Un amortiguador armónico es un dispositivo que se instala en el extremo libre (de transmisión auxiliar) del cigüeñal de un motor de combustión interna para contrarrestar las vibraciones torsionales y de resonancia del cigüeñal. Este dispositivo debe ajustarse con interferencia al cigüeñal para funcionar de manera eficaz. Un ajuste con interferencia garantiza que el dispositivo se mueva en perfecta sincronía con el cigüeñal. Es esencial en motores con cigüeñales largos (como motores de seis o de ocho cilindros en línea ) y motores V8 con cigüeñales de plano cruzado, o motores V6 y de tres cilindros en línea con orden de encendido desigual. Las vibraciones armónicas y torsionales pueden reducir en gran medida la vida útil del cigüeñal o provocar una falla instantánea si el cigüeñal funciona en una resonancia amplificada o a través de ella. Los amortiguadores están diseñados con un peso (masa) y un diámetro específicos, que dependen del material/método de amortiguación utilizado, para reducir el factor Q mecánico o amortiguar las resonancias del cigüeñal.
Un equilibrador armónico (a veces llamado amortiguador de cigüeñal , amortiguador de torsión o amortiguador de vibraciones ) es lo mismo que un amortiguador armónico, excepto que el equilibrador incluye un contrapeso para equilibrar externamente el conjunto giratorio. El equilibrador armónico a menudo sirve como polea para las correas de transmisión de accesorios que hacen girar el alternador, la bomba de agua y otros dispositivos accionados por el cigüeñal. [1]
La necesidad de un amortiguador dependerá de la edad del diseño del motor, su fabricación, la resistencia de los componentes, la banda de potencia utilizable, el rango de revoluciones y, lo más importante, [ cita requerida ] la calidad de la puesta a punto del motor. La puesta a punto del motor, especialmente en aplicaciones controladas por computadora, puede tener un efecto dramático en la durabilidad, [ cita requerida ] la agresividad de la puesta a punto pone al motor en riesgo de detonación, lo que puede ser catastrófico para todos los componentes del conjunto giratorio. Los modernos DOHC, SOHC flat 4, flat 6, flat 8 y V8 de plano plano (aproximadamente de 1988+) no necesitan este dispositivo. Con o sin la presencia de un amortiguador, un cigüeñal actuará como un resorte torsional hasta cierto punto. Los impulsos aplicados al cigüeñal por las bielas "enrollarán" este resorte, que responderá (como un sistema de resorte-masa ) desenrollándose y rebobinando en la dirección opuesta. Este bobinado del cigüeñal generalmente se amortiguará de forma natural. Sin embargo, a ciertas velocidades de rotación del cigüeñal, dicho bobinado puede superponerse con la frecuencia de resonancia natural del cigüeñal, aumentando así la amplitud de la frecuencia y posiblemente provocando daños en el cigüeñal.
Cada vez que se enciende un cilindro, la fuerza de la combustión se transmite al muñón de la biela del cigüeñal. El muñón de la biela se desvía en un movimiento de torsión hasta cierto punto bajo esta fuerza. Las vibraciones armónicas son resultado del movimiento de torsión que se transmite al cigüeñal. Estos armónicos son una función de muchos factores, incluidas las frecuencias creadas por la combustión real y las frecuencias naturales que producen los metales bajo las tensiones de la combustión y la flexión. En algunos motores, el movimiento de torsión del cigüeñal a ciertas velocidades puede sincronizarse con las vibraciones armónicas, lo que provoca una resonancia . En algunos casos, la resonancia puede estresar el cigüeñal hasta el punto de agrietarlo o provocar una falla total.
El equilibrador armónico ayuda a minimizar los armónicos y la resonancia de torsión del cigüeñal. El amortiguador está compuesto por dos elementos: una masa de inercia y un elemento disipador de energía. Este elemento, que suele estar hecho de caucho, puede estar compuesto por un elastómero sintético, un embrague, un resorte o un fluido. La masa contrarresta los movimientos de torsión del cigüeñal y, en conjunto con el elemento disipador de energía, absorbe las vibraciones armónicas.
Un amortiguador OEM consta de una masa exterior adherida/vulcanizada a un cubo interior. Un amortiguador de rendimiento del mercado de accesorios consta de una masa que está unida/montada a una carcasa (acero, aluminio, titanio, etc.) según los diferentes tipos de amortiguador y donde la masa se controla de forma diferente. Los primeros tres utilizan tecnología más antigua; primero está el amortiguador de tipo líquido que rodea la masa sumergida en la carcasa que luego se une o se suelda. Segundo está el tipo de junta tórica que rodea la masa con una serie de juntas tóricas mientras se asienta en su carcasa. Tercero está el tipo de fricción que tiene embragues y resorte que actúan sobre la masa dentro de la carcasa exterior. Cuarto está el tipo más nuevo en el que la masa se asienta sobre un anillo de elastómero y está unido a él que luego se une a la carcasa exterior. El cigüeñal y el amortiguador juntos se convierten (en su respuesta torsional) nuevamente en un sistema de resorte-masa-amortiguador que solo puede ocurrir si los dos encajan a presión.
Con el tiempo, el desarrollo de los motores ha avanzado continuamente en casi todas las áreas, desde el material hasta el funcionamiento y la función. Muchos de los avances fueron liderados por los fabricantes japoneses, ya que han hecho de la calidad y la durabilidad la piedra angular de sus programas. Los japoneses impulsaron la proliferación de cigüeñales forjados con conjuntos giratorios con un equilibrio de 0 gramos. Los cigüeñales forjados son mucho más fuertes y son significativamente menos propensos a presentar un movimiento de torsión perjudicial del cigüeñal, lo que también mitiga las frecuencias armónicas. Esta progresión también ha visto la adición de bielas y pistones forjados inicialmente en motores de inducción forzada y más recientemente en motores de aspiración normal. Agregar estos componentes forjados adicionales mejora la rigidez del motor y reduce aún más la preocupación por el daño del cigüeñal. Con la llegada del diseño asistido por computadora y el análisis de elementos finitos, los fabricantes ahora pueden encontrar y rediseñar las áreas más débiles. Independientemente de algunas de estas mejoras, ciertos motores, como el V8 tradicional, tienen un orden de encendido propenso a armónicos excesivos por naturaleza, lo que requiere el uso de este dispositivo. El V8 de plano plano, que se utiliza tradicionalmente en motores más exóticos, no sufre de armónicos excesivos y, por lo tanto, puede utilizar un dispositivo sólido sin amortiguación. Los motores modernos (aproximadamente de 1988+) DOHC, SOHC Flat 4, Flat 6, Flat 8 y Flat Plane V8 no necesitan este dispositivo. A lo largo de los años, muchos de estos motores utilizan poleas de cigüeñal de hierro fundido o aluminio macizo o amortiguadores de ruido, vibración y aspereza (NVH) audibles (que reducen el ruido del motor que se escucha en el habitáculo). El NVH audible ha sido el factor más importante en las decisiones de los fabricantes de equipos originales en todo el vehículo. Además, las poleas de estos motores están montadas de forma suelta con un ajuste de ubicación que anula cualquier potencial de actuar como amortiguador protector del motor.
El amortiguador se instalará en la parte delantera del motor (opuesto al embrague o la transmisión ), justo más allá de la cubierta de la cadena de distribución, los engranajes o la correa, y detrás de la polea de transmisión de accesorios (que puede llevar una o más correas trapezoidales, serpentinas o dentadas). En los vehículos más antiguos, la polea y el amortiguador eran unidades separadas que se atornillaban juntas. En los vehículos de modelos recientes, los dos se han combinado en una sola unidad. Casi siempre se graban marcas de sincronización para ajustar la sincronización del encendido.
Los amortiguadores OE se fabrican predominantemente utilizando caucho como agente de unión entre el cubo interior y la masa exterior. El caucho es susceptible a factores operativos y ambientales. El caucho solo tiene una capacidad finita para soportar temperaturas de funcionamiento más cualquier fluido que pueda llegar al amortiguador. También son susceptibles a bajas temperaturas que pueden hacer que el caucho se vuelva quebradizo. Cualquier agrietamiento del elastómero (caucho) sería un indicador inmediato de la necesidad de reemplazar la unidad. Los amortiguadores OE deben equilibrarse, a menos que actúen como un equilibrador externo (equilibrador armónico), ya que la calidad de los materiales (generalmente hierro fundido o sinterizado) no se presta a especificaciones de equilibrio aceptables/perfectas directamente de fabricación. La mayoría de los amortiguadores del mercado de accesorios son reconstruibles, excepto el tipo de fluido. Cuando se utilizan en carreras (arranques, pista circular, carrera en carretera, etc.) requieren una inspección regular para garantizar su correcto funcionamiento. Cuando se utilizan en vehículos que circulan por la calle, el fabricante del amortiguador puede proporcionar intervalos de inspección y servicio en función de las particularidades del motor en el que se utiliza el amortiguador.
Esto dependerá de una serie de factores, desde la calidad de los materiales del motor utilizados hasta el equilibrio del motor, el tipo de diseño del cigüeñal, la calidad de la puesta a punto del motor y más. Los motores han mejorado continuamente en casi todos los aspectos, pero lo más importante es la calidad de los materiales utilizados y su fabricación (también se analiza en Diseño del motor, materiales y otros factores más arriba). Estas mejoras van desde cigüeñales, pistones y bielas forjados hasta otros componentes rotativos. El equilibrio del motor también ha mejorado significativamente a través de técnicas de equilibrio más avanzadas y componentes del motor de mayor calidad que facilitan el proceso de equilibrio. Muchos fabricantes de equipos originales han logrado un equilibrio de 0 gramos en toda su producción desde la década de 1980. El diseño del cigüeñal también es un factor, ya que los cigüeñales de plano cruzado pueden ser los más susceptibles al daño armónico interno. Los cigüeñales de plano plano, los motores de formato I y H no presentan estos problemas, pero pueden alcanzar niveles extremos de salida y RPM donde puede ser necesario un amortiguador armónico. Por último, está la calidad de la puesta a punto, que puede ser uno de los factores más importantes debido a todo tipo de aspectos negativos asociados con las malas puestas a punto, desde la detonación hasta el exceso de impulso. Otros factores, como el desplazamiento del pasador del pistón, el tiempo de permanencia en el PMS y la longitud de la carrera, pueden ser factores, pero se limitan principalmente a los motores de plano cruzado.
Tanto Frederick Henry Royce como Frederick W. Lanchester tienen fuertes reivindicaciones de la invención del amortiguador de vibraciones, y las últimas investigaciones muestran que Rolls-Royce utilizó un amortiguador de vibraciones de fricción (deslizante) del cigüeñal en sus modelos 30HP de 1906 ; sin embargo, Royce no lo había presentado para su patente. Lanchester había desarrollado un diseño viscoso multidisco teórico en 1910 (patente 21.139, 12 de septiembre de 1910). Este diseño fue adoptado por la empresa Daimler y empleado en sus motores de seis cilindros durante varios años. Royce desarrolló un amortiguador viscoso en 1912 que luego se desarrolló aún más y se trasladó al motor B60 de la década de 1950. [2]
