آرایش موتور لرزش‌های ذاتی و نیاز به شفت‌های تعادل را تعیین می‌کند

در سال ۱۹۰۷، فردریک دبلیو. لنچستر (Frederick W. Lanchester)، مهندس بریتانیایی، حق اختراع مکانیزمی را ثبت کرد که شامل دو وزنه خارج از مرکز بود که در جهات مخالف می‌چرخیدند. هدف او افزایش اسب بخار یا بهبود مصرف سوخت نبود. او در تلاش بود تا یک واقعیت مکانیکی را حل کند که تهدید می‌کرد خودروهای اولیه را از هم بپاشد. موتور چهار سیلندر خطی، که رایج‌ترین آرایش در تاریخ خودروسازی است، دارای یک نقص هندسی است که در سرعت‌های بالا لرزش‌های شدیدی ایجاد می‌کند. اختراع لنچستر، یعنی شفت تعادل (balance shaft)، به همان اقدام متقابل و پنهانی تبدیل شد که به خودروهای چهار سیلندر امروزی اجازه می‌دهد پشت چراغ قرمز بدون لرزش و نرم کار کنند.[1][4]

برای یک مالک خودرو، لرزش موتور معمولاً به شکل لرزش فرمان، به صدا افتادن داشبورد، یا صدای هوم آزاردهنده‌ای که در سرعت‌های بزرگراهی به داخل کابین نفوذ می‌کند، احساس می‌شود. اما در داخل بلوک موتور، این لرزش به معنای هزاران پوند نیرویی است که به قطعات فلزی وارد می‌شود. وقتی یک مکانیک فرسودگی چرخ‌دنده شفت تعادل یا پاره شدن تسمه آن را تشخیص می‌دهد، در واقع به خرابی سیستمی اشاره می‌کند که دقیقاً برای پنهان کردن عدم تعادل ذاتی آرایش موتور طراحی شده است.

برای درک اینکه چرا به شفت تعادل نیاز است، باید به نیروهای اولیه داخل یک موتور چهار سیلندر خطی نگاه کرد. در این پیکربندی، چهار پیستون در یک خط راست قرار گرفته‌اند. میل‌لنگ طوری طراحی شده است که وقتی دو پیستون بیرونی (سیلندرهای یک و چهار) در بالاترین نقطه کورس خود قرار دارند، دو پیستون داخلی (سیلندرهای دو و سه) در پایین‌ترین نقطه هستند. با کار کردن موتور، تکانه اولیه رو به بالای پیستون‌های بیرونی کاملاً توسط تکانه رو به پایین پیستون‌های داخلی خنثی می‌شود.[2]

اگر نیروهای اولیه تنها عامل دخیل بودند، یک موتور چهار سیلندر خطی کاملاً بدون لرزش کار می‌کرد. با این حال، اتصال مکانیکی بین پیستون و میل‌لنگ یک پیچیدگی پنهان ایجاد می‌کند. همان‌طور که نشریه Jalopnik توضیح می‌دهد: «شفت‌های تعادل برای کاهش عدم تعادل‌های ثانویه کار می‌کنند: لرزش‌هایی که در اثر طی کردن طول کورس پیستون‌ها در داخل سیلندر ایجاد می‌شوند.» از آنجا که شاتون با چرخش میل‌لنگ به طرفین کج می‌شود، پیستون با سرعت ثابتی حرکت نمی‌کند. سرعت حرکت آن در نیمه بالایی کورس خود به مراتب بیشتر از نیمه پایینی است.[4]

این تفاوت در سرعت پیستون یک عدم تعادل ریاضی ایجاد می‌کند. وقتی دو پیستون بیرونی با سرعت به سمت بالای سیلندر حرکت می‌کنند، نیروی رو به بالای عظیمی تولید می‌کنند. دو پیستون داخلی به سمت پایین حرکت می‌کنند، اما چون در نیمه کندتر پایینی کورس خود قرار دارند، نیروی رو به پایین آن‌ها ضعیف‌تر است. نتیجه این امر، یک نیروی خالص رو به بالا است. با چرخش ۹۰ درجه‌ای میل‌لنگ، وضعیت برعکس می‌شود و یک نیروی خالص رو به بالای دیگر ایجاد می‌کند. این اتفاق دو بار در هر دور چرخش میل‌لنگ رخ می‌دهد و یک لرزش عمودی با فرکانس بالا ایجاد می‌کند که به عنوان لرزش مرتبه دوم یا ثانویه شناخته می‌شود.[2][4]

با افزایش حجم موتور، پیستون‌ها سنگین‌تر و کورس آن‌ها طولانی‌تر می‌شود، که این امر نیروهای ثانویه را به صورت تصاعدی افزایش می‌دهد. یک موتور کوچک ۱.۵ لیتری ممکن است لرزش قابل تحملی ایجاد کند، اما یک موتور بزرگ ۲.۵ لیتری چهار سیلندر خطی آن‌قدر شدید می‌لرزد که می‌تواند دسته‌موتورها را فرسوده کرده و راننده را خسته کند. اینجاست که اختراع سال ۱۹۰۷ لنچستر وارد عمل می‌شود.[4]

سیستم شفت تعادل معمولاً از دو شفت فولادی سنگین و خارج از مرکز تشکیل شده است که در داخل بلوک موتور قرار دارند. همان‌طور که در خلاصه مهندسی ویکی‌پدیا آمده است: «اصل کارکرد سیستم شفت تعادل این است که دو شفت حامل وزنه‌های خارج از مرکز یکسان، در جهات مخالف و با دو برابر سرعت موتور می‌چرخند.» اگر موتور با سرعت ۱۰۰۰ دور در دقیقه در حالت درجا کار کند، شفت‌های تعادل با سرعت ۲۰۰۰ دور در دقیقه می‌چرخند.[4]

این دو شفت در جهات مخالف می‌چرخند. با چرخش آن‌ها، وزنه‌های تعادل سنگین‌شان نیروهای شدید خود را تولید می‌کنند. از آنجا که آن‌ها در خلاف جهت یکدیگر می‌چرخند، نیروهای افقی‌شان یکدیگر را خنثی می‌کنند. اما نیروهای عمودی آن‌ها با هم ترکیب شده و نیروی خالصی ایجاد می‌کنند که دقیقاً در همان لحظه‌ای که نیروهای ثانویه موتور به سمت بالا فشار می‌آورند، به سمت پایین فشار می‌آورد. این دو نیروی متضاد یکدیگر را خنثی کرده و لرزش را پیش از رسیدن به شاسی از بین می‌برند.[1][4]

اگرچه لنچستر این مفهوم را اختراع کرد، اما این خودروساز ژاپنی میتسوبیشی (Mitsubishi) بود که کاربرد مدرن آن در خودرو را به کمال رساند. در دهه ۱۹۷۰، میتسوبیشی سیستم «شفت خاموش» (Silent Shaft) را در موتور Astron 80 خود معرفی کرد؛ در این طراحی یک شفت تعادل کمی بالاتر از دیگری قرار می‌گرفت تا با گشتاور غلتشی موتور مقابله کند. این طراحی در شبیه‌سازی نرمی یک موتور سنگین‌تر V8 چنان مؤثر بود که توجه سایر خودروسازان را به خود جلب کرد.[4]

هنگامی که پورشه (Porsche) در دهه ۱۹۸۰ در حال توسعه موتور عظیم ۲.۵ لیتری چهار سیلندر خطی برای خودروی اسپرت 944 بود، مهندسان متوجه شدند که لرزش‌های ثانویه برای یک خودروی لوکس غیرقابل قبول خواهد بود. پورشه به جای مهندسی یک راه‌حل جایگزین، فناوری شفت تعادل را مستقیماً از میتسوبیشی لایسنس کرد. گنجاندن این شفت‌های با چرخش معکوس به مدل 944 اجازه داد تا گشتاور یک موتور چهار سیلندر بزرگ را بدون تاوان داشتن یک کابین پر لرزش ارائه دهد.[3][4]

برای خریدار خودروی امروزی، وجود شفت تعادل کاملاً به آرایش موتور زیر کاپوت بستگی دارد. خریدارانی که موتور چهار سیلندر تخت یا «باکسر» (boxer) را انتخاب می‌کنند - که معمولاً در خودروهای سوبارو (Subaru) و خودروهای اسپرت پورشه یافت می‌شود - نیازی به شفت تعادل ندارند. در یک موتور باکسر، پیستون‌ها به صورت افقی به سمت بیرون حرکت می‌کنند و به طور طبیعی هم نیروهای اولیه و هم نیروهای ثانویه را در برابر یکدیگر خنثی می‌کنند. به طور مشابه، موتورهای شش سیلندر خطی نیز به دلیل ترتیب احتراق و هندسه‌شان ذاتاً متعادل هستند.

با این حال، خریداران موتورهای بزرگ چهار سیلندر خطی یا V6 به شدت به شفت‌های تعادل وابسته‌اند. یک موتور V6، که اساساً از دو بلوک سه سیلندر متصل به هم تشکیل شده است، از یک حرکت گهواره‌ای اولیه از یک سر تا سر دیگر رنج می‌برد. اغلب از یک شفت تعادل منفرد در فضای میانی (دره) موتور V6 استفاده می‌شود تا با این گشتاور گهواره‌ای مقابله کند و اطمینان حاصل شود که موتور از دیدگاه راننده نرم و روان احساس می‌شود.[4]

این نرمی و ظرافت با یک واقعیت در زمینه تعمیر و نگهداری همراه است. شفت‌های تعادل، جرم چرخشی، اصطکاک داخلی و پیچیدگی را به موتور اضافه می‌کنند. آن‌ها به یاتاقان‌ها، روغن‌کاری و تسمه‌های محرک خاص خود نیاز دارند. اگر تسمه شفت تعادل پاره شود، موتور ناگهان به شدت می‌لرزد. بدتر از آن، در طراحی برخی موتورها، پاره شدن تسمه شفت تعادل می‌تواند با تسمه تایم اصلی درگیر شده و منجر به خرابی فاجعه‌بار موتور شود.[3]

به دلیل این اتلاف نیرو و وزن اضافی، علاقه‌مندان به تیونینگ و عملکرد بالا گاهی اوقات کیت‌های «حذف شفت تعادل» (balance shaft delete) را نصب می‌کنند. با برداشتن شفت‌ها و مسدود کردن مجاری روغن، مکانیک‌ها می‌توانند جرم چرخشی موتور را کاهش دهند که به آن اجازه می‌دهد سریع‌تر دور بگیرد و مقدار کمی اسب بخار آزاد کند. تاوان این کار، بازگشت به همان لرزش‌های ثانویه خام و کاهش‌نیافته‌ای است که فردریک لنچستر بیش از یک قرن پیش به دنبال حذف آن‌ها بود.[3]