El equilibrio del motor se refiere a cómo las fuerzas de inercia producidas por las piezas móviles de un motor de combustión interna o de vapor se neutralizan con contrapesos y ejes de equilibrio , para evitar vibraciones desagradables y potencialmente dañinas. Las fuerzas de inercia más fuertes ocurren a la velocidad del cigüeñal (fuerzas de primer orden) y el equilibrio es obligatorio, mientras que las fuerzas al doble de la velocidad del cigüeñal (fuerzas de segundo orden) pueden llegar a ser significativas en algunos casos.
Aunque algunos componentes dentro del motor (como las bielas) tienen movimientos complejos, todos los movimientos se pueden separar en componentes alternativos y giratorios, lo que ayuda en el análisis de desequilibrios.
Usando el ejemplo de un motor en línea (donde los pistones son verticales), los principales movimientos alternativos son:
Mientras que los principales movimientos giratorios que pueden provocar desequilibrio son:
Los desequilibrios pueden ser causados por la masa estática de los componentes individuales o por la disposición de los cilindros del motor, como se detalla en las siguientes secciones.
Si el peso (o la distribución del peso) de las piezas móviles no es uniforme, su movimiento puede provocar fuerzas desequilibradas y provocar vibraciones. Por ejemplo, si los pesos de los pistones o las bielas son diferentes entre los cilindros, el movimiento alternativo puede provocar fuerzas verticales. De manera similar, la rotación de un cigüeñal con pesos de red desiguales o un volante con una distribución de peso desigual puede causar un desequilibrio giratorio .
Incluso con una distribución de peso perfectamente equilibrada de las masas estáticas, algunos diseños de cilindros provocan un desequilibrio debido a que las fuerzas de cada cilindro no se anulan entre sí en todo momento. Por ejemplo, un motor de cuatro en línea tiene una vibración vertical (al doble de la velocidad del motor). Estos desequilibrios son inherentes al diseño y no se pueden evitar, por lo que la vibración resultante debe gestionarse mediante ejes de equilibrio u otras técnicas de reducción de NVH para minimizar la vibración que ingresa a la cabina.
Un desequilibrio alternativo se produce cuando el movimiento lineal de un componente (como un pistón) no es cancelado por otro componente que se mueve con el mismo impulso, pero en dirección opuesta en el mismo plano.
Los tipos de desequilibrio de fase recíproca son:
Los tipos de desequilibrio del plano alternativo son:
En motores sin carreras de potencia superpuestas (como motores con cuatro o menos cilindros), las pulsaciones en la entrega de potencia hacen vibrar el motor rotacionalmente en el eje X , similar a un desequilibrio alternativo.
Un desequilibrio giratorio es causado por distribuciones de masa desiguales en conjuntos giratorios.
Los tipos de desequilibrio de fase giratoria son:
Los tipos de desequilibrio del plano giratorio son:
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La vibración torsional se desarrolla cuando se aplican impulsos de torque a un eje a una frecuencia que coincide con su frecuencia de resonancia y el torque aplicado y el torque resistivo actúan en diferentes puntos a lo largo del eje. No se puede equilibrar, hay que amortiguarlo y, si bien el equilibrio es igualmente eficaz en todas las velocidades y cargas, la amortiguación debe adaptarse a las condiciones de funcionamiento determinadas. Si el eje no puede diseñarse de modo que su frecuencia de resonancia esté fuera del rango de funcionamiento proyectado, por ejemplo por razones de peso o coste, se debe equipar con un amortiguador.
La vibración se produce alrededor del eje del cigüeñal, ya que las bielas suelen estar situadas a diferentes distancias del par resistivo (p. ej., el embrague). Esta vibración no se transfiere al exterior del motor; sin embargo, la fatiga causada por la vibración podría causar fallas en el cigüeñal.
Los motores radiales no experimentan desequilibrio torsional.
El desequilibrio primario produce vibraciones a la frecuencia de rotación del cigüeñal, es decir, la frecuencia fundamental (primer armónico) de un motor. [3]
El equilibrio secundario elimina la vibración al doble de la frecuencia de rotación del cigüeñal. Esto afecta especialmente a los motores rectos y en V con cigüeñal de 180° o de un solo plano, en los que los pistones de los cilindros vecinos pasan simultáneamente por posiciones de punto muerto opuestas. Si bien se podría esperar que un motor de 4 cilindros en línea tuviera un equilibrio perfecto, persiste un desequilibrio secundario neto.
Esto se debe a que el extremo grande de la biela oscila de lado a lado, de modo que el movimiento del extremo pequeño se desvía del movimiento sinusoidal ideal entre el punto muerto superior e inferior en cada oscilación, es decir, dos veces por revolución de la manivela, y la distancia entre el extremo pequeño y el extremo inferior oscila entre los puntos muertos superior e inferior. El extremo (y un pistón conectado a él) tiene que viajar en los 180° superiores de rotación del cigüeñal es mayor que en los 180° inferiores. Una mayor distancia al mismo tiempo equivale a una mayor velocidad y una mayor aceleración, de modo que la fuerza de inercia a través del punto muerto superior puede ser hasta el doble que a través del punto muerto inferior. El movimiento no sinusoidal del pistón se puede describir mediante ecuaciones matemáticas .
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En un automóvil, por ejemplo, un motor con cilindros de más de 500 cc/30 cuin [ cita necesaria ] (dependiendo de una variedad de factores) requiere ejes de equilibrio para eliminar vibraciones indeseables. Estos toman la forma de un par de ejes de equilibrio que giran en direcciones opuestas al doble de la velocidad del motor, conocidos como ejes Lanchester, en honor al fabricante original.
En los motores V8 , el problema suele evitarse utilizando un cigüeñal de plano cruzado , y un cigüeñal de 180° o de un solo plano se utiliza sólo en motores V8 de alto rendimiento, donde ofrece ventajas específicas y la vibración es menos preocupante.
Para motores con más de un cilindro, factores como el número de pistones en cada banco, el ángulo en V y el intervalo de encendido generalmente determinan si existen desequilibrios de fase alternativa o desequilibrios torsionales.
Los motores bicilíndricos suelen utilizar las siguientes configuraciones:
Los motores de tres cilindros en línea suelen utilizar un diseño de cigüeñal de 120° y tienen las siguientes características:
Los motores de cuatro cilindros en línea (también llamados motores de cuatro en línea ) suelen utilizar un diseño de cigüeñal de 180° arriba-abajo-abajo-arriba y tienen las siguientes características:
Los motores de cinco cilindros en línea suelen utilizar un diseño de cigüeñal de 72° y tienen las siguientes características:
Los motores de seis cilindros en línea suelen utilizar un diseño de cigüeñal de 120°, un orden de encendido de 1–5–3–6–2–4 cilindros y tienen las siguientes características:
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Los motores V-twin tienen las siguientes características:
Los motores V4 vienen en muchas configuraciones diferentes en términos de ángulo en 'V' y configuraciones del cigüeñal. Algunos ejemplos son:
Los motores V6 se producen comúnmente en las siguientes configuraciones:
[Precisión: un motor 'plano' no es necesariamente un motor 'boxer'. Un motor "plano" puede ser un motor en V de 180 grados o un motor "bóxer". Un motor en V de 180 grados como el que se usa en el Ferrari 512BB tiene pares de cilindros opuestos cuyas bielas usan el mismo recorrido del cigüeñal. Al contrario de esto, en un motor 'boxer', como se aplica en las motocicletas BMW, cada biela tiene su propio recorrido del cigüeñal que se coloca a 180 grados del recorrido del cigüeñal del cilindro opuesto.]
Los motores bicilíndricos suelen utilizar cigüeñales de 180° y giros de manivela separados y tienen las siguientes características:
Los motores de cuatro cilindros suelen utilizar una configuración de cigüeñal izquierda-derecha-derecha-izquierda y tienen las siguientes características:
Los motores planos de seis suelen utilizar una configuración bóxer y tienen las siguientes características:
Esta sección es una introducción al equilibrio de dos máquinas de vapor conectadas por ruedas motrices y ejes ensambladas en una locomotora de ferrocarril.
Los efectos de las inercias desequilibradas en una locomotora se muestran brevemente describiendo las mediciones de los movimientos de las locomotoras y las deflexiones en puentes de acero. Estas mediciones muestran la necesidad de diversos métodos de equilibrio, así como otras características de diseño, para reducir las amplitudes de vibración y los daños a la propia locomotora, así como a los rieles y puentes. La locomotora de ejemplo es de tipo simple, no compuesta, con dos cilindros exteriores y engranaje de válvulas, ruedas motrices acopladas y ténder independiente. Sólo se cubre el equilibrio básico sin mencionar los efectos de las diferentes disposiciones de cilindros, ángulos del cigüeñal, etc., ya que los métodos de equilibrio para locomotoras de tres y cuatro cilindros pueden ser complicados y diversos. [8] Los tratamientos matemáticos se pueden encontrar en "lecturas adicionales". Por ejemplo, "The Balancing of Engines" de Dalby cubre el tratamiento de fuerzas y pares desequilibrados utilizando polígonos. Johnson y Fry utilizan cálculos algebraicos.
A gran velocidad, la locomotora tenderá a moverse hacia adelante y hacia atrás y a balancearse de lado a lado. También tenderá a cabecear y balancearse. Este artículo analiza estos movimientos que se originan a partir de pares y fuerzas de inercia desequilibradas en las dos máquinas de vapor y sus ruedas acopladas (algunos movimientos similares pueden ser causados por irregularidades en la superficie de rodadura y la rigidez de la vía). Los dos primeros movimientos son causados por las masas alternativas y los dos últimos por la acción oblicua de las bielas, o empuje del pistón, sobre las barras guía. [9]
Hay tres grados en los que se puede lograr el equilibrio. El más básico es el equilibrio estático de los elementos descentrados de una rueda motriz, es decir, la muñequilla y sus piezas adjuntas. Además, se puede equilibrar una proporción de las piezas alternativas con un peso giratorio adicional. Este peso se combina con el requerido para las partes descentradas de la rueda y este peso adicional hace que la rueda quede sobreequilibrada, lo que provoca un martillazo . Por último, debido a que los contrapesos de equilibrio anteriores están en el plano de la rueda y no en el plano del desequilibrio que se origina, el conjunto rueda/eje no está equilibrado dinámicamente. El equilibrio dinámico en las locomotoras de vapor se conoce como equilibrio cruzado y es un equilibrio de dos planos, estando el segundo plano en la rueda opuesta.
La tendencia a la inestabilidad variará según el diseño de una clase de locomotora en particular. Los factores relevantes incluyen su peso y longitud, la forma en que se apoya en resortes y ecualizadores y cómo se compara el valor de una masa en movimiento desequilibrada con la masa no suspendida y la masa total de la locomotora. La forma en que se fija el ténder a la locomotora también puede modificar su comportamiento. La resiliencia de la vía en relación con el peso del carril, así como la rigidez de la calzada, pueden influir en el comportamiento vibratorio de la locomotora.
Además de dar una mala calidad de conducción humana, la conducción brusca genera costos de mantenimiento por desgaste y fracturas tanto en los componentes de la locomotora como en los de la vía.
Todas las ruedas motrices tienen un desequilibrio causado por los pasadores del cigüeñal y los componentes adjuntos descentrados. Las ruedas motrices principales tienen el mayor desequilibrio ya que tienen la muñequilla más grande así como la porción giratoria de la biela principal. También tienen la manivela excéntrica del engranaje de válvula y el extremo posterior de la varilla excéntrica. Al igual que las ruedas motrices unidas, también tienen su propia parte del peso de las barras laterales. La parte de la varilla principal a la que se le asignaba un movimiento giratorio se medía originalmente pesándola apoyada en cada extremo. Se hizo necesario un método más preciso que dividiera las partes giratorias y alternativas según la posición del centro de percusión. Esta posición se midió haciendo girar la varilla a modo de péndulo. [10] El desequilibrio en las ruedas motrices restantes es causado por el peso de la muñequilla y la varilla lateral. Los pesos de las bielas laterales asignados a cada muñequilla se miden suspendiendo la biela en tantas básculas como muñequillas hay o mediante cálculo.
El vínculo de movimiento alternativo pistón-cruceta-varilla principal-válvula está desequilibrado y provoca una oleada hacia adelante y hacia atrás. Su separación de 90 grados provoca que la pareja se balancee. [11]
Toda la locomotora tiende a moverse bajo la influencia de fuerzas de inercia desequilibradas. Los movimientos horizontales de locomotoras desequilibradas fueron cuantificados por M. Le Chatelier en Francia, hacia 1850, suspendiendolas de cuerdas desde el techo de un edificio. Se llevaron a velocidades equivalentes en carretera de hasta 40 MPH y el movimiento horizontal se trazó con un lápiz montado en la viga amortiguadora. La huella era una forma elíptica formada por la acción combinada de los movimientos de vaivén y de balanceo. La forma podía encerrarse en un cuadrado de 5 ⁄ 8 pulgadas para una de las locomotoras desequilibradas y se redujo hasta el punto en que se agregaron pesos para contrarrestar las masas giratorias y alternativas. [12]
El efecto del desequilibrio vertical, o la variación de la carga de las ruedas sobre el riel, fue cuantificado por el profesor Robinson en los EE. UU. en 1895. Midió las deflexiones o deformaciones del puente y atribuyó un aumento del 28% sobre el valor estático a los conductores desequilibrados. . [13]
El desequilibrio residual en locomotoras se evaluó de tres maneras en la planta de pruebas de Pennsylvania Railroad. En particular, se probaron ocho locomotoras en la Exposición de Compra de Luisiana en 1904. Las tres mediciones fueron:
Se pueden realizar evaluaciones cualitativas durante un viaje por carretera en términos de las cualidades de conducción en la cabina. Es posible que no sean un indicador confiable de la necesidad de un mejor equilibrio, ya que factores no relacionados pueden causar una conducción brusca, como cuñas atascadas, ecualizadores averiados y holgura entre el motor y el ténder. Además, la posición de un eje desequilibrado con respecto al centro de gravedad de la locomotora puede determinar la magnitud del movimiento en la cabina. AH Fetters relató que en un 4–8–2 los efectos del aumento dinámico de 26,000 lb bajo el cg no se mostraban en la cabina, pero el mismo aumento sí lo haría en cualquier otro eje. [15]
Los contrapesos se instalan frente a las piezas que causan el desequilibrio. El único plano disponible para estos pesos está en la propia rueda, lo que resulta en un par desequilibrado en el conjunto rueda/eje. La rueda está equilibrada únicamente estáticamente.
Una parte del peso alternativo se equilibra añadiendo un peso giratorio adicional en la rueda, es decir, todavía sólo se equilibra estáticamente. El sobreequilibrio provoca lo que se conoce como martillazo o aumento dinámico, teniendo ambos términos la misma definición que se da en las siguientes referencias. El golpe de martillo varía con respecto a la media estática, sumando y restando alternativamente con cada revolución de la rueda. [16] En los Estados Unidos se conoce como aumento dinámico, una fuerza vertical causada por el intento de un diseñador de equilibrar piezas alternativas incorporando contrapeso en las ruedas. [17]
El término martillazo no describe muy bien lo que ocurre ya que la fuerza varía continuamente y sólo en casos extremos cuando la rueda se levanta del carril por un instante hay un verdadero golpe cuando vuelve a bajar. [18]
Hasta aproximadamente 1923, las locomotoras estadounidenses estaban equilibradas para condiciones estáticas sólo con una variación de hasta 20.000 lb en la carga del eje principal por encima y por debajo de la media por revolución del par desequilibrado. [19] La conducción brusca y los daños llevaron a recomendaciones para el equilibrio dinámico, incluida la definición de la proporción de peso alternativo que se equilibrará como proporción del peso total de la locomotora, o con amortiguador Franklin, [20] locomotora más peso auxiliar.
Una fuente diferente de carga variable entre ruedas y rieles, el empuje del pistón, a veces se denomina incorrectamente golpe de martillo o aumento dinámico, aunque no aparece en las definiciones estándar de esos términos. También tiene una forma diferente por revolución de la rueda como se describe más adelante.
Como alternativa a añadir pesos a las ruedas motrices, el ténder podría fijarse mediante un acoplamiento apretado que aumentaría la masa efectiva y la distancia entre ejes de la locomotora. Los Ferrocarriles Estatales Prusianos construyeron motores de dos cilindros sin volante alternativo pero con un acoplamiento ténder rígido. [21] El acoplamiento equivalente para las locomotoras americanas tardías era el amortiguador radial amortiguado por fricción. [22] [23]
El peso de las muñequillas y las bielas sobre las ruedas está en un plano fuera de la ubicación del plano de las ruedas para el contrapeso estático. El equilibrio en dos planos, o dinámico, es necesario si es necesario equilibrar el par desequilibrado a alta velocidad. El segundo plano utilizado está en la rueda opuesta.
El equilibrado en dos planos o dinámico de un juego de ruedas de locomotora se conoce como equilibrado cruzado. [11] La Asociación Estadounidense de Ferrocarriles no recomendó el balanceo cruzado hasta 1931. Hasta ese momento solo se realizaba balanceo estático en Estados Unidos, aunque los constructores incluían el balanceo cruzado para locomotoras de exportación cuando así se especificaba. Los constructores en Europa adoptaron el equilibrio cruzado después de que Le Chatelier publicara su teoría en 1849. [24]
Las cargas máximas de ruedas y ejes se especifican para un diseño de puente particular, de modo que se pueda lograr la vida útil requerida de los puentes de acero. [25] La carga por eje normalmente no será la suma de las cargas de las dos ruedas porque la línea de acción del balanceo transversal será diferente en cada rueda. [26] Conociendo el peso estático de la locomotora, se calcula la cantidad de sobreequilibrio que se puede poner en cada rueda para equilibrar parcialmente las partes alternativas. [27] Las deformaciones medidas en un puente debajo de una locomotora que pasa también contienen un componente del empuje del pistón. Esto no se tiene en cuenta en los cálculos anteriores para el exceso de equilibrio permitido en cada rueda. Quizás sea necesario tenerlo en cuenta. [28]
Dado que la fuerza de rotación reduce alternativamente la carga de la rueda y la aumenta en cada revolución, el esfuerzo de tracción sostenible en la zona de contacto disminuye una vez por revolución de la rueda y las ruedas pueden patinar. [29] Que se produzca un deslizamiento depende de cómo se compara el golpe del martillo en todas las ruedas acopladas al mismo tiempo.
El golpe excesivo del martillo debido a las altas velocidades de deslizamiento fue la causa de que los rieles se doblaran con los nuevos 4–6–4 y 4–8–4 norteamericanos que siguieron la recomendación de la AAR de 1934 de equilibrar el 40% del peso alternativo. [8]
Las fuerzas de inercia desequilibradas en la rueda pueden provocar diferentes oscilaciones verticales dependiendo de la rigidez de la vía. Las pruebas de deslizamiento realizadas sobre secciones engrasadas de la vía mostraron, en un caso, ligeras marcas en el riel a una velocidad de deslizamiento de 165 mph, pero en vías más blandas, daños severos en el riel a 105 mph. [30]
La superficie deslizante de la cruceta de la máquina de vapor proporciona la reacción a la fuerza de la biela sobre el muñón del cigüeñal y varía entre cero y un máximo dos veces durante cada revolución del cigüeñal. [31]
A diferencia del golpe de martillo, que alternativamente suma y resta por cada revolución de la rueda, el empuje del pistón solo suma o resta a la media estática, dos veces por revolución, dependiendo de la dirección del movimiento y de si la locomotora está deslizándose o deslizándose.
En una máquina de vapor de doble efecto, como las que se utilizan en una locomotora de ferrocarril, la dirección del empuje vertical sobre la barra deslizante es siempre hacia arriba cuando se avanza. Varía desde nada al final de la carrera hasta un máximo en la mitad de la carrera, cuando el ángulo entre la biela y la manivela es mayor. [32] Cuando la muñequilla acciona el pistón, como cuando se mueve por inercia, el empuje del pistón es hacia abajo. La posición de máximo empuje se muestra por el mayor desgaste en el centro de las barras deslizantes. [33]
La tendencia de la fuerza variable sobre el carro superior es levantar la máquina de sus resortes principales a media carrera y bajarla al final de la carrera. Esto provoca un cabeceo y, debido a que la fuerza ascendente máxima no es simultánea para los dos cilindros, también tenderá a rodar sobre los resortes. [32]
El equilibrio dinámico de las ruedas de las locomotoras, utilizando las ruedas como planos de equilibrio para los desequilibrios existentes en otros planos, es similar al equilibrio dinámico de otros rotores, como los conjuntos de compresor/turbina de motores a reacción. El desequilibrio residual en el rotor ensamblado se corrige instalando contrapesos en dos planos a los que se puede acceder con el motor instalado en la aeronave. Un plano está en la parte delantera del ventilador y el otro en la última etapa de la turbina. [34]
Citas
Fuentes