Volante bimasa (doble masa): principio, diseño, serie

Según el término del argot para una mosca de masa dual o de masa dual, existe un dispositivo llamado volante de inercia de masa dual. Este dispositivo permite la transmisión de par desde el motor a la transmisión y luego a las ruedas del vehículo. El volante bimasa ha atraído la atención del público debido a su vida útil a menudo limitada. El intercambio no solo es laborioso, sino que también requiere costos financieros, ya que la billetera contiene desde varios cientos hasta mil euros. Entre los automovilistas, a menudo se puede escuchar la pregunta de para qué se usan los autos de dos ruedas, cuando alguna vez no hubo problemas con los autos.

Un poco de teoría e historia.

El motor alternativo de combustión interna es una máquina relativamente compleja, cuyo funcionamiento se interrumpe en fase. Por esta razón, se conecta un volante al cigüeñal, cuya tarea es acumular suficiente energía cinética para vencer las resistencias pasivas durante las carreras de compresión (sin trabajo). Esto logra, entre otras cosas, la uniformidad requerida del motor. El motor funciona más equilibrado cuantos más cilindros tiene el motor o el volante más grande (más pesado). Sin embargo, un volante más pesado reduce la capacidad de supervivencia del motor y reduce su preparación para girar rápidamente. Este fenómeno se puede observar, por ejemplo, con un motor 1,4 TDi o 1,2 HTP. Con un volante de inercia más potente, estos motores de tres cilindros funcionan más lentamente y también disminuyen la velocidad. La desventaja de este comportamiento es, por ejemplo, cambios de marcha más lentos. El tamaño del volante también está influenciado por la composición de los cilindros (en línea, horquilla o bóxer). Un motor de rodillos opuestos es, en principio, mucho más equilibrado que, por ejemplo, un motor de cuatro cilindros en línea. Por lo tanto, también tiene un volante más pequeño que un motor de cuatro cilindros en línea comparable. El tamaño del volante también afecta el principio de combustión, por ejemplo, los motores diesel modernos casi siempre necesitan un volante. En comparación con sus homólogos de gasolina, los motores diésel suelen tener una relación de compresión mucho más alta, por encima de la cual consumen mucho más trabajo: la energía cinética de un volante giratorio.

La energía cinética Ek asociada con un volante giratorio se calcula utilizando la siguiente fórmula:

Ec = 1/2·J ω2

(dónde J es el momento de inercia del cuerpo con respecto al eje de rotación, ω es la velocidad angular de rotación del cuerpo).

Los ejes de equilibrio también ayudan a eliminar el funcionamiento desigual, pero requieren una cierta cantidad de trabajo mecánico para impulsarlos. Además de las irregularidades, la repetición periódica de los cuatro períodos también conduce a una vibración torsional, que afecta negativamente al accionamiento y la transmisión. La masa inercial normal de un motor de combustión interna consiste en las masas inerciales de las partes del mecanismo de manivela (ejes de equilibrio), volante y embrague. Sin embargo, esto no es suficiente para eliminar vibraciones no deseadas en el caso de motores diesel potentes y especialmente menos cilíndricos. En consecuencia, la transmisión y todo el sistema de propulsión deben protegerse de estos efectos adversos, ya que puede ocurrir una resonancia excesiva a ciertas velocidades, lo que resulta en una tensión excesiva en el cigüeñal y la transmisión, vibraciones desagradables de la carrocería y el zumbido del interior del vehículo. Esto se puede ver claramente en el diagrama a continuación, que muestra la amplitud de vibración del motor y la transmisión con volantes convencionales y de doble masa. Las vibraciones del cigüeñal a la salida del motor y las oscilaciones a la entrada de la transmisión tienen prácticamente las mismas amplitudes y frecuencias. A ciertas velocidades, estas fluctuaciones se superponen, lo que conduce a los riesgos y manifestaciones indeseables indicados.

Es de conocimiento común que los motores diesel son significativamente más fuertes que los motores de gasolina, por lo que sus partes son más pesadas (mecanismo de manivela, bielas, etc.). Dimensionar y equilibrar un motor de este tipo es un problema realmente complejo, cuya solución consiste en una serie de integrales y derivadas. Brevemente, un motor de combustión interna se compone de una serie de componentes, cada uno con su propio peso y rigidez, que juntos forman un sistema de resortes de torsión. Tal sistema de cuerpos materiales, conectados por resortes, tiende a oscilar a diferentes frecuencias durante la operación (bajo carga). La primera banda significativa de frecuencias de oscilación se encuentra en el rango de 2 a 10 Hz. Esta frecuencia puede considerarse natural y prácticamente no es percibida por una persona. La segunda banda de frecuencia está en el rango de 40-80 Hz, y percibimos estas vibraciones como vibraciones y el ruido como un rugido. La tarea de los diseñadores es eliminar esta resonancia (40-80 Hz), lo que en la práctica significa trasladarse a un lugar donde la persona sea mucho menos desagradable (alrededor de 10-15 Hz).

El automóvil contiene varios mecanismos que eliminan las vibraciones y el ruido desagradables (bloques silenciosos, poleas, aislamiento acústico), y en el centro se encuentra un embrague de fricción de disco convencional clásico. Además de transmitir el par, su función también es amortiguar las vibraciones torsionales. Contiene resortes que, en caso de una vibración no deseada, comprimen y absorben la mayor parte de su energía. En el caso de la mayoría de los motores de gasolina, la capacidad de absorción de un embrague es suficiente. Una regla similar se aplicaba a los motores diésel hasta mediados de los 90, cuando el mítico 1,9 TDi con bomba rotativa Bosch VP era suficiente con un embrague convencional y un clásico volante monomasa.

Sin embargo, con el tiempo, los motores diésel comenzaron a proporcionar cada vez más potencia debido a cada vez menos volumen (número de cilindros), la cultura de su funcionamiento pasó a primer plano y, por último, pero no menos importante, la presión sobre el "volante de la sierra También desarrolló estándares ambientales cada vez más estrictos. En general, la tecnología clásica ya no podía proporcionar amortiguación de las vibraciones de torsión y, por lo tanto, la necesidad de un volante de inercia de dos masas se convirtió en una necesidad. La primera empresa en introducir el volante de inercia de doble masa ZMS (Zweimassenschwungrad) fue LuK. Su producción en masa comenzó en 1985, y el BMW alemán fue el primer fabricante de automóviles en mostrar interés en el nuevo dispositivo. El volante bimasa ha experimentado una serie de mejoras desde entonces, y el tren de engranajes planetarios de ZF-Sachs se considera actualmente el más avanzado.

Volante bimasa: diseño y función

Un volante de inercia bimasa funciona prácticamente como un volante de inercia convencional, que también realiza la función de amortiguar las vibraciones torsionales y, por lo tanto, elimina en gran medida las vibraciones y el ruido no deseados. El volante bimasa se diferencia del clásico en que su parte principal, el volante, está conectado de forma flexible al cigüeñal. Por lo tanto, en la fase crítica (hasta el pico de compresión) permite cierta desaceleración del cigüeñal y luego (durante la expansión) cierta aceleración. Sin embargo, la velocidad del propio volante permanece constante, por lo que la velocidad a la salida de la caja de cambios también permanece constante y sin vibraciones. El volante bimasa transfiere su energía cinética linealmente al cigüeñal, las fuerzas de reacción que actúan sobre el propio motor son más suaves y los picos de estas fuerzas son mucho más bajos, por lo que el motor también vibra y sacude menos el resto del motor. cuerpo. La división en inercia primaria del lado del motor e inercia secundaria del lado del reductor aumenta el momento de inercia de las partes giratorias del reductor. Esto mueve el rango resonante a un rango de frecuencia más bajo (rpm) que la velocidad de ralentí y, por lo tanto, está fuera del rango de velocidades de funcionamiento del motor. De esta forma, las vibraciones torsionales generadas por el motor se separan de la transmisión y ya no se producen el ruido de la transmisión ni el rugido de la carrocería. Debido al hecho de que las partes primaria y secundaria están conectadas por un amortiguador de vibraciones torsionales, es posible utilizar un disco de embrague sin suspensión torsional.

El volante de inercia bimasa también sirve como un llamado amortiguador. Esto significa que ayuda a amortiguar los golpes del embrague al cambiar de marcha (cuando la velocidad del motor debe equilibrarse con la velocidad de las ruedas) y también ayuda a que los arranques sean más suaves. Sin embargo, los elementos elásticos (muelles) en un volante bimasa se cansan constantemente y permiten que el volante se mueva más ancho y más fácilmente en relación con el cigüeñal. El problema surge cuando ya están cansados: se extraen por completo. Además de estirar los resortes, el desgaste del volante también significa empujar los orificios de los pasadores de bloqueo. Por lo tanto, el volante no solo no amortigua las oscilaciones (oscilaciones), sino que, por el contrario, las crea. Comienzan a aparecer paradas en los límites extremos de la rotación del volante, la mayoría de las veces como golpes al cambiar de marcha, arrancar, solo en todas las situaciones cuando el embrague está activado o desactivado, o al cambiar de velocidad. El desgaste también se manifestará como arranques bruscos, vibración y ruido excesivos alrededor de las 2000 rpm, o vibración excesiva al ralentí. En general, los volantes de inercia bimasa experimentan una tensión mucho mayor en los motores menos cilíndricos (por ejemplo, tres/cuatro cilindros) donde la irregularidad es mucho mayor que en los motores de seis cilindros.

Estructuralmente, un volante bimasa consta de un volante primario, un volante secundario, un amortiguador interno y un amortiguador externo.

¿Cómo afectar / prolongar la vida útil de un volante bimasa?

La vida útil del volante está influenciada por su diseño, así como por las propiedades del motor en el que está instalado. El mismo volante del mismo fabricante recorre 300 km en algunos motores, y en algunos solo tomará la mitad de una porción. La intención original era desarrollar volantes de inercia de doble masa que sobrevivieran hasta la misma edad (km) que todo el automóvil. Desafortunadamente, en realidad, el volante a menudo necesita ser reemplazado mucho antes, muchas veces antes que el disco de embrague. Además del diseño del motor y del volante bimasa en sí, el conductor tiene un impacto significativo en su vida útil. Todas las situaciones que conducen a la transmisión de un golpe en una u otra dirección reducen su vida útil.

Para prolongar la vida útil del volante de inercia bimasa, no se recomienda conducir con frecuencia el subviraje del motor (especialmente por debajo de 1500 rpm), pisar el embrague con fuerza (preferiblemente sin cambiar al cambiar de marcha) y no reducir la marcha del motor (es decir, frenar el motor). sólo a una velocidad razonable). A menudo sucede que a una velocidad de 80 km / h, no enciende la segunda marcha, sino la tercera o cuarta y cambia gradualmente a una marcha más baja). Algunos fabricantes recomiendan (en este caso VW) que si el automóvil está estacionado con un automóvil parado en una pendiente suave, primero se debe aplicar el freno de mano y luego se debe engranar una marcha (marcha atrás o XNUMX). De lo contrario, el vehículo se moverá ligeramente y el volante bimasa entrará en un enganche permanente, provocando tensión (estiramiento de los resortes). Por lo tanto, se recomienda no usar la velocidad en pendientes, y si es así, solo después de frenar el automóvil con un freno de mano, para no causar un ligero movimiento y la posterior carga a largo plazo: cierre del sistema de transmisión, es decir, un volante de inercia bimasa. . Un aumento de la temperatura del disco de embrague también está directamente relacionado con una reducción de la vida útil del volante bimasa. El embrague se sobrecalienta, especialmente cuando se remolca un remolque pesado u otro vehículo, se conduce fuera de la carretera, etc. El embrague se desbloqueará incluso si el motor está averiado. Cabe señalar que el calor radiante del disco de embrague provoca el sobrecalentamiento de varios componentes del volante (especialmente si se trata de una fuga de lubricante), lo que afecta aún más negativamente la vida útil.

Reparación - sustitución del volante bimasa y sustitución por un volante convencional

No existe tal cosa como reparar un volante excesivamente desgastado. La reparación implica reemplazar el volante junto con el conjunto del embrague (laminillas, resorte de compresión, cojinetes). Toda la reparación es bastante laboriosa (alrededor de 8-10 horas), cuando es necesario desmontar la caja de cambios y, a veces, incluso el motor. Por supuesto, no debemos olvidarnos de las finanzas, donde los volantes más baratos se venden por unos 400 euros, los más caros, más de 2000 euros. ¿Por qué cambiar un disco de embrague que todavía está en buenas condiciones? Pero simplemente porque cuando se realiza el mantenimiento del disco de embrague, es solo cuestión de tiempo antes de que desaparezca, y este proceso lento, que es varias veces más costoso que el disco de embrague, tendrá que repetirse. Al reemplazar un volante, es una buena idea ver si hay una versión más sofisticada que pueda manejar más millas, respaldada y aprobada por el fabricante del vehículo, por supuesto.

Muy a menudo puede encontrar información sobre cómo reemplazar un volante de inercia de dos masas por uno clásico, en el que se utilizan láminas con un amortiguador de torsión. Como ya se mencionó en artículos anteriores, un volante bimasa, además de sus funciones convenientes, también realiza la función de un amortiguador de vibraciones torsionales, lo que afecta negativamente el estado de las partes móviles del motor (cigüeñal) o caja de cambios. Hasta cierto punto, la propia placa de resorte también puede eliminar la amortiguación de vibraciones, pero no puede proporcionar el mismo rendimiento que el volante de inercia de doble masa, mucho más potente y complejo. Además, si fuera así de simple, los fabricantes de automóviles y sus propietarios financieros lo habrían practicado durante mucho tiempo, quienes trabajan constantemente para reducir costos. Por lo tanto, generalmente no se recomienda reemplazar el volante de inercia de masa doble con un volante de inercia de masa simple.

No subestime la sustitución de un volante desgastado

No se recomienda encarecidamente posponer el reemplazo de un volante excesivamente desgastado. Además de las manifestaciones anteriores, existe el riesgo de aflojamiento (separación) de cualquier parte del volante. Además de destruir el volante, el motor o la transmisión también pueden resultar fatalmente dañados. El desgaste excesivo del volante también afecta el funcionamiento correcto del sensor de velocidad del motor. A medida que los elementos de resorte se desgastan gradualmente, las dos partes del volante se desvían cada vez más hasta que quedan fuera de las tolerancias establecidas en la unidad de control. A veces esto conduce a un mensaje de error y, a veces, por el contrario, la unidad de control intenta adaptar y controlar el motor basándose en datos incorrectos. Esto conduce a un rendimiento deficiente y, en el peor de los casos, a problemas de puesta en marcha. Este problema es especialmente común en los motores más antiguos, donde un sensor del cigüeñal detecta movimiento en el lado de salida del volante bimasa. Los fabricantes han eliminado este problema cambiando el montaje del sensor, por lo que en los motores más nuevos detecta la velocidad del cigüeñal en la entrada del volante.