PREMESSA

Il bilanciamento dinamico dell’elica è una operazione molto spesso trascurata nella corretta messa a punto di un velivolo; per quanto siano ben noti i vantaggi che essa offre, soprattutto nel settore dei velivoli ad ala fissa essa viene quasi sempre tralasciata e sostituita dal più semplice bilanciamento STATICO. L’utilità è particolarmente evidente in campo ultraleggeristico, sia per le caratteristiche dei motori utilizzati (in grande maggiornaza motori a 2 tempi) che mediamente producono vibrazioni maggiori di motori aeronautici, sia per il tipo di eliche prevalentemente montate (eliche in legno, la cui flessibilità e le cui reazioni sotto sforzo possono essere difficilmente controllate completamente).

Si presuppone che, essendo un elica bilanciata staticamente, non produca vibrazioni: in realtà non esiste un corpo in rotazione che non produca vibrazioni. In un velivolo le fonti potenziali sono molteplici: i pistoni, l’albero motore ed i cuscinetti nell’unità motrice, il riduttore e gli alberi di trasmissione, l’elica e l’ogiva. Se queste vibrazioni per casualità pura si annullano, la vibrazione risultante può essere bassa, ma se, come più spesso succede, le vibrazioni si sommano, ne deriva un livello eccessivo.

Fino a poco tempo fa, gli analizzatori manuali richiedevano tempi di intervento lunghi e non erano in grado di ridurre la vibrazione ad un livello avvertibile; ora, con i miglioramenti dell’elettronica e del software, è possibile ridurre la vibrazione a livelli minimi.

Il bilanciamento dinamico può perciò essere definito come il processo in cui viene utilizzato un analizzatore elettronico per misurare il livello di vibrazione prodotto dell’unità motrice su un velivolo. Piccoli pesi vengono aggiunti in posizioni opportune al gruppo mozzo/elica per correggere errori nella distribuzione delle masse e per ridurre il livello delle vibrazioni ad un valore accettabile.

Il bilanciamento dinamico viene effettuato direttamente sul mezzo, pronto al volo. Un sensore (velociometro) viene assicurato al motore in posizione opportuna. Una fotocellula o un pickup magnetico viene montato anch’esso sul motore o sul cofano per rilevare il segnale del passaggio dell’elica. Il motore viene avviato, ed i segnali vengono rilevati dall’analizzatore ai regimi corrispondenti a quelli di crociera.

L’analizzatore rileva l’ampiezza della vibrazione espressa in IPS (inches per second, o pollici al secondo) e l’angolo alla quale essa si produce rispetto ad una posizione di riferimento, dopodichè il software interno produce una soluzione di bilanciamento (posizione e quantità dei contrappesi). La soluzione viene applicata e il processo viene ripetuto finchè il livello della vibrazione viene ridotto a valori accettabili.

Le statistiche hanno dimostrato che il livello MEDIO delle vibrazioni dei velivoli ad ala fissa CERTIFICATI è di 0.5 IPS; è lecito presumere che il livello MEDIO degli ULTRALEGGERI sia sensibilmente più alto. Il livello accettabile non deve superare i 0.2 IPS, quindi mediamente le vibrazioni sono oltre il DOPPIO di quello che potrebbero essere (sui velivoli certificati, sugli ultraleggeri molto di più: sono state rilevate vibrazioni di 5 IPS su ultraleggeri utilizzati normalmente!!). Ciò si ripercuote sull’usura e lo stress dei componenti e degli accessori, sul confort degli occupanti e sulle prestazioni del mezzo, in quanto la vibrazione produce una notevole perdita di energia, che viene pertanto dissipata inutilmente e non utilizzata per la trazione o la spinta. Mediamente 19 velivoli su 20 ottengono significativi vantaggi dal bilanciamento dinamico, ed il pilota sarà immediatamente in grado di avvertire le differenze: in effetti il velivolo sembrerà completamente diverso.

Sia le componenti nuove che quelle usate o ricondizionate necessitano di bilanciamento dinamico: in effetti il momento migliore per effettuarlo è quando l’apparecchio è nuovo o appena revisionato. Gli studi hanno dimostrato che non vi è una differenza apprezzabile tra i livelli di vibrazione di gruppi motore/elica nuovi o usati. Anche velivoli a zero ore necessitano di essere bilanciati dinamicamente.

Per di più, il tecnico dell’analizzatore potrà determinare i livelli di vibrazione delle altre componenti in movimento, generalmente pistoni ed albero motore, e proporre eventuali rimedi.

Considerato il valore di un Ultraleggero, mediamente pari a diverse decine di milioni, ed i vantaggi che essa offre in termini di sicurezza, confort e prestazioni, il costo di una operazione di bilanciamento dinamico diventa trascurabile.

La PEGASUS di Busano (Torino) offre a tutti i possessori di velivoli ad ala fissa certificati o ultraleggeri, monomotori o bimotori, a pistoni o a turbina, la possibilità di effettuare un completo bilanciamento dei gruppi albero/elica. Il lavoro viene effettuato previo appuntamento presso i campi volo di Giaveno (TO), Garzigliana (TO), Riva di Chieri (TO), Montiglio (TO), le aviosuperfici di Busano (TO), Vische (TO), gli aeroporti di Torino Caselle e Torino Aeritalia senza spese di intervento, e con un rimborso chilometrico negli altri campi volo ed aeroporti italiani.

Il costo è di L. 250.000 per i velivoli ad ala fissa monomotori e di L. 500.000 per il velivoli ad ala fissa bimotori.

NOZIONI DI BASE

BILANCIAMENTO DI ELICHE E ROTORI

Una delle più importanti applicazioni dell’analisi delle vibrazioni è la soluzione di problemi di bilanciamento. Un’elica, un rotore o un albero sbilanciati causeranno vibrazioni e stress sulla parte in rotazione e sulla struttura ad essa collegata. Il bilanciamento di una massa in rotazione è quindi altamente raccomandato per ottenere uno o più dei seguenti vantaggi:

• Miglioramento del confort;
• Riduzione della vibrazione;
• Abbassamento del livello di rumorosità;
• Stress strutturali minimizzati;
• Abbassamento della fatica dell’operatore;
• Allungamento della vita dei cuscinetti;
• Riduzione delle perdite di potenza.

Lo sbilanciamento anche di un solo componente in rotazione causerà la vibrazione di tutta la macchina. Questa vibrazione indurrà a sua volta una eccessiva usura dei cuscinetti, perni, alberi, cablaggi, tubazioni, capottature e sistemi di scarico, riducendone sensibilmente la vita utile. Le vibrazioni causano nelle strutture stress fortemente dannosi che possono eventualmente portare a cedimenti strutturali. Le prestazioni della macchina diminuiscono per via dell’assorbimento di energia da parte della struttura portante.

Un corpo in rotazione non eserciterà alcuna forza di disturbo sui suoi supporti quando l’asse di rotazione coincide con uno dei principali assi di inerzia. Questa condizione è molto difficile da ottenere durante il normale processo produttivo, poiché in qualche misura sono sempre presenti irregolarità nella distribuzione delle masse a causa di errori dimensionali o non omogeneità del materiale.

Come risultato, si produrranno delle forze variabili di disturbo che a loro volta produrranno vibrazioni. Per eliminarle e produrre operatività sicure e silenziose, è necessario un bilanciamento dinamico: l’importanza del bilanciamento è particolarmente evidente nel caso di rotazioni ad alta velocità: in questi casi anche un piccolo sbilanciamento produce una grande forza di disturbo.

Le vibrazioni dovute ad una distribuzione irregolare delle masse si producono ad una frequenza proporzionale alla velocità del corpo in rotazione, perciò per la misurazione si richiede l’utilizzo sulla macchina bilanciatrice di un filtro che isoli la vibrazione che si produce alla velocità operativa dell’apparecchio.

Un corpo in rotazione con una distribuzione disuguale delle masse o uno sbilanciamento vibrerà per via dell’eccesso di forza centrifuga esercitata dal lato più pesante del rotore. Questo sbilanciamento causa una forza centrifuga che a sua volta induce una vibrazione. A riposo, lo sbilanciamento non esercita alcuna forza e quindi non causa vibrazione; tuttavia lo sbilanciamento è sempre presente. Lo sbilanciamento è pertanto indipendente dalla velocità di rotazione e rimane lo stesso sia che il corpo sia a riposo o in rotazione (presupponendo che esso non si deformi durante la rotazione).

La forza centrifuga, d’altro lato, varia con la velocità: non appena inizia la rotazione, lo sbilanciamento tenderà a produrre una vibrazione sulla parte in rotazione e sulla struttura ad essa collegata. La forza centrifuga aumenta con il quadrato della velocità, quindi a velocità doppia la forza è quadrupla, e così via.

Come detto prima, la correlazione tra lo sbilanciamento di un corpo in rotazione e la vibrazione prodotta dipende largamente dalla velocità di rotazione ed altre condizioni operative. Effettuando delle misurazioni allo scopo di determinare e correggere uno sbilanciamento, l’operatore deve accertarsi di ottenere i valori in modo consistente e a parità di condizioni.

Per misurare la vibrazione viene utilizzato un trasduttore di vibrazione (o velociometro) attaccato alla struttura sottoposta a vibrazione; il sensore converte questo movimento meccanico in un segnale elettrico che corrisponde al movimento del corpo nello spazio.. L’analizzatore viene quindi utilizzato per campionare questo segnale elettrico ed effettuare diversi calcoli basandosi sulle sue proprietà.

Oltre alla misurazione della vibrazione, viene rilevato un segnale di movimento: viene utilizzato un sensore di velocità come una fotocellula o un pickup magnetico, per determinare la posizione del corpo in rotazione nell’unità di tempo. Come il velocimetro, anche la fotocellula converte l’informazione in un segnale elettrico che viene campionato dall’analizzatore ed utilizzato nei calcoli.

L’operatore utilizza l’analizzatore per raccogliere une serie di misurazioni chiamate di Picco e Fase, in quanto ogni lettura è composta da un valore di picco (la quantità della vibrazione, che è proporzionale alla quantità di sbilanciamento) e da una fase (l’angolo o la posizione alla quale si trova lo sbilanciamento).

L’analizzatore calcola una Soluzione di Bilanciamento in base ai dati raccolti ed alla posizione alla quale è possibile applicare il peso correttivo. Questo peso viene quindi applicato al corpo in rotazione e la misurazione viene ripetuta finchè, per approssimazioni successive, la vibrazione viene ridotta ad un livello accettabile.

Un lavoro di bilanciamento completo consiste normalmente di un certo numero di letture (di solito da 3 a 10).

Un motore a combustione interna produce energia sotto forma di esplosioni controllate. Queste esplosioni producono potenti impulsi di energia che, per reazione, causano la vibrazione dell’intero motore. I progettisti fanno del loro meglio per minimizzare queste forze, ma è impossibile che essi possano eliminare completamente tutte le vibrazioni. Dobbiamo quindi ricordare che, per un motore a combustione interna, è perfettamente normale avere uno spettro di vibrazioni caratteristico. L’analisi della vibrazione deve determinare gli scostamenti dalla "normalità".

Ogni scoppio nel cilindro è come un colpo di martello che colpisce il blocco motore con un impulso di energia. Lo spettro della vibrazione di tale impulso consiste in una serie di picchi: essi saranno posti a multipli interi del rateo di accensione in ciascun cilindro. In un motore a quattro tempi l’esplosione si verifica ogni due rotazioni dell’albero, quindi le linee di spettro fondamentali saranno pari alla metà dei giri del motore, spesso chiamate vibrazioni di ˝ ordine. La "firma" della vibrazione risultante mostrerà linee di spettro di ordine ˝, 1, 1 ˝, 2, 2 ˝, e così via.

In pratica, se tutti i pistoni producono impulsi pressoché identici, la vibrazione di ˝ orine sarà molto piccola, 0.1 o 0.2 IPS. Qualora da un cilindro provenga meno potenza rispetto agli altri, questa tipica vibrazione aumenterà fino a oltre 1 IPS (da 5 a 10 volte). I meccanici conoscono bene le cause di un cilindro "debole": candele, carburatori o iniettori sporchi o mal tarati, fasce consumate, valvole, bassa compressione, magneti, bilancieri, ecc. Una qualsiasi di queste componenti può causare vibrazione di ˝ ordine.

Questo genere di vibrazione sono particolarmente fastidiose in quanto vengono avvertite in cabina dal pilota. Le vibrazioni a bassa frequenza non vengono generalmente isolate correttamente dai supporti del motore, e la vibrazione scuoterà l’intero velivolo. Se non vengono ridotte, esse possono causare la rottura di rivetti, piaste e cerniere, cablaggi e innescare cricche nelle saldature, oltre a causare affaticamento al pilota.

Le vibrazioni di 1 ordine sono invece normalmente causate da uno sbilanciamento (statico o dinamico) dell’elica, più raramente da un peso disuguale di uno dei pistoni (errore di montaggio o di revisione). Nei motori a cilindri contrapposti, questo produrrà una vibrazione di 1 ordine sul piano orizzontale, ma poca vibrazione sul piano verticale. D’altro canto, un’elica sbilanciata produrrà vibrazioni quasi uguali sia sul piano verticale che su quello orizzontale.

Un velivolo correttamente bilanciato è essenziale per la sicurezza, le prestazioni ed il comfort. Il bilanciamento dinamico è un’operazione oggi facilmente effettuabile, a costi trascurabili rispetto ai vantaggi che offre ed al valore del mezzo. Dovrebbe venire effettuato sul mezzo nuovo ed ogniqualvolta viene effettuata una sostituzione/revisione del gruppo motore/elica o di una delle sue componenti in rotazione. Qualora non fosse possibile ottenere un livello di vibrazione accettabile, il tecnico saprà indicarne le cause e suggerire gli opportuni rimedi.

Il risultato sarà, in definitiva, un deciso aumento del piacere di pilotaggio.