ما هو عمود التوازن؟

تنتشر أعمدة التوازن بشكل أكبر في محركات الأربع أسطوانات المتراصّة، التي تعاني — بسبب عدم تناظر تصميمها — من اهتزاز ذاتي من الرتبة الثانية (يهتز بضعف سرعة دوران المحرك) لا يمكن التخلّص منه مهما بلغ دقّة توازن المكوّنات الداخلية.

أما المحركات المسطّحة فتمتلك مكابس متقابلة أفقيًا، ولذلك فهي متوازنة طبيعيًا، ولا تتحمّل ما يرتبط بأعمدة التوازن من تعقيد إضافي وتكلفة وفقدان للقدرة.

ينشأ هذا الاهتزاز لأن حركة أذرعة التوصيل في المحرك المتراصّ ليست متناظرة طوال دورة العمود المرفقي؛ فخلال فترة معيّنة من دوران العمود المرفقي، لا تكون تسارعات المكابس الهابطة والصاعدة متقابلة تمامًا دائمًا، مما ينتج عنه قوة قصور ذاتي رأسية صافية مرتين في كل دورة، وتزداد شدّتها بشكل تربيعي مع عدد دورات المحرك، مهما بلغ ضبط أوزان المكوّنات.

تزداد هذه المشكلة مع زيادة سعة المحرك، إذ إنّ الوسيلتين الوحيدتين لتحقيق سعة أكبر هما زيادة شوط المكبس (مما يزيد فرق التسارع) أو زيادة قطر الأسطوانة (مما يزيد كتلة المكابس)؛ وفي كلتا الحالتين، تتزايد شدّة الاهتزاز القصوري.

لسنوات عديدة، كانت سعة اللترين تُعدّ الحدّ «غير الرسمي» للسعة المقبولة في محركات الإنتاج من الأربع أسطوانات المتراصّة ذات خصائص ضوضاء واهتزاز وعزل (NVH) مقبولة.

يعود المفهوم الأساسي لأعمدة التوازن إلى عام 1904، عندما ابتكره وسجّله كبراءة اختراع المهندس البريطاني فريدريك لانشستر.

يدور عمودا توازن في اتجاهين متعاكسين بضعف سرعة المحرك.

إنّ الأثقال غير المركزية المتساوية الحجم لهذين العمودين مصمَّمة ومتزامنة بحيث يُلغى رد الفعل القصوري الناتج عن دورانهما المعاكس في المستوى الأفقي، ولكنه يتراكم في المستوى الرأسي، مما ينتج قوة صافية بالشدّة نفسها ولكن بإزاحة طور مقدارها 180 درجة مقارنةً بالاهتزاز غير المرغوب فيه من الرتبة الثانية في المحرك الأساسي، فيُلغيها.

ومع ذلك، فإنّ التطبيق العملي الفعلي لهذا المفهوم كان محدّدًا بما يكفي لتسجيله كبراءة اختراع.

تكمن المشكلة الأساسية التي يطرحها هذا المفهوم في دعم قطعة دوّارة بضعف سرعة المحرك وتزويدها بالتشحيم السليم عند السرعات العالية حيث يصبح الاهتزاز من الرتبة الثانية غير مقبول.

هناك جدل حول مقدار القدرة التي يستهلكها عمودا التوازن من المحرك. الرقم الأساسي المتداول هو نحو 15 حصانًا (11 كيلوواط)، ولكنه قد يكون مبالغًا فيه بالنسبة لخسائر ناتجة عن الاحتكاك البحت. من المحتمل أن يكون ذلك نتيجة خطأ في الحساب ينبع من الاستخدام الشائع لجهاز قياس القدرة القصوري، الذي يحسب القدرة انطلاقًا من التسارع الزاوي بدلًا من قياس العزم فعليًا في الحالة المستقرة. إذًا فإنّ قيمة الـ 15 حصانًا (11 كيلوواط) تشمل كلاً من الخسارة الفعلية بالاحتكاك وزيادة القصور الذاتي الزاوي للعمودين سريعي الدوران، وهو عامل لا يؤثّر عند السرعة الثابتة. ومع ذلك، يقوم بعض الملاّك بتعديل محركاتهم بإزالة أعمدة التوازن، سواءً لاستعادة جزء من تلك القدرة أو لتقليل التعقيد والمناطق المحتملة للكسر في تطبيقات الأداء العالي والسباقات، إذ يُعتقد (خطأً) أنّ النعومة التي توفرها أعمدة التوازن يمكن تحقيقها بعد إزالتها عبر موازنة دقيقة للمكوّنات الترددية في المحرك.

يوجد تصميم آخر لعمود التوازن في العديد من محركات V6.

في حين أنّ محرك V6 المُصمَّم على الوجه الأمثل يكون بزاوية 60 درجة بين صفّي الأسطوانات، فإنّ العديد من محركات V6 الحالية مستمدّة من محركات V8 أقدم، ذات زاوية 90 درجة بين الصفّين.

وفي حين أنّ هذا يمنح ترتيب إشعال متباعد الانتظام في محرك ذي 8 أسطوانات، فإنه ينتج في محرك الست أسطوانات إيقاعًا غير منتظم: ففي كل دورة للعمود المرفقي، تشتعل ثلاث أسطوانات على فترات مقدارها 90 درجة، يتبعها توقّف مدّته 90 درجة دون نبضة قدرة.

يمكن التخلّص من ذلك باستخدام عمود مرفقي أكثر تعقيدًا وتكلفة يُعدّل العلاقة بين أسطوانات الصفّين لتحقيق فرق فعّال مقداره 60 درجة، ولكن في الآونة الأخيرة وجد العديد من المصنّعين أنّه أقلّ تكلفةً تكييفُ مفهوم عمود التوازن، وذلك باستخدام عمود واحد ذي أثقال موازنة موزّعة بحيث تُنتج اهتزازًا يُلغي الرجّة الذاتية الكامنة في محرك V6 بزاوية 90 درجة.