Un amortiguador de masa sintonizado ( TMD ), también conocido como amortiguador de armónicos o amortiguador sísmico , es un dispositivo montado en estructuras para reducir las vibraciones mecánicas , compuesto por una masa montada sobre uno o más resortes amortiguados . Su frecuencia de oscilación está sintonizada para que sea similar a la frecuencia de resonancia del objeto en el que está montado y reduce la amplitud máxima del objeto aunque pesa mucho menos que él.
Los TMD pueden prevenir molestias, daños o fallas estructurales absolutas . Se utilizan frecuentemente en transmisión de energía, automóviles y edificios.
Los amortiguadores de masa sintonizados se estabilizan contra movimientos violentos causados por vibraciones armónicas . Utilizan un componente comparativamente liviano para reducir la vibración de un sistema de modo que las vibraciones en el peor de los casos sean menos intensas. En términos generales, los sistemas prácticos están sintonizados para alejar el modo principal de una frecuencia de excitación problemática o para agregar amortiguación a una resonancia que es difícil o costosa amortiguar directamente. Un ejemplo de esto último es un amortiguador de torsión del cigüeñal. Los amortiguadores de masa se implementan frecuentemente con un componente hidráulico o de fricción que convierte la energía cinética mecánica en calor, como un amortiguador de automóvil .
Dado un motor con masa m 1 sujeto al suelo mediante soportes de motor, el motor vibra mientras funciona y los soportes blandos del motor actúan como un resorte y un amortiguador paralelos, k 1 y c 1 . La fuerza sobre los soportes del motor es F 0 . Para reducir la fuerza máxima sobre los soportes del motor cuando el motor opera en un rango de velocidades, se conecta una masa más pequeña, m 2 , a m 1 mediante un resorte y un amortiguador, k 2 y c 2 . F 1 es la fuerza efectiva sobre el motor debido a su funcionamiento.
El gráfico muestra el efecto de un amortiguador de masa sintonizado en un sistema simple resorte-masa-amortiguador, excitado por vibraciones con una amplitud de una unidad de fuerza aplicada a la masa principal, m 1 . Una medida importante del rendimiento es la relación entre la fuerza sobre los soportes del motor y la fuerza que hace vibrar el motor.F 0/F 1. Esto supone que el sistema es lineal, por lo que si la fuerza sobre el motor se duplicara, también lo haría la fuerza sobre los soportes del motor. La línea azul representa el sistema de referencia, con una respuesta máxima de 9 unidades de fuerza a alrededor de 9 unidades de frecuencia. La línea roja muestra el efecto de agregar una masa sintonizada del 10% de la masa inicial. Tiene una respuesta máxima de 5,5, a una frecuencia de 7. Como efecto secundario, también tiene un segundo modo normal y vibrará un poco más que el sistema de referencia en frecuencias inferiores a aproximadamente 6 y superiores a aproximadamente 10.
Las alturas de los dos picos se pueden ajustar cambiando la rigidez del resorte en el amortiguador de masa sintonizado. Cambiar la amortiguación también cambia la altura de los picos, de forma compleja. La división entre los dos picos se puede cambiar alterando la masa del amortiguador ( m 2 ).
El diagrama de Bode es más complejo y muestra la fase y la magnitud del movimiento de cada masa, para los dos casos, en relación con F 1 .
En los gráficos de la derecha, la línea negra muestra la respuesta inicial ( m 2 = 0). Ahora considerando m 2 = metro 1/10, la línea azul muestra el movimiento de la masa amortiguadora y la línea roja muestra el movimiento de la masa primaria. El gráfico de amplitud muestra que a bajas frecuencias, la masa amortiguadora resuena mucho más que la masa primaria. El gráfico de fase muestra que a bajas frecuencias, las dos masas están en fase. A medida que aumenta la frecuencia, m 2 se desfasa con m 1 hasta que alrededor de 9,5 Hz está desfasado 180° con m 1 , maximizando el efecto de amortiguación al maximizar la amplitud de x 2 − x 1 , esto maximiza la energía disipada en c 2 y simultáneamente tira de la masa primaria en la misma dirección que los soportes del motor.
El amortiguador de masa sintonizado fue introducido como parte del sistema de suspensión por Renault en su auto de F1 de 2005 (el Renault R25 ), en el Gran Premio de Brasil de 2005 . Según se informa, el sistema redujo los tiempos de vuelta en 0,3 segundos: una ganancia fenomenal para un dispositivo relativamente simple. [1] Los comisarios de la reunión lo consideraron legal, pero la FIA apeló contra esa decisión.
Dos semanas después, el Tribunal Internacional de Apelación de la FIA consideró ilegal el amortiguador de masa. [2] [3] Se consideró ilegal porque la masa no estaba unida rígidamente al chasis; La influencia que tenía el amortiguador en la actitud de cabeceo del coche a su vez afectó al espacio debajo del coche y a los efectos del suelo del coche. Como tal, el amortiguador se consideraba un dispositivo aerodinámico móvil y, por tanto, una influencia ilegal en el rendimiento de la aerodinámica .
Los amortiguadores de masa sintonizados se utilizan ampliamente en los automóviles de producción, normalmente en la polea del cigüeñal para controlar la vibración torsional y, más raramente, los modos de flexión del cigüeñal. También se utilizan en la línea motriz para ruidos de engranajes y en otros lugares para otros ruidos o vibraciones en el escape, la carrocería, la suspensión o en cualquier otro lugar. Casi todos los automóviles modernos tendrán un amortiguador de masa y algunos pueden tener diez o más.
El diseño habitual de amortiguador en el cigüeñal consiste en una fina banda de goma entre el cubo de la polea y el borde exterior. Este dispositivo, a menudo llamado amortiguador armónico , está ubicado en el otro extremo del cigüeñal opuesto a donde están el volante y la transmisión. Un diseño alternativo es el amortiguador pendular centrífugo , que se utiliza para reducir las vibraciones de torsión del motor de combustión interna .
Las cuatro ruedas del Citroën 2CV incorporaban un amortiguador de masas sintonizado (denominado "Batteur" en el original francés) de diseño muy similar al utilizado en el coche Renault F1, desde el inicio de su producción en 1949, en las cuatro ruedas. antes de ser retirado de las ruedas traseras y, finalmente, de las delanteras a mediados de la década de 1970.
El amortiguador de masa sintonizado se utiliza ampliamente como método para agregar amortiguación a los puentes. Un caso de uso de amortiguadores de masa sintonizados en puentes es evitar grandes vibraciones debido a la resonancia con cargas de peatones. [5] Al agregar un amortiguador de masa sintonizado, se agrega amortiguación a la estructura, lo que hace que la vibración de la estructura se reduzca ya que la amplitud de la vibración en estado estable es inversamente proporcional a la amortiguación de la estructura. [6]
Una propuesta para reducir la vibración en el propulsor de combustible sólido Ares de la NASA fue utilizar 16 amortiguadores de masa sintonizados como parte de una estrategia de diseño para reducir las cargas máximas de 6 g a 0,25 g , siendo los TMD responsables de la reducción de 1 g a 0,25 g . el resto se realiza mediante aisladores de vibraciones convencionales entre las etapas superiores y el amplificador. [7] [8]
Los satélites con estabilización de giro tienen desarrollo de nutación en frecuencias específicas. Los amortiguadores de nutación por corrientes de Foucault han volado sobre satélites estabilizados por giro para reducir y estabilizar la nutación.
Las líneas de alta tensión a menudo tienen pequeños amortiguadores Stockbridge en forma de barra que cuelgan de los cables para reducir la oscilación de alta frecuencia y baja amplitud denominada aleteo . [9] [10]
Un amortiguador de masa sintonizado estándar para aerogeneradores consta de una masa auxiliar que se fija a la estructura principal mediante resortes y elementos del amortiguador. La frecuencia natural del amortiguador de masa sintonizado está definida básicamente por su constante elástica y la relación de amortiguación determinada por el amortiguador . El parámetro sintonizado del amortiguador de masa sintonizado permite que la masa auxiliar oscile con un cambio de fase con respecto al movimiento de la estructura. En una configuración típica, una masa auxiliar colgaba debajo de la góndola de una turbina eólica sostenida por amortiguadores o placas de fricción. [ cita necesaria ]
Cuando se instalan en edificios, los amortiguadores suelen ser enormes bloques de hormigón o cuerpos de acero montados en rascacielos u otras estructuras, que se mueven en oposición a las oscilaciones de frecuencia de resonancia de la estructura mediante resortes , fluidos o péndulos.
La vibración no deseada puede ser causada por fuerzas ambientales que actúan sobre una estructura, como el viento o un terremoto, o por una fuente de vibración aparentemente inocua que causa resonancia que puede ser destructiva, desagradable o simplemente inconveniente.
Las ondas sísmicas causadas por un terremoto harán que los edificios se balanceen y oscilen de diversas maneras dependiendo de la frecuencia y dirección del movimiento del suelo , y de la altura y construcción del edificio. La actividad sísmica puede provocar oscilaciones excesivas del edificio que pueden provocar fallos estructurales . Para mejorar el rendimiento sísmico del edificio , se realiza un diseño adecuado del edificio que involucra varias tecnologías de control de vibraciones sísmicas . Como se mencionó anteriormente, los dispositivos de amortiguación se habían utilizado en las industrias aeronáutica y automotriz mucho antes de que fueran estándar para mitigar los daños sísmicos en los edificios. De hecho, los primeros dispositivos especializados de amortiguación de terremotos no se desarrollaron hasta finales de 1950. [11]
Masas de personas subiendo y bajando escaleras a la vez, o grandes cantidades de personas pisando fuerte al unísono, pueden causar serios problemas en estructuras grandes como los estadios si esas estructuras carecen de medidas de amortiguación.
La fuerza del viento contra los edificios altos puede hacer que la parte superior de los rascacielos se mueva más de un metro. Este movimiento puede ser en forma de balanceo o torsión, y puede hacer que los pisos superiores de dichos edificios se muevan. Ciertos ángulos de viento y las propiedades aerodinámicas de un edificio pueden acentuar el movimiento y provocar mareos en las personas. Un TMD generalmente está sintonizado con la frecuencia de resonancia de su edificio para funcionar de manera eficiente. Sin embargo, durante su vida útil, los edificios altos y delgados pueden experimentar cambios naturales de frecuencia de resonancia bajo la velocidad del viento, la temperatura ambiente y las variaciones de humedad relativa, entre otros factores, lo que requiere un diseño TMD robusto.
{{cite book}}: CS1 maint: others (link)Se colocaron dos amortiguadores de masa sintonizados de 250 toneladas a la altura del pecho para controlar el balanceo con vientos fuertes.
Para detener cualquier balanceo de una estructura tan alta, se han utilizado dos amortiguadores de masa sintonizados de 250 toneladas cada uno.
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