Come funzionano e qual è il modo corretto per diagnosticarli?

La frizione della ventola o frizione viscosa, come a volte viene chiamata, è in genere uno dei componenti meno compresi nel sistema di raffreddamento di un motore e, di conseguenza, è anche una delle parti più comunemente diagnosticate in modo errato nel veicolo nel suo complesso. Tuttavia, con la corretta comprensione del suo funzionamento e con l'attrezzatura corretta, non è poi così difficile. In questo articolo cercheremo quindi di demistificare l'argomento e speriamo di aiutarti a capire se la parte è effettivamente difettosa o meno.

Quindi, innanzitutto, qual è l'ambito completo delle funzioni che questa parte deve svolgere e come funziona effettivamente? Lo scopo della frizione della ventola è controllare la ventola del motore, non solo per consentirle di fornire aria di raffreddamento agli scambiatori di calore nella parte anteriore del veicolo, ma per farlo solo quando è necessario e per fornire solo la quantità di aria necessaria quando lo è. Gli ultimi due punti sono importanti da notare in quanto vengono spesso trascurati o non compresi come parte della funzione primaria della frizione della ventola. Il motivo per cui questo è importante è che la ventola del motore assorbirà energia dal motore in diretta relazione con la velocità a cui sta girando e se il carico di raffreddamento sui vari sistemi collettivamente è basso, allora è richiesta solo una piccola quantità di aria. La velocità della ventola dovrebbe quindi essere corrispondentemente bassa in modo da non aspirare aria in eccesso, sottraendo così inutilmente potenza al motore e, di conseguenza, sprecando carburante e denaro. Il punto, quindi, è che la frizione della ventola non è solo lì per azionare la ventola del motore, ma per farlo in modo efficiente.

Quindi, come fa effettivamente questo?
In poche parole, la frizione della ventola viscosa è composta da due metà accoppiate tra loro e in grado di ruotare in modo semi-indipendente l'una dall'altra. Il lato di ingresso è accoppiato al motore direttamente o tramite una cinghia e quindi ruota in una relazione fissa con il motore. Il lato di uscita è montato su un cuscinetto che a sua volta è montato sull'albero di ingresso in modo da consentirgli di ruotare a una velocità diversa da quella del lato di ingresso. C'è una guarnizione sull'albero di ingresso che mantiene l'assemblaggio sigillato. I lati di ingresso e di uscita hanno un sistema di scanalature concentriche di accoppiamento e lo spazio sigillato tra loro è riempito da una quantità di olio siliconico che varia in relazione alla quantità di azionamento richiesta dalla frizione della ventola. La quantità di olio nello spazio scanalato tra le due metà è controllata da una valvola collegata a un elemento termico situato nella parte anteriore della frizione della ventola. L'olio viene rilasciato da un serbatoio di stoccaggio incorporato nell'assemblaggio quando è richiesto più olio e viene pompato di nuovo in questo serbatoio quando è richiesto meno olio nello spazio di lavoro. Quando l'elemento termico si riscalda in risposta all'aria più calda derivante da un aumento del carico termico, la valvola consentirà a più olio di fluire nello spazio scanalato tra le due metà. Ciò aumenta le forze di taglio viscoso (attrito) tra i lati di ingresso e di uscita e quindi provoca un aumento della velocità del lato di uscita. La ventola quindi aspira più aria di raffreddamento attraverso gli scambiatori di calore, il che bilancia la capacità di raffreddamento dell'aria con il carico termico del sistema.

Ora che abbiamo una panoramica di base di come funziona il sistema, è necessario comprendere le caratteristiche del sistema di una frizione della ventola viscosa che funziona correttamente per poter interpretare le caratteristiche del sistema che sono fuori linea e quindi differenziare una frizione della ventola funzionante da una guasta.

In un sistema che funziona correttamente, vedremmo che quando un motore viene avviato, la frizione della ventola sarà innestata esattamente nella stessa misura in cui lo era quando il motore è stato spento l'ultima volta. Ciò significa che anche se il motore è freddo quando viene avviato, la ventola sarebbe completamente innestata se il motore fosse in funzione a pieno carico termico quando è stato spento l'ultima volta. Questo perché il volume di olio nello spazio scanalato tra i lati di ingresso e di uscita è ancora lo stesso di quando il motore è stato spento e la frizione ha smesso di ruotare. Quando il motore viene riavviato per la prima volta (quando è freddo), l'olio nella camera di lavoro (lo spazio scanalato tra le metà di ingresso e di uscita) inizierà a circolare di nuovo nel serbatoio di stoccaggio, diminuendo così la forza motrice trasmessa dalla frizione della ventola fino al punto in cui la ventola è completamente disinnestata. A questo punto, la ventola ruoterà con solo una piccolissima coppia motrice derivante dalle forze di attrito nel cuscinetto. Quando il motore si riscalda, anche l'aria che passa attraverso gli scambiatori di calore si riscalderà, in risposta alla quale l'elemento termico sulla parte anteriore della frizione inizierà ad aprire progressivamente la valvola che controlla il flusso dell'olio. Ciò farà sì che la coppia motrice del sistema aumenti progressivamente in equilibrio con il carico termico sul sistema fino al punto in cui è di nuovo completamente innestata.

Una piccola deviazione dallo schema sopra sarà visibile quando viene eseguito un avviamento a freddo a causa dell'effetto della viscosità dell'olio, che è più alta a basse temperature che a temperatura di esercizio. L'effetto di questo è che quando l'olio è freddo, la quantità di innesto della ventola sarà maggiore per una data quantità di olio nella camera di lavoro rispetto a quando l'olio è caldo e una certa quantità di innesto della ventola sarà quindi sempre presente all'avviamento a freddo, ma diminuirà relativamente rapidamente quando l'olio si riscalda (a causa dell'attrito interno) e la frizione della ventola torna al corretto livello (basso) di innesto in risposta al basso carico termico in quella condizione.

Con quanto sopra in mente, è ora possibile determinare se una frizione della ventola è difettosa o meno. Essenzialmente ci sono due modi in cui una frizione della ventola può guastarsi. Il primo e più ovvio è se la parte non trasmette più la coppia motrice richiesta necessaria per consentire un corretto raffreddamento. L'altro è se la parte si 'inceppa' e non varia più la coppia motrice fornita in risposta ai cambiamenti del carico termico. La prima modalità di guasto diventa evidente nelle temperature elevate del sistema di raffreddamento e la seconda modalità diventa evidente nel rumore eccessivo della ventola a causa del fatto che non si disinnesta in nessun momento. Inoltre, la seconda modalità di guasto dovrebbe anche diventare evidente nell'aumento del consumo di carburante.

Questo ci porta alla domanda successiva: 'Come testiamo quanto sopra?' Il modo corretto per testare una frizione della ventola viscosa è determinare la quantità di slittamento consentita dal sistema nei vari punti operativi che il sistema attraversa durante il riscaldamento. Lo schema che dovrebbe essere evidente è che su un motore freddo la frizione sarà innestata a un livello in linea con la temperatura del motore al momento dello spegnimento e dovrebbe disinnestarsi di nuovo entro tre o cinque minuti dall'avvio. Questa impostazione dovrebbe quindi essere mantenuta fino a quando il termostato non si apre e il liquido di raffreddamento del motore inizia a circolare. Solo a questo punto l'aria aspirata attraverso gli scambiatori di calore davanti alla ventola inizierà a riscaldarsi e solo da questo momento in poi la frizione della ventola dovrebbe iniziare a ri-innestarsi. Nel momento in cui la temperatura del liquido di raffreddamento che entra nel radiatore raggiunge la piena temperatura di esercizio, la frizione della ventola dovrebbe essere completamente innestata. A questo punto, lo slittamento misurato nella frizione della ventola non dovrebbe superare il 5%.

Il modo corretto per determinare lo slittamento è misurare la velocità della ventola rispetto alla velocità del motore e dividere la prima per la seconda. Qualsiasi valore inferiore al 95% diventerebbe progressivamente sempre più problematico in quanto un sistema sano dovrebbe essere in grado di mantenere questo livello di prestazioni. Questa misurazione viene eseguita al meglio utilizzando un contagiri a infrarossi con piccoli pezzi di nastro riflettente sull'albero di ingresso della frizione della ventola e in un punto adatto sull'hub della ventola tra la base di due pale adiacenti. Allo stesso tempo, la temperatura del liquido di raffreddamento del motore dovrebbe essere misurata utilizzando un termometro a infrarossi in modo da garantire che la temperatura sia effettivamente alla temperatura di esercizio durante la misurazione dello slittamento. Va menzionato a questo punto che non è possibile (per non parlare del fatto che è decisamente pericoloso) determinare quanto slittamento è presente provando a tenere la pala della ventola con le mani e poi avviando il motore, semplicemente perché non è possibile differenziare tra lo slittamento del 5% e lo slittamento del 10% o anche dello slittamento del 15% per quella materia. Per contestualizzare, un sistema con uno slittamento del 10% o del 15% nella frizione della ventola potrebbe già avere significativi problemi di raffreddamento.