Funcionamiento del motor de combustión interna.

La gran mayoría de los vehículos de carretera están equipados con motores de combustión interna. Debido al principio de funcionamiento del motor de combustión interna, se generan vibraciones de torsión en el cigüeñal. El proceso de combustión genera un aumento extremadamente rápido de presión dentro del cilindro, durante el golpe de poder, lo que da como resultado una salida de par con picos. La presión generada en los cilindros aplica una fuerza en la parte superior del pistón, que se transmite a través de la biela y permite que el cigüeñal gire. El par pulsante generado por los cilindros provoca vibraciones en el cigüeñal.

Imagen: Amplitud de velocidad del motor a ralentí (baja)

En un motor de pistón alternativo, el gradiente de presión en el cilindro durante los cuatro ciclos produce un par desigual en el cigüeñal. El par pulsante generado en el cigüeñal hace que la velocidad del motor también sea pulsante. Por ejemplo, si medimos la velocidad de ralentí de un motor, con un tiempo de muestreo de 100 ms o menos, podemos ver que la velocidad del motor no es constante en alrededor de 975 rpm sino que oscila rápidamente entre 925 y 1050 rpm.

Todas estas vibraciones rotacionales se transmiten al interior de la transmisión y pueden afectar la durabilidad de sus componentes. Estas vibraciones pueden crear ruidos en los engranajes, auge de la carrocería y vibraciones de entrada y salida en la línea motriz que producen un ruido considerable y una pérdida de comodidad de conducción.

volante sencillo

En cada ciclo de potencia, la combustión de la mezcla de aire y combustible acelera enormemente el cigüeñal. Durante los otros tres ciclos (admisión, compresión y escape), el cigüeñal desacelera a veces con fuerza y ​​a veces con menos fuerza. Para permitir que el motor funcione principalmente a bajas revoluciones, una masa centrífuga, el volante, suaviza hasta cierto punto estas irregularidades en la velocidad de rotación.

Un motor de combustión interna de 4 cilindros y cuatro tiempos tiene un intervalo de encendido de 180°. Por ejemplo, si el motor de 4 cilindros funciona a 3000 rpm, se producen 6000 encendidos por minuto, lo que corresponde a 100 encendidos por segundo. Por lo tanto, las irregularidades en la velocidad de rotación del motor son muy leves.

Cuanto más bajas son las velocidades del motor, más claras aparecen las irregularidades de la velocidad de rotación del motor en forma de vibraciones de torsión. A 1200 rpm, hay aproximadamente 40 encendidos por segundo, lo que significa que solo se produce un ciclo de encendido cada 25 milisegundos. Las irregularidades del régimen de giro del motor y, por tanto, las vibraciones de torsión son muy marcadas en este rango de régimen del motor.

Si estas vibraciones de torsión se transmiten al cambio sin amortiguarlas, se producen vibraciones de resonancia en el cambio y en la transmisión. A su vez, estas vibraciones de resonancia provocan ruidos de auge y zumbidos o traqueteos de engranajes. Además, las vibraciones de mayor resonancia pueden dañar los componentes de la caja de cambios y la transmisión a largo plazo. Sin una amortiguación adecuada de las vibraciones torsionales, el confort de conducción a bajas revoluciones del motor es inaceptable y una conducción a bajas revoluciones del motor que ahorra combustible tampoco es práctica.

La reducción de las vibraciones rotacionales del cigüeñal se puede lograr utilizando un volante. Un volante es un componente mecánico diseñado para almacenar energía rotacional (energía cinética). Los volantes resisten los cambios de velocidad de rotación debido a su momento de inercia. La cantidad de energía almacenada en un volante es proporcional al cuadrado de su velocidad de rotación y su masa.

dónde:

E [J] – energía cinética almacenada en el volante
J [kg·m2] – momento de inercia del volante
ω [rad/s] – velocidad angular del volante

Cuanto mayor sea la inercia o la velocidad angular del volante, mayor será la energía almacenada.

Motor 1.3 JTD 16v Multijet

Imagen: motor 1.3 JTD 16v Multijet
Crédito: Fiat

En el caso del motor de combustión interna, el volante está montado en el extremo del cigüeñal. Cómo funciona:

  • Durante la carrera de potencia del motor, el volante almacena la energía cinética.
  • Durante las carreras de admisión, compresión y escape, el volante libera la energía cinética.

De esta manera, los picos de par se amortiguan durante la carrera de potencia y se distribuyen a lo largo de todo el ciclo del motor. Este efecto se aplica a todos los cilindros de los motores. Cuanto mayor sea el número de cilindros de un motor, más suave será el par/potencia de salida.

Par del motor durante un ciclo de 4 tiempos

Imagen: Par del motor durante un ciclo de 4 tiempos

El tipo de motor (diesel/gasolina), el número de cilindros, la cilindrada del motor y la potencia específica. [kW/L] del motor tiene un impacto significativo en las vibraciones rotacionales del cigüeñal. Por ejemplo, los motores de gasolina atmosféricos de alta cilindrada tienen un par bajo a baja velocidad. Además, sus partes móviles, pistones, bielas y cigüeñal tienen una mayor masa, lo que significa una mayor inercia y, por lo tanto, picos de velocidad de rotación más manejables. Estos factores combinados hacen que las ondulaciones (oscilaciones) del par de salida sean manejables con un volante estándar.

Reducción de tamaño y reducción de velocidad

Una tarea importante de la industria del automóvil en los últimos años ha sido reducir el consumo y las emisiones de CO.2. Una medida eficaz para lograr este objetivo es aprovechar velocidades del motor aún más bajas para conducir. El par se aumenta para lograr esto sin perder potencia. Esto permite que el motor funcione sólo ligeramente por encima del régimen de ralentí y, por tanto, en un rango de consumo extremadamente eficiente. Un desafío es lograr un aislamiento adecuado del sistema de propulsión incluso a estas bajas velocidades del motor y así brindar a los conductores su nivel habitual de comodidad.

El rápido desarrollo de la tecnología de los vehículos en las últimas décadas ha generado motores de rendimiento cada vez mayores, acompañado de una mayor demanda de comodidad para el conductor. Los conceptos de vehículos que ahorran peso y las carrocerías optimizadas para el túnel de viento permiten ahora que el conductor perciba otras fuentes de ruido. A ello contribuyen además los conceptos eficientes, los motores de régimen extremadamente bajo y las cajas de cambios de nueva generación que utilizan aceites ligeros.

Para mejorar el consumo de combustible y reducir las emisiones de gases de escape, las estrategias recientes de desarrollo de motores incluyeron motores reducción de personal y desaceleración.

Reducción de tamaño de V6 a L4

Imagen: Reducción de tamaño de V6 a L4
Efecto del número de cilindros sobre la oscilación de velocidad.

Imagen: Efecto del número de cilindros sobre la oscilación de velocidad.
Crédito: Schaeffler
  • reducción de personal significa que la capacidad volumétrica total del motor se reduce al reducir el número de cilindros (por ejemplo, de 6 cilindros a 4 cilindros), pero manteniendo la salida de par/potencia (generalmente usando refuerzo de aire de admisión, tecnologías de elevación de válvula variable, inyección directa de combustible, etc. )
  • desaceleración significa que el par máximo del motor se obtiene a un régimen más bajo (por ejemplo, de 2500 rpm a 1500 rpm), lo que se consigue, por ejemplo, utilizando turbocompresores de dos etapas, compresores de aire eléctricos, etc.

En otras palabras, la reducción de tamaño y la reducción de velocidad son procesos mediante los cuales el punto de operación de velocidad/carga se cambia a una región más eficiente mediante la reducción de la capacidad del motor mientras se mantiene el rendimiento de carga completa mediante la carga de presión.

Motor Ford reduciendo la potencia de par

Imagen: Motor Ford reduciendo la potencia de par
Crédito: Ford

La combinación de una menor inercia de los componentes móviles con un mayor par a bajas revoluciones del motor genera mayores vibraciones de rotación en el cigüeñal. Además, con CO más estrictos2 y las emisiones de gases de escape se están imponiendo en todo el mundo, los fabricantes de motores de combustión interna están implementando más estrategias de reducción de tamaño y reducción de velocidad de los motores. El efecto secundario de esta estrategia es que se generan más vibraciones en el cigüeñal que se transfieren a la línea motriz.

Tendencia a la reducción del tamaño del motor

Imagen: Tendencia a la reducción del tamaño del motor
Crédito: Perspectiva global y Honeywell

Funcionamiento y componentes del volante bimasa

Existen diferentes tecnologías disponibles para filtrar las vibraciones rotacionales del cigüeñal. Todas estas tecnologías se pueden clasificar en tres categorías principales:

  1. amortiguación activa: en este caso se utiliza un componente activo (amortiguador), que puede generar una fuerza opuesta a la fuerza de vibración del cigüeñal; de esta manera el las vibraciones se anulan dando como resultado una rotación suave del cigüeñal; este método ofrece el mejor rendimiento de reducción de vibraciones pero tiene un coste elevado; Además, el componente activo requiere un suministro de energía externo y no tiene la confiabilidad requerida para aplicaciones automotrices.
  2. amortiguación semiactiva: es similar con la tecnología de amortiguación activa pero con menos requerimiento de energía externa
  3. amortiguación pasiva: implica el uso de un componente pasivo, que no requiere energía externa pero puede disipar energía; las aplicaciones más comunes suelen consistir en un resorte y un amortiguador; esta es la solución más rentable con una buena característica de reducción de vibraciones razonable.

Una solución eficiente y rentable para reducir las vibraciones rotacionales (torsionales) es utilizar un DMFque es la abreviatura de Volante bimasa. El volante bimasa (DMF) es un componente de amortiguación pasiva y su función principal es aislar la línea motriz/transmisión de las vibraciones generadas por el motor de combustión interna. Esta técnica también mejorará el comportamiento acústico general del vehículo y reducirá el consumo de combustible.

Principio de funcionamiento de un volante convencional.

Imagen: Principio de funcionamiento de un volante convencional.
Crédito: luk
Principio de funcionamiento con volante bimasa
Imagen: Principio de funcionamiento con un volante bimasa (DMF)
Crédito: luk1 – motor
2 – embrague
3 – transmisión
4 – amortiguador de torsión (rotación)
5 – masa primaria
6 – masa secundaria
7 – volante

En comparación con un volante convencional, que tiene una masa, un DMF estándar consta de un masa primaria y un masa secundaria. Las dos masas están desacopladas y conectadas mediante un sistema con resortes y amortiguadores. Ambas masas están sostenidas por un rodamiento rígido de bolas o un cojinete liso para que puedan girar entre sí. La tasa de resorte y la característica de amortiguación son cruciales para determinar
el rendimiento operativo de un volante bimasa.

La masa primaria (2) (ver figura a continuación) está firmemente atornillada al cigüeñal, tiene la corona dentada de arranque (1) unida y es impulsada por el motor. Encierra, junto con la tapa primaria (6), una cavidad que forma el canal del resorte de arco.

Sección a través de un volante bimasa (DMF)

Imagen: Sección a través de un volante bimasa (DMF)
Crédito: luk

Los componentes principales del sistema resorte-amortiguador son los resortes de arco (3). Se asientan sobre guías en los canales del arco elástico y cumplen de forma económica los requisitos de un amortiguador de torsión «ideal». Las guías aseguran el correcto guiado de los resortes durante el funcionamiento y la grasa alrededor de los resortes reduce el desgaste entre ellos, las guías y los canales.

Entre la masa primaria y secundaria el par se transfiere a través de la brida (5). La brida está remachada a la masa secundaria (7) con sus alas asentadas entre los resortes de arco.

La masa secundaria contribuye a aumentar el momento de inercia de la masa en el lado de la caja de cambios. Las rejillas de ventilación garantizan que el calor creado durante la fricción del embrague se disipe de manera eficiente. Como el DMF tiene un sistema de amortiguador de resorte integral, normalmente se utiliza un disco de embrague rígido sin amortiguador de torsión.

Volante bimasa estándar (DMF)

Imagen: Volante bimasa estándar (DMF)
Crédito: luk

1 – corona dentada de arranque
2 – masa primaria
3 – resortes de arco
4 – cojinete liso
5 – brida
6 – cubierta primaria (sección transversal)
7 – masa secundaria

Componentes del volante bimasa (DMF)

Imagen: Componentes del volante bimasa (DMF)
Crédito: Valeo

1 – anillo de arranque
2 – masa primaria
3 – arandelas de fricción
4 – cojinete o casquillo
5 – placa de accionamiento
6 – resortes de arco y guías de resorte
7 – portada
8 – masa secundaria

En un vehículo con volante de inercia convencional y disco de embrague con amortiguación de torsión, las vibraciones de torsión en el ralentí se transmiten prácticamente sin filtrar a la caja de cambios y provocan que los bordes de los dientes del engranaje choquen entre sí (traqueteo de la caja de cambios). Por otro lado, el sistema amortiguador de muelles del DMF filtra las vibraciones de torsión provocadas por el motor. Esto evita que los componentes de la caja de cambios choquen entre sí: no se producen ruidos y se satisfacen plenamente las exigencias del conductor de mayor comodidad.

El principio de funcionamiento de un volante bimasa es sencillo y eficaz. Debido a la masa adicional en el eje de entrada de la transmisión, el rango de par de vibración, que normalmente está entre 1200 rpm y 2400 rpm con amortiguadores de torsión originales, se desplaza a un rango de velocidad de resonancia más bajo. Esto garantiza una excelente amortiguación de las vibraciones del motor incluso al ralentí.

Transferencia de vibraciones torsionales con volante convencionalImagen: Transferencia de vibraciones torsionales con volante convencional
Crédito: luk
Transferencia de vibraciones torsionales con DMFImagen: Transferencia de vibraciones torsionales con DMF
Crédito: luk

El volante bimasa (DMF) permitió aislar las vibraciones rotacionales del motor de combustión interna del resto de la cadena cinemática. Se eliminaron los ruidos no deseados de la caja de cambios y se redujo considerablemente el brazo de la carrocería. También fue posible conducir el vehículo a velocidades de motor muy bajas, aumentando el par a bajas revoluciones, reduciendo así el consumo de combustible.

Hay muchos otros puntos operativos que también deben considerarse al diseñar un volante bimasa (DMF). En primer lugar hay que arrancar el motor y después detenerlo al final del viaje y quizás también en los semáforos. El viaje en sí comienza con el lanzamiento del vehículo. Los cambios en la posición del pedal del acelerador, así como los cambios de marcha, provocan cambios de carga en la transmisión o el vehículo avanza sin carga. Estos son sólo algunos de los puntos de funcionamiento adicionales en los que existe una gran exigencia de comodidad.

En todos estos puntos de funcionamiento, el DMF reduce sustancialmente el ruido, la vibración rotacional y el confort general del vehículo.

El efecto del DMF en el confort del vehículo

Imagen: El efecto del DMF en el confort del vehículo
Crédito: luk

El masa primaria está conectado al cigüeñal del motor de combustión interna. La masa primaria del DMF y el cigüeñal se combinan para formar una inercia completa. En comparación con un volante de inercia convencional, la masa primaria del DMF es mucho más flexible, lo que ayuda a aliviar la carga del cigüeñal. Además, la masa primaria, junto con la cubierta primaria, forma el canal del arco de resorte, que normalmente se divide en dos secciones, separadas por los topes del arco de resorte.

La masa primaria es una pieza estampada de acero con un momento de inercia de masa suficiente. En determinados casos, podría estar fabricado en hierro fundido. Para arrancar el motor, la corona de arranque se coloca sobre la masa primaria. Dependiendo del tipo de DMF, se puede soldar o prensar en frío.

Volante bimasa estándar (DMF) - muelleImagen: Volante bimasa estándar (DMF) – resorte
Crédito: luk1 – cobertura primaria
2 – tope de resorte de arco
3 – masa primaria
Volante bimasa estándar (DMF) - masa primariaImagen: Volante de inercia bimasa (DMF) estándar – masa primaria
Crédito: luk1 – corona dentada de arranque
2 – masa primaria

El cubrir está soldado a la masa primaria para formar una cámara sellada que contiene los resortes curvados, las guías de resorte y el lubricante.

Cubierta del volante bimasa (DMF)

Imagen: Cubierta del volante bimasa (DMF)
Crédito: Valeo

El par motor se transfiere de la masa primaria a la masa secundaria a través de los resortes de arco y la placa de accionamiento. Gracias al apoyo entre la masa primaria y secundaria, es posible un movimiento radial independiente de las masas. Al igual que con un volante rígido (de una sola masa), la potencia se produce a través del embrague, que está atornillado a la masa secundaria. Sin embargo, la diferencia fundamental es que el par del motor ahora está prácticamente libre de vibraciones de rotación, es decir, está modulado. Porque Por ello, en la mayoría de los casos se puede prescindir de un disco de embrague con amortiguación de torsión si se utiliza un DMF.

Masa secundaria del volante bimasa (DMF)

Imagen: Masa secundaria del volante de inercia dual (DMF)
Crédito: Valeo

La masa secundaria es un componente de hierro fundido. Un lado está mecanizado para formar la superficie de fricción del disco. La masa secundaria transmite el par motor al embrague y luego a la caja de cambios y a las ruedas.

DMF estándar - masa secundaria - lado caja de cambiosImagen: DMF estándar – masa secundaria – lado de la caja de cambios
Crédito: luk1 – superficie de empernado del embrague
2 – superficie de fricción del disco de embrague
3 – ventilación para disipación de calor
DMF estándar - masa secundaria - lado del motorImagen: DMF estándar – masa secundaria – lado del motor
Crédito: luk1 – agujero de remache

El cojinete en la masa primaria sirve como conexión giratoria con la masa secundaria. No sólo debe absorber las fuerzas radiales del volante secundario y del embrague debidas al peso, sino también las fuerzas axiales generadas por la fuerza de desembrague al desembragar.

Volante bimasa estándar (DMF) - rodamiento

Imagen: Volante bimasa (DMF) estándar – rodamiento
Crédito: luk

1 – torre de rodamiento
2 – cojinete liso
3 – rodamiento de bolas

Un volante bimasa (DMF) utiliza dos tipos diferentes de rodamientos:

  • rodamiento de bolas: cuando comenzó el desarrollo del DMF, se podían utilizar rodamientos de bolas de gran tamaño debido al diseño relativamente simple de los componentes internos; sin embargo, las crecientes exigencias en materia de amortiguación de vibraciones giratorias hicieron necesarios componentes adicionales en el DMF; por este motivo fue necesario crear más espacio para la construcción; esto condujo a una reducción sistemática del diámetro del rodamiento de bolas; Los pequeños rodamientos de bolas permiten la integración espacialmente neutra de amortiguadores de vibraciones giratorios adicionales y, de esta manera, aumentan la eficiencia del DMF.
  • cojinete liso: en comparación con los rodamientos de bolas, los cojinetes lisos ocupan menos espacio y tienen un diseño más sencillo; A pesar de sus bajos costes de fabricación, pueden usarse universalmente y, si es necesario, pueden diseñarse para permitir el movimiento axial.
Volante bimasa (DMF) estándar - rodamiento de bolasImagen: DMF estándar – rodamiento de bolas
Crédito: luk
Volante bimasa (DMF) estándar - cojinete lisoImagen: DMF estándar – cojinete liso
Crédito: luk

La masa primaria está provista de un cubo torneado sobre el que se monta el rodamiento de bolas de gran tamaño. Sobre la masa primaria se monta una brida del cubo con el asiento del cojinete (girado o estirado). El asiento del rodamiento se puede ajustar para montar un rodamiento de bolas pequeño (como se muestra aquí) o un cojinete liso.

Volante bimasa estándar (DMF) - tamaño del rodamiento

Imagen: Volante bimasa estándar (DMF): tamaño del rodamiento
Crédito: luk

1 – masa primaria con asiento de rodamiento en el cubo
2 – centro
3 – rodamiento de bolas de gran tamaño
4 – sección transversal de masa primaria con cubo y rodamiento de bolas de gran tamaño

En comparación con los rodamientos de bolas, los cojinetes lisos ocupan menos espacio y tienen un diseño más sencillo. A pesar de sus bajos costes de fabricación, pueden usarse universalmente y, si es necesario, pueden diseñarse para permitir un movimiento axial.

Volante bimasa (DMF) estándar - cojinete lisoImagen: Volante bimasa (DMF) estándar – cojinete liso
Crédito: luk1 – casquillo de cojinete liso revestido
2 – torre de rodamiento sobre brida de rodamiento
Volante bimasa (DMF) estándar - rodamiento pequeñoImagen: DMF estándar: rodamiento pequeño
Crédito: luk1 – rodamiento de bolas de pequeño tamaño
2 – torre de rodamiento

La tarea del placa de conducir es transferir el par desde la masa primaria a través de los resortes de arco al volante secundario; es decir, del motor al embrague. La placa impulsora está firmemente remachada a la masa secundaria con sus alas (flechas) asentadas entre el canal del resorte de arco de la masa primaria. El espacio entre los topes del resorte de arco en el canal del resorte de arco es lo suficientemente grande como para permitir que la placa impulsora gire.

La placa impulsora rígida está remachada directamente a la masa secundaria. Esto permite el uso de alas de placa de accionamiento con diferentes simetrías, lo que tiene un efecto positivo en el aislamiento de vibraciones. La forma más simple es la placa impulsora simétrica, donde los lados de tracción y empuje son idénticos. De este modo, se aplica carga sobre los resortes de arco a través de las áreas exterior e interior de la bobina extrema.

Volante bimasa estándar (DMF) - bridaImagen: DMF – placa de accionamiento
Crédito: luk1 – alas del plato impulsor
2 – placa de accionamiento
Volante bimasa estándar (DMF) - bridaImagen: DMF – placa de accionamiento
Crédito: luk1 – apertura de resorte
2 – guías
3 – tope de resorte de arco en la masa primaria
4 – resorte de presión
5 – placa de accionamiento

La función clave del DMF es aislar la transmisión de la vibración generada por el motor. Para compensar los pares del motor en constante aumento manteniendo el mismo espacio de montaje, las curvas de cuerda de los resortes de arco deben aumentar más pronunciadamente. En consecuencia, su capacidad de amortiguación de vibraciones se deteriora. El uso de amortiguadores internos sin fricción ayuda a mejorar la eliminación de vibraciones durante la aceleración. Tanto la placa de accionamiento como los paneles laterales están diseñados con aberturas para resortes que albergan resortes de presión rectos. Las excelentes características de amortiguación de vibraciones del DMF con amortiguador interno están garantizadas incluso en los rangos de par más altos.

A altas velocidades del motor, las fuerzas centrífugas resultantes presionan los resortes de arco hacia el exterior contra las guías y las bobinas se desactivan. En consecuencia, el resorte de arco se endurece y la acción del resorte se pierde parcialmente. Para mantener una acción de resorte suficiente, se montan resortes de presión rectos en el plato de accionamiento. Debido a su menor masa y su posición de montaje en un radio más pequeño, estos resortes están sujetos a una fuerza centrífuga menor. Además, la forma convexa del borde superior de las ventanas de resorte ayuda a minimizar la fricción. Esto asegura que ni la fricción ni la tasa efectiva del resorte aumentarán a medida que aumente la velocidad del motor.

Volante bimasa estándar (DMF) - brida

Imagen: Volante bimasa (DMF)
Crédito: luk

1 – placa de accionamiento
2 – panel de retención
3 – forro de fricción

Cuando se intenta adaptar muy rápidamente el régimen del motor al número de revoluciones del eje de entrada de la caja de cambios, se producen picos de carga repentinos, los llamados impactos. De este modo, por ejemplo, un impacto puede deberse a una conexión repentina que provoque el calado del motor. En este caso, los resortes de arco se comprimen por completo brevemente, lo que provoca un aumento desproporcionado de la carga sobre el plato de accionamiento. En el caso de placas motrices rígidas y con amortiguación interna, los impactos frecuentes pueden provocar deformaciones del material, culminando con la rotura de las alas de las placas motrices.

Una forma de compensar los impactos y minimizar los daños materiales es un disco de accionamiento con embrague de fricción. En este caso el plato de accionamiento está configurado como resorte de diafragma. Está pretensado y posicionado mediante dos placas de retención remachadas con un fino revestimiento de fricción. Éste forma en sección transversal un soporte en forma de horquilla, que permite el deslizamiento de la placa de accionamiento. En caso de impacto, la placa de accionamiento ahora puede girar en las placas de sujeción. La energía excedente se disipa en forma de calor de fricción. De esta manera se minimiza la carga sobre las alas de la placa de accionamiento.

DMF estándar - disco de control de fricción

Imagen: DMF estándar: disco de control de fricción
Crédito: luk

Durante el proceso de arranque, el DMF opera brevemente en el rango de frecuencia resonante. Cuando esto sucede, las alas de la placa impulsora golpean repetidamente los resortes de arco con fuerza no frenada, produciendo ruido al hacerlo. Una contramedida eficaz en este caso es un dispositivo de fricción adicional, el placa de control de fricción. Esto tiene el efecto de retrasar la rotación del plato de accionamiento dentro de un rango de trabajo definido. Como resultado, el plato impulsor puede girar sobre la masa secundaria en el rango de holgura ángulo (α) sin resistencia perceptible. Sólo fuera del ángulo libre, es decir, en ángulos de giro mayores, se produce la fricción adicional. De esta forma se pueden eliminar los ruidos que se producen al arrancar o cambiar de carga.

Durante el arranque del motor, se produce una gran desviación angular entre la masa primaria y secundaria. Para limitar esta desviación y ayudar a mejorar el arranque del motor, arandelas de fricción se agregan en ciertas aplicaciones. No funcionan en modo de conducción.

Arandelas de fricción del volante bimasa (DMF)

Imagen: Arandelas de fricción del volante bimasa (DMF)
Crédito: Valeo

Los sistemas DMF ayudan a mejorar el comportamiento acústico del vehículo mediante el uso de diseños especiales de amortiguadores de torsión. Como resultado directo, se genera menos ruido y se reduce el consumo de combustible. Para aprovechar al máximo el espacio disponible, se muelle helicoidal con un gran número de espiras se coloca en posición semicircular. El arco de resorte se encuentra en el canal de resorte del DMF y está sostenido por una guía. Durante el funcionamiento, las espiras del resorte de arco se deslizan a lo largo de la guía y generan fricción y, por tanto, amortiguación. Para evitar el desgaste de los resortes de arco, las superficies de contacto se engrasan. La forma optimizada de las guías de resorte ayuda a reducir significativamente la fricción. Además de mejorar la amortiguación de vibraciones, los resortes de arco ayudan a reducir el desgaste.

DMF estándar - resorte de arcoImagen: DMF estándar – resorte de arco
Crédito: luk1 – guía
2 – resorte de arco
DMF estándar - resorte simpleImagen: DMF estándar – resorte simple
Crédito: luk

Gracias a la diversidad de diseños de resortes de arco, se puede fabricar un sistema de volante bimasa para que coincida con precisión con las características de carga individuales de cada tipo de vehículo. Se utilizan resortes de arco de diversos diseños y características. Los tipos más frecuentes son:

  • resortes de una etapa
  • Resortes de dos etapas: ya sea en una disposición paralela en uno de varios diseños diferentes o en una disposición en línea
  • resortes de amortiguación

En la práctica, los tipos de resortes se utilizan en diferentes combinaciones. La tasa de resorte y la característica de amortiguación son cruciales para determinar el rendimiento operativo de un volante bimasa.

Beneficios del resorte de arco:

  • alta fricción con un ángulo de rotación grande (proceso de arranque) y baja fricción con un ángulo de rotación bajo (marcha libre)
  • Menor fuerza de accionamiento (tasa de resorte) debido a la utilización flexible del espacio (en comparación con sistemas con varios resortes individuales)
  • Se puede integrar amortiguación de impactos (resorte amortiguador)
DMF estándar: resorte paralelo de un solo pasoImagen: DMF estándar: resorte paralelo de una etapa
Crédito: luk
DMF estándar: resorte paralelo de dos etapasImagen: DMF estándar: resorte paralelo de dos etapas
Crédito: luk

La versión básica del resorte de arco es una resorte único. Este se caracteriza por su gran volumen de resorte y la consiguiente alta capacidad de amortiguación. Sin embargo, debido a su sencillo diseño, sólo ofrece posibilidades limitadas para satisfacer las crecientes demandas de confort. Por esta razón, los DMF actuales rara vez están equipados con resortes individuales.

Los resortes de arco de uso más frecuente hoy en día son resortes paralelos de una etapa. Consta de un resorte externo e interno, de aproximadamente la misma longitud. Los dos resortes están dispuestos en paralelo. Sus características individuales se suman a la curva de ajuste del resorte.

Volante bimasa (DMF) Resorte curvo de 2 etapas

Imagen: Muelle curvo de dos etapas DMF
Crédito: Valeo

En resortes paralelos de dos etapasEn este caso también se encuentran dispuestos dos resortes de arco uno dentro del otro. El resorte interior, sin embargo, es más corto y, por tanto, se activa más tarde. La curva de tensión del muelle exterior se adapta a las necesidades del vehículo al arrancar el motor. Aquí, la carga se aplica sólo en el resorte externo más blando, lo que permite que el sistema pase el rango crítico de velocidad de resonancia más rápido. En los rangos de par más altos y máximos, la carga también se ejerce sobre el resorte interno. Tanto los resortes externos como los internos trabajan juntos en la segunda etapa. La interacción de ambos resortes proporciona una buena amortiguación en todos los regímenes del motor.

DMF estándar: resorte paralelo de tres etapas

Imagen: DMF estándar: resorte paralelo de tres etapas
Crédito: luk

Resorte de arco de tres etapas Consta de un resorte externo y dos resortes internos de diferentes longitudes dispuestos en línea. Este diseño combina los beneficios de las disposiciones en paralelo y en línea y, por lo tanto, permite una amortiguación de torsión óptima en cada par del motor.

La configuración de los resortes en los volantes bimasa de primera generación era idéntica a la de los amortiguadores de torsión convencionales, donde los resortes de presión están montados en dirección radial cerca del centro y, por lo tanto, solo pueden proporcionar una capacidad de resorte limitada. Este diseño fue suficiente para aislar las vibraciones en motores de 6 cilindros, ya que estos producen bajas velocidades de resonancia.

Por el contrario, los motores de 4 cilindros provocan mayores irregularidades y, en consecuencia, mayores velocidades de resonancia. El reposicionamiento de los resortes hacia el borde exterior y el uso de diámetros de resorte de alta presión aumentaron 5 veces la capacidad del amortiguador sin requerir más espacio.

Evolución del diseño DMF

Imagen: Evolución del diseño DMF
Crédito: luk

El lado primario del volante bimasa (que se muestra en azul) consta de piezas de chapa metálica formadas que forman el canal del resorte y un cubo fundido. El lado secundario del volante bimasa (que se muestra en rojo) consta de un disco fundido al que se transmite el par desde la brida. El lado secundario está montado en el lado primario sobre un rodamiento de bolas. El corazón del sistema es el sistema de resorte de arco.

Volante bimasa con amortiguador de recorrido largo

El volante de inercia bimasa con amortiguador de recorrido largo (LTD DMF) de Valeo ofrece un confort acústico mejorado y reduce las vibraciones. El LTD DMF reduce significativamente las vibraciones percibidas y el ruido del motor. Esto representa un gran paso adelante en las tecnologías de filtración del sistema de propulsión. Esta mejora tecnológica es especialmente importante porque los últimos motores con mayor consumo de combustible tienen un mayor par y, en consecuencia, generan mayores vibraciones, especialmente a bajo régimen. El LTD DMF absorbe las vibraciones de par generadas por el motor a la transmisión, aumentando así la comodidad de los ocupantes del vehículo.

Volante bimasa (DMF) Amortiguador de recorrido largo (LTD)

Imagen: Volante bimasa (DMF) Amortiguador de recorrido largo (LTD)
Crédito: Valeo

A – lado del motor
B – lado de la transmisión
1 – placa impulsora No. 1
2 – arandela de histéresis
3 – plato impulsor con resortes
4 – placa trasera
5 – placa impulsora No. 2

La tecnología LTD se basa en dos conjuntos de tres resortes que funcionan en serie y sincronizados mediante una placa trasera. Los resortes rectos son menos sensibles a la carga centrífuga que los resortes curvos. Esto proporciona menos fricción, por lo que el filtrado es mejor que con los resortes curvos.

Además de la conocida tecnología de volante bimasa, el LTD DMF integra un amortiguador de largo recorrido desarrollado por Valeo para convertidores de par en transmisiones automáticas (AT). Esta combinación le permite proporcionar una filtración óptima, especialmente durante el arranque del motor, gracias a un desplazamiento angular máximo de 80 grados, así como un nivel de rendimiento excepcional en todos los regímenes del motor.

El volante de inercia bimasa con amortiguador de largo recorrido de Valeo ofrece niveles de confort hasta ahora desconocidos en los motores más eficientes en combustible. El nivel NVH (Noise Vibration Harshness) y la facilidad para cambiar de marcha ofrecen una comodidad de conducción notable para los motores más propensos a las vibraciones.

LTD DMF - sin cargaImagen: LTD DMF – sin carga
Crédito: Valeo
LTD DMF - bajo cargaImagen: LTD DMF – bajo carga
Crédito: Valeo

Volante flexible

El cigüeñal se dobla bajo la fuerza de la fuerte presión de combustión dentro de los cilindros del motor. Esto genera la desviación del cigüeñal y un eje oscilante en el volante, que está atornillado al extremo del cigüeñal. Se produce tensión mecánica entre los cojinetes y el cigüeñal, generando vibraciones. Si no se filtra, el resultado es un ruido rugiente causado por el motor, una vibración axial del volante y un potencial Mayor vibración en el pedal del embrague.

Ventaja del volante flexible

Imagen: Ventaja del volante flexible
Crédito: Valeo

El volante flexible filtra las vibraciones axiales transmitidas a través del cigüeñal del motor. Esto se logra agregando una placa flexible en el lado del motor de la masa del volante. La deformación del cigüeñal continúa, pero no se transmite al volante gracias a la placa flexible.

Ventajas del volante flexible:

  • Reducción del ruido del motor a altas velocidades.
  • reducción de la tensión de flexión en el cigüeñal
  • Nivel reducido de vibración en el pedal del embrague.

Volante flexible

Imagen: volante flexible
Crédito: Valeo

A – lado del cigüeñal
B – lado del embrague

Volante de inercia bimasa con amortiguador flexible de largo recorrido

La función flexible puede estar presente tanto en el volante rígido como en el Volante Bimasa. En un DMF, la placa flexible está unida al volante primario y se usa un cubo de múltiples etapas para reducir la presión en los pernos de ajuste del cigüeñal.

Volante de inercia bimasa con amortiguador flexible de largo recorrido

Imagen: Volante de inercia bimasa con amortiguador flexible de largo recorrido
Crédito: Valeo

1 – placa flexible
2 – masa primaria
3 – resortes curvos y guías de resorte
4 – Amortiguador de largo recorrido
5 – cubierta
6 – anillo de arranque
7 – masa secundaria

Volante bimasa para transmisión de doble embrague

El volante utilizado en el transmisiones de doble embrague (DCT) es una forma especial del LuK DMF. Al igual que en el DMF convencional en las cajas de cambios manuales, existe un lado primario y otro secundario. Sin embargo, el lado secundario, a diferencia del DMF convencional, no es una parte fija del DMF, por lo que no está diseñado como masa de volante, sino como disco de accionamiento. Sirve únicamente como conexión entre la masa primaria y el doble embrague.

La masa secundaria se sustituye en este caso por el peso del doble embrague, que está montado en un eje de entrada (eje hueco) de la caja de cambios. Tampoco es necesaria la conexión directa por rodamiento de las masas contrapuestas, que en el DMF convencional se realiza mediante cojinetes de bolas o de fricción.

DMF estándar - para DCT

Imagen: DMF estándar – para DCT
Crédito: luk

1 – masa primaria con resorte de arco
2 – plato impulsor con dentado interno para engranar con la rueda de acoplamiento del doble embrague
3 – anillo tensor
4 – tapa masa primaria con corona de arranque

El volante utilizado en un DCT es una forma especial del DMF. Al igual que en el DMF convencional en las cajas de cambios manuales, existe un lado primario y otro secundario. Sin embargo, el lado secundario, a diferencia del DMF convencional, no es una parte fija del DMF, por lo que no está diseñado como masa de volante, sino como disco de accionamiento. Sirve únicamente como conexión entre la masa primaria y el doble embrague.

La masa secundaria se sustituye en este caso por el peso del doble embrague, que está montado en un eje de entrada (eje hueco) de la caja de cambios. Tampoco es necesaria la conexión directa por rodamiento de las masas contrapuestas, que en el DMF convencional se realiza mediante cojinetes de bolas o de fricción.

DMF estándar para DCT

Imagen: DMF estándar para DCT
Crédito: luk

1 – anillo tensor
2 – anillo de acoplamiento del doble embrague

Otra diferencia con el DMF convencional es la falta de superficie de fricción en el lado secundario. Éste también se encuentra en el doble embrague. Allí, el plato central soporta las superficies de fricción de ambos embragues. En lugar de la superficie de fricción en el DMF se utiliza una brida con dentado interior. En esta brida engrana el anillo de acoplamiento del embrague doble.

Como las dos ruedas dentadas engranadas producirían ruido debido al juego, se monta un anillo tensor como medida preventiva. Esto pretensa las dos ruedas dentadas de modo que no haya juego entre las superficies de los dientes. En algunos modelos, es necesario comprimir el anillo tensor con una herramienta especial antes de montar la caja de cambios.

Placa motriz Volante bimasa

DMF con placa de accionamiento

Imagen: DMF con placa de accionamiento
Crédito: luk

1 – placa de transmisión

Desde 2008, algunos modelos Audi montan una nueva generación de cajas de cambios. Estas cajas de cambios se pueden reconocer por la diferente disposición del diferencial. Este se encuentra ahora delante del embrague en el sentido de la marcha. Como resultado, el flujo de potencia al eje de transmisión izquierdo debe transmitirse directamente a través de la campana mediante un eje con brida. Por este motivo ya no es posible utilizar un DMF convencional. Para dotar a este concepto de propulsión de una amortiguación efectiva del volante, el DMF con placa de accionamiento fue desarrollado.

La placa de accionamiento es una placa adaptadora de chapa de acero que se remacha en los puntos de fijación habituales al DMF. La placa de transmisión, como un convertidor de par en una caja de cambios automática, está atornillada al radio exterior del disco de acoplamiento en el lado del motor.

DMF con placa de accionamiento - sección transversal

Imagen: DMF con placa de accionamiento – sección transversal
Crédito: luk

1 – unión remachada
2 – eje embridado de la caja de cambios
3 – placa de transmisión
4 – disco de acoplamiento del motor
5 – DMF

Funciones de la placa de conducir:

  • Proporciona el espacio necesario para la penetración del eje embridado.
  • transfiere el par motor a través de la unión atornillada del disco de acoplamiento a la unión remachada del DMF

A diferencia del DMF convencional, la masa secundaria tiene un rodamiento de agujas en el eje de entrada de la caja de cambios. Esto da como resultado una distribución favorable del peso entre los dos volantes. La construcción interna del DMF es prácticamente idéntica a la de los demás tipos descritos.

Volante bimasa con amortiguador centrífugo tipo péndulo

Para la mayoría de las aplicaciones del motor, las vibraciones de torsión podrían reducirse con un volante bimasa, suponiendo que fuera posible una conducción cómoda a bajas revoluciones del motor. Además de la velocidad del motor y el número de cilindros, las irregularidades de la velocidad de rotación del motor dependen en gran medida de cuánto torque puede producir el motor a bajas velocidades. Los motores modernos de gasolina y diésel que producen un alto nivel de par a baja velocidad provocan mayores vibraciones de torsión en comparación con los motores que producen menos par a la misma velocidad.

Estos motores de alto par imponen exigencias muy altas al sistema de amortiguación de vibraciones de torsión y las vibraciones del motor ya no pueden eliminarse satisfactoriamente utilizando volantes bimasa convencionales.

Una innovación para eliminar eficientemente las vibraciones torsionales de dos motores es la volante bimasa con amortiguadores pendulares centrífugos. Es más adecuado para la característica de par y el comportamiento de vibración torsional de los motores modernos porque puede reducir el límite inferior del rango de velocidad utilizable del motor, lo que significa que el combustible y el CO2 Los ahorros son posibles.

DMF con amortiguador pendular centrífugo

Imagen: DMF con amortiguador pendular centrífugo
Crédito: BMW

Los amortiguadores pendulares centrífugos son una unidad funcional adicional en el volante bimasa y contienen cuatro masas pendulares en la masa secundaria. Los resortes utilizados en la masa primaria absorben las vibraciones relevantes, mientras que las restantes irregularidades en la velocidad de rotación del motor son eliminadas efectivamente por las masas pendulares.

Las masas del péndulo están dispuestas a intervalos de 90° y alineadas de manera que puedan oscilar libremente en el sentido de rotación. El peso de las masas pendulares y el radio de curvatura de la pista de rodamiento están exactamente adaptados a las vibraciones de torsión o al comportamiento del motor, de modo que oscilan en contra de las vibraciones de torsión del motor. Con este efecto opuesto de la fuerza pendular se reducen de forma muy eficaz las perturbadoras vibraciones de torsión del motor antes del cambio.

A bajas revoluciones del motor, cuando las perturbadoras vibraciones de torsión son especialmente elevadas, las oscilaciones pendulares son correspondientemente grandes y, por tanto, actúan eficazmente contra las vibraciones de torsión del motor. Al aumentar el régimen del motor, las vibraciones de torsión del motor se debilitan y tienen una frecuencia más alta. Debido a la interacción de una fuerza pendular sobre la forma curva del péndulo que lo soporta, las oscilaciones del péndulo también se vuelven menos intensas y tienen una mayor frecuencia.

Volante Bimasa con Amortiguador Centrífugo Tipo Péndulo

Imagen: DMF con amortiguador centrífugo de tipo péndulo
Crédito: luk

Las contravibraciones se adaptan suavemente al régimen del motor hasta que se alcanza un régimen en el que ya no se notan vibraciones de torsión. Los volantes bimasa con amortiguadores pendulares centrífugos no se diferencian de los volantes bimasa sin amortiguadores pendulares centrífugos únicamente por su aspecto exterior

Con la tecnología de amortiguador de péndulo centrífugo, las irregularidades en la velocidad de rotación del motor se eliminan de manera más efectiva que con el volante de inercia bimasa convencional. La tecnología de amortiguadores pendulares centrífugos es especialmente eficaz en motores de bajo consumo y elevado par, con un número reducido de cilindros, ya que estos, naturalmente, funcionan con menos suavidad.

La tecnología de amortiguadores pendulares centrífugos permite un bajo régimen del motor en una conducción económica con un alto confort acústico. En lugar del volante bimasa no se utilizan amortiguadores pendulares centrífugos, sino que se integran como unidad funcional adicional.

El DMF con amortiguador centrífugo de tipo péndulo ha sido desarrollado para aumentar aún más la capacidad de amortiguación a bajas revoluciones del motor. A las dos masas principales del DMF se le ha añadido una masa adicional (el amortiguador centrífugo tipo péndulo) sin necesidad de espacio de instalación adicional. Se compone de tres o cuatro masas pendulares dobles que se asientan sobre la placa de accionamiento DMF. Están suspendidos de dos pernos que se mueven en forma de riñon en las masas pendulares y en la placa de accionamiento.

DMF estándar - absorbente centrífugo tipo péndulo

Imagen: DMF estándar: absorbente centrífugo tipo péndulo
Crédito: luk

1 – masa del péndulo

La oscilación de las masas pendulares es inducida por la frecuencia de encendido del motor. El péndulo, sin embargo, no está directamente en el flujo de energía. Debido al par de inercia, las masas del péndulo se mueven en oposición a la oscilación inicial y actúan de este modo como amortiguadores de oscilaciones. El peso total de la masa del péndulo es de sólo un kilogramo.

El resultado es una amortiguación óptima de las oscilaciones con un par elevado y un régimen del motor bajo. Esto contribuye en gran medida a reducir el consumo de combustible y las emisiones de CO.2 emisiones.

Embrague de volante amortiguado (DFC)

Embrague de volante amortiguado (DFC)

Imagen: Embrague de volante amortiguado (DFC)
Crédito: luk

Al reemplazar el embrague y el DMF, el DFC es una alternativa de reparación comprobada. Consta de una unidad de montaje premontada y ajustada de DMF, disco de embrague y plato de presión del embrague. El premontaje de los componentes individuales en fábrica ahorra mucho tiempo en el taller, ya que el DFC se puede montar directamente en el motor. No es necesario realizar trabajos de montaje del embrague. Se evitan causas frecuentes de fallos, como un montaje incorrecto o la combinación de componentes de diferentes fabricantes.

Embrague de volante amortiguado (DFC): vista delantera y trasera

Imagen: Embrague de volante amortiguado (DFC): vista delantera y trasera
Crédito: luk

1 – conjunto de embrague que contiene presión de embrague y discos impulsados
2 – masa secundaria con brida
3 – masa primaria

Volante bimasa para transmisión continuamente variable (CVT)

En una caja de cambios totalmente automática, el convertidor de par actúa, entre otras cosas, como amortiguador de oscilaciones centrífugas en el tren motriz. Las cajas de cambios CVT, sin embargo, funcionan sin convertidor de par. Por lo tanto, la amortiguación centrífuga la proporciona una forma especial del DMF.

La diferencia crucial con respecto a los diseños DMF descritos anteriormente está en el diseño de la salida de par. Esto no se produce a través de la superficie de fricción de la masa secundaria ni a través del dentado de la brida, como en el amortiguador de doble embrague. En el DMF para cajas de cambios CVT, el par motor se transfiere directamente a través de un cubo central, remachado a la brida y la masa secundaria, al eje de entrada de la caja de cambios de forma encajada.

DMF para transmisión continuamente variable (CVT)

Imagen: DMF para transmisión continuamente variable (CVT)
Crédito: luk

1 – centro
2 – masa adicional en el lado de la masa secundaria

Engranaje planetario Volante bimasa

En comparación con un volante bimasa estándar, en un volante planetario bimasa la masa primaria está conectada a la masa secundaria a través de una unidad amortiguadora de resorte de arco que también contiene un juego de engranajes planetarios. El engranaje planetario conectado directamente al lado primario ayuda a crear una antirresonancia en el comportamiento del sistema de transferencia. La excitación por vibración con frecuencias cercanas a la frecuencia antirresonancia son
reducido muy bien con los volantes de engranajes planetarios. El volante bimasa con engranajes planetarios mejora también la reducción del ruido.

DMF con engranaje planetario

Imagen: DMF con engranaje planetario
Crédito: ZF Sachs

1 – masa primaria
2 – primavera
3 – engranaje planetario
4 – cojinete axial liso
5 – cojinete radial liso
6 – corona dentada
7 – agujero para asegurar el pasador
8 – tapa de resorte
9 – zapato deslizante
10 – placa protectora para retener el lubricante (grasa)
11 – masa secundaria

Los volantes de inercia de doble masa con engranajes planetarios se utilizan principalmente para aplicaciones de vehículos comerciales.

En resumen, en una aplicación de automoción un volante bimasa tiene que controlar tres modos de funcionamiento básicos del motor y la transmisión:

  • La transmisión traquetea durante el ralentí, la conducción y la inercia.
  • ruptura de resonancia durante el arranque y parada del motor
  • aumento repentino asociado con cambios de torque

Las mejoras en el confort de conducción logradas por el volante de inercia de doble masa (DMF), junto con diseños de bajo costo resultantes de un desarrollo orientado a objetivos y con análisis de valor, han llevado a una mayor popularidad del volante de inercia de doble masa (DMF).

Referencias

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