Los ejes de equilibrio se utilizan en motores de pistón para reducir la vibración cancelando las fuerzas dinámicas desequilibradas. Los ejes de contrapeso tienen pesos excéntricos y giran en direcciones opuestas entre sí, lo que genera una fuerza vertical neta.
El eje de equilibrio fue inventado y patentado por el ingeniero británico Frederick W. Lanchester en 1907. [1] [2] Se usa más comúnmente en motores de cuatro en línea y V6 utilizados en automóviles y motocicletas.
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El principio de funcionamiento de un sistema de eje de equilibrio es que dos ejes que llevan pesos excéntricos idénticos giran en direcciones opuestas al doble de la velocidad del motor. La fase de los ejes es tal que las fuerzas centrífugas producidas por los pesos cancelan las fuerzas verticales de segundo orden (al doble de las RPM del motor ) producidas por el motor. [3] Las fuerzas horizontales producidas por los ejes de equilibrio son iguales y opuestas, por lo que se anulan entre sí.
Los ejes de equilibrio no reducen las vibraciones que experimenta el cigüeñal . [4]
Numerosos motores de motocicletas, en particular los motores bicilíndricos en paralelo , han empleado sistemas de eje de equilibrio; por ejemplo, los motores Yamaha TRX850 y Yamaha TDM850 tienen un cigüeñal de 270° con un eje de equilibrio. Un enfoque alternativo, como el utilizado por el motor bicilíndrico paralelo BMW GS , es utilizar una biela "ficticia" que mueve un contrapeso articulado.
Los ejes de equilibrio se utilizan a menudo en motores de cuatro en línea para reducir la vibración de segundo orden (una fuerza vertical que oscila al doble de las RPM del motor ) que es inherente al diseño de un motor típico de cuatro en línea. Esta vibración se genera porque el movimiento de las bielas en un motor de cuatro en línea de encendido uniforme no es simétrico durante toda la rotación del cigüeñal; por lo tanto, durante un período determinado de rotación del cigüeñal, los pistones descendentes y ascendentes no siempre son completamente opuestos en su aceleración, dando lugar a una fuerza vertical neta dos veces en cada revolución (que aumenta cuadráticamente con las RPM). [5]
La cantidad de vibración también aumenta con la cilindrada del motor, lo que da como resultado que los ejes de equilibrio se utilicen a menudo en motores de cuatro en línea con cilindradas de 2,2 L (134 pulgadas cúbicas) o más. Tanto una mayor carrera como un mayor diámetro provocan un aumento de la vibración secundaria; una carrera mayor aumenta la diferencia de aceleración y un diámetro mayor aumenta la masa de los pistones.
El diseño de los sistemas de ejes de equilibrio de Lanchester se perfeccionó con el Mitsubishi Astron 80 , un motor de automóvil de cuatro cilindros en línea introducido en 1975. Este motor fue el primero en ubicar un eje de equilibrio más alto que el otro, para contrarrestar el par rodante de segundo orden (es decir, aproximadamente eje del cigüeñal) debido al par ejercido por la inercia provocada por los aumentos y disminuciones de velocidad del motor. [6] [7]
En un motor de cuatro cilindros , las fuerzas se anulan cuando los pistones se mueven en direcciones opuestas. Por lo tanto, los ejes de equilibrio no son necesarios en los motores de cuatro cilindros.
Los ejes de equilibrio también se utilizan en motores de cinco cilindros en línea, como el GM Vortec 3700 .
En un motor de seis cilindros en línea y en un motor de seis cilindros en línea , las fuerzas de balanceo están naturalmente equilibradas, por lo que no se necesitan ejes de equilibrio.
Los motores V6 están inherentemente desequilibrados, independientemente del ángulo en V. Cualquier motor en línea con un número impar de cilindros tiene un desequilibrio primario , que provoca un movimiento de balanceo de un extremo a otro. Como cada bancada de cilindros en un V6 tiene tres cilindros, cada bancada de cilindros experimenta este movimiento. [8] Se utilizan ejes de equilibrio en varios motores V6 para reducir este movimiento de balanceo.
Algunos ejemplos son el motor Mercedes-Benz OM629 y Volvo B8444S . [9]