El equilibrio del motor se refiere a cómo se neutralizan las fuerzas de inercia producidas por las partes móviles de un motor de combustión interna o de vapor con contrapesos y ejes de equilibrio , para evitar vibraciones desagradables y potencialmente dañinas. Las fuerzas de inercia más fuertes se producen 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 pueden separarse en componentes alternativos y giratorios, lo que ayuda en el análisis de desequilibrios.
Utilizando el ejemplo de un motor en línea (donde los pistones están verticales), los principales movimientos alternativos son:
Si bien los principales movimientos rotatorios que pueden causar 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 que provoquen vibraciones. Por ejemplo, si los pesos de los pistones o las bielas son diferentes en 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 desigual del peso pueden provocar un desequilibrio rotatorio .
Incluso con una distribución de peso perfectamente equilibrada de las masas estáticas, algunas configuraciones de cilindros provocan desequilibrios debido a que las fuerzas de cada cilindro no se compensan entre sí en todo momento. Por ejemplo, un motor de cuatro cilindros 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 controlarse 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 se cancela por otro componente que se mueve con el mismo momento, pero en dirección opuesta en el mismo plano.
Los tipos de desequilibrio de fase reciprocante son:
Los tipos de desequilibrio del plano alternativo son:
En motores sin carreras de potencia superpuestas (como motores con cuatro cilindros o menos), las pulsaciones en la entrega de potencia hacen vibrar el motor rotacionalmente en el eje X , de manera similar a un desequilibrio alternativo.
Un desequilibrio rotatorio es causado por distribuciones desiguales de masa en los conjuntos giratorios.
Los tipos de desequilibrio de fase rotatoria son:
Los tipos de desequilibrio del plano rotatorio son:
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La vibración torsional se desarrolla cuando se aplican impulsos de par a un eje a una frecuencia que coincide con su frecuencia de resonancia y el par aplicado y el par resistivo actúan en diferentes puntos a lo largo del eje. No se puede equilibrar, se debe amortiguar y, si bien el equilibrio es igualmente efectivo a todas las velocidades y cargas, la amortiguación se debe adaptar a las condiciones de funcionamiento dadas. Si el eje no se puede diseñar de manera que su frecuencia de resonancia esté fuera del rango de funcionamiento proyectado, por ejemplo, por razones de peso o costo, 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 resistente (por ejemplo, el embrague). Esta vibración no se transmite al exterior del motor, pero la fatiga por la vibración podría provocar una avería en el cigüeñal.
Los motores radiales no experimentan desequilibrio torsional.
El desequilibrio primario produce vibración a la frecuencia de rotación del cigüeñal, es decir, la frecuencia fundamental (primer armónico) de un motor. [3]
El equilibrio secundario elimina las vibraciones al doble de la frecuencia de rotación del cigüeñal. Esto afecta especialmente a los motores en línea y en V con un cigüeñal de 180° o de un solo plano en el 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, sigue habiendo un desequilibrio secundario neto.
Esto se debe a que el extremo grande de la biela oscila de un lado a otro, 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 del cigüeñal, y la distancia que el extremo pequeño (y un pistón conectado a él) tiene que recorrer en los 180° superiores de rotación del cigüeñal es mayor que en los 180° inferiores. Una mayor distancia en el 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 en ecuaciones matemáticas .
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En un automóvil, por ejemplo, un motor con cilindros mayores a 500 cc/30 cuin [ cita requerida ] (dependiendo de diversos factores) requiere ejes de equilibrio para eliminar las vibraciones no deseadas. Estos adoptan 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 generalmente se evita utilizando un cigüeñal de plano cruzado , y un cigüeñal de 180° o de un solo plano se utiliza solo en motores V8 de alto rendimiento, donde ofrece ventajas específicas y la vibración es una preocupación menor.
En el caso de motores con más de un cilindro, factores como la cantidad de pistones en cada banco, el ángulo en V y el intervalo de encendido generalmente determinan si existen desequilibrios de fase reciprocantes o desequilibrios torsionales.
Los motores bicilíndricos en línea 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 cilindros en línea ) generalmente utilizan 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 bicilíndricos en V 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 "boxer". Un motor en V de 180 grados, como el utilizado en el Ferrari 512BB, tiene pares de cilindros opuestos cuyas bielas utilizan el mismo recorrido del cigüeñal. Por el contrario, en un motor "boxer", como el que 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 planos suelen utilizar cigüeñales de 180° y recorridos de cigüeñal separados y tienen las siguientes características:
Los motores de cuatro cilindros planos suelen utilizar una configuración de cigüeñal izquierda-derecha-derecha-izquierda y tienen las siguientes características:
Los motores flat six suelen utilizar una configuración boxer y tienen las siguientes características:
Esta sección es una introducción al equilibrio de dos máquinas de vapor conectadas por ruedas motrices y ejes ensamblados en una locomotora de ferrocarril.
Los efectos de las inercias desequilibradas en una locomotora se muestran brevemente describiendo las mediciones de los movimientos de la locomotora, así como las deflexiones en los puentes de acero. Estas mediciones muestran la necesidad de varios métodos de equilibrado, así como otras características de diseño para reducir las amplitudes de vibración y el daño a la locomotora en sí, así como a los rieles y puentes. La locomotora del ejemplo es un tipo simple, no compuesto, con dos cilindros externos y mecanismo de válvulas, ruedas motrices acopladas y un ténder separado. Solo se cubre el equilibrado básico sin mencionar los efectos de diferentes disposiciones de cilindros, ángulos de cigüeñal, etc., ya que los métodos de equilibrado para locomotoras de tres y cuatro cilindros pueden ser complicados y diversos. [8] Se pueden encontrar tratamientos matemáticos en 'lecturas adicionales'. Por ejemplo, "El equilibrio de los motores" de Dalby cubre el tratamiento de fuerzas desequilibradas y pares utilizando polígonos. Johnson y Fry usan cálculos algebraicos.
A alta velocidad, la locomotora tenderá a oscilar de un lado a otro, de adelante hacia atrás y de proa hacia adelante, o a balancearse. También tenderá a cabecear y balancearse. Este artículo analiza estos movimientos que se originan a partir de fuerzas de inercia desequilibradas y se acoplan en las dos máquinas de vapor y sus ruedas acopladas (algunos movimientos similares pueden ser causados por irregularidades en la superficie de rodadura de la vía y la rigidez). Los dos primeros movimientos son causados por las masas reciprocantes y los dos últimos por la acción oblicua de las bielas, o el empuje del pistón, sobre las barras guía. [9]
Existen tres grados en los que se puede lograr el equilibrio. El más básico es el equilibrio estático de las características descentradas de una rueda motriz, es decir, el muñón del cigüeñal y sus partes acopladas. Además, se puede equilibrar una proporción de las partes recíprocas 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 se desequilibre, lo que da como resultado un golpe de martillo . Por último, debido a que los pesos de equilibrio anteriores están en el plano de la rueda y no en el plano del desequilibrio de origen, 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 en dos planos, siendo el segundo plano en la rueda opuesta.
La tendencia a la inestabilidad varía según el diseño de una determinada clase de locomotora. Entre los factores relevantes se incluyen su peso y longitud, la forma en que se apoya sobre resortes y compensadores y la comparación entre el valor de una masa móvil desequilibrada y 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 términos del peso del carril, así como la rigidez de la plataforma de la vía, pueden afectar el comportamiento vibratorio de la locomotora.
Además de proporcionar una mala calidad de conducción humana, la conducción accidentada genera costos de mantenimiento por desgaste y fracturas tanto en los componentes de la locomotora como de la vía.
Todas las ruedas motrices tienen un desequilibrio causado por sus muñequillas descentradas y los componentes acoplados. Las ruedas motrices principales tienen el mayor desequilibrio, ya que tienen la muñequilla más grande, así como la parte giratoria de la biela principal. También tienen la manivela excéntrica del mecanismo de válvulas y el extremo posterior de la biela excéntrica. Al igual que las ruedas motrices vinculadas, también tienen su propia parte del peso de la biela lateral. La parte de la biela principal asignada a un movimiento giratorio se medía originalmente pesándola apoyada en cada extremo. Se hizo necesario un método más preciso que dividía las partes giratoria y reciprocante en función de la posición del centro de percusión. Esta posición se medía balanceando la biela como un péndulo. [10] El desequilibrio en las ruedas motrices restantes es causado por una muñequilla y un peso de la biela lateral. Los pesos de la biela lateral asignados a cada muñequilla se miden suspendiendo la biela en tantas básculas como muñequillas haya o mediante cálculo.
El enlace alternativo pistón-cruceta-válvula-vástago principal está desequilibrado y provoca un movimiento de vaivén hacia adelante y hacia atrás. Su separación de 90 grados provoca un par oscilante. [11]
Toda la locomotora tiende a moverse bajo la influencia de fuerzas de inercia desequilibradas. Los movimientos horizontales de las locomotoras desequilibradas fueron cuantificados por M. Le Chatelier en Francia, alrededor de 1850, suspendiéndolas de cuerdas desde el techo de un edificio. Se hicieron funcionar hasta velocidades de carretera equivalentes de hasta 40 MPH y el movimiento horizontal se trazó con un lápiz, montado en la viga de tope. La traza era una forma elíptica formada por la acción combinada de los movimientos de adelante hacia atrás y de balanceo. La forma podía encerrarse en un cuadrado de 5 ⁄ 8 pulgadas para una de las locomotoras desequilibradas y se redujo a un punto cuando se agregaron pesos para contrarrestar las masas giratorias y reciprocantes. [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 tensiones de los puentes y atribuyó un aumento del 28 % sobre el valor estático a los conductores desequilibrados. [13]
El desequilibrio residual en las locomotoras se evaluó de tres maneras en la planta de pruebas de Pennsylvania Railroad. En particular, se probaron ocho locomotoras en la Louisiana Purchase Exposition en 1904. Las tres mediciones fueron:
Se pueden realizar evaluaciones cualitativas en 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 irregular, como cuñas atascadas, ecualizadores sucios y holgura entre el motor y el ténder. Además, la posición de un eje desequilibrado en relación con el centro de gravedad de la locomotora puede determinar el grado de movimiento en la cabina. AH Fetters relató que en una 4–8–2 los efectos del aumento dinámico de 26,000 lb debajo del centro de gravedad no se mostraron en la cabina, pero el mismo aumento en cualquier otro eje sí lo habría hecho. [15]
Los contrapesos se instalan en el lado opuesto a las piezas que provocan el desequilibrio. El único plano disponible para estos contrapesos es la propia rueda, lo que da como resultado un par desequilibrado en el conjunto rueda/eje. La rueda solo está equilibrada estáticamente.
Una parte del peso reciprocante se equilibra con la adición de un peso giratorio adicional en la rueda, es decir, sigue estando equilibrado solo estáticamente. El desequilibrio provoca lo que se conoce como golpe de martillo o aumento dinámico, ambos términos tienen la misma definición que se da en las siguientes referencias. El golpe de martillo varía en torno a la media estática, sumándose y restándose 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 las piezas reciprocantes incorporando un contrapeso en las ruedas. [17]
El término golpe de martillo no describe muy bien lo que ocurre, ya que la fuerza varía continuamente y sólo en casos extremos, cuando la rueda se levanta del riel por un instante, hay un golpe verdadero cuando vuelve a bajar. [18]
Hasta aproximadamente 1923, las locomotoras estadounidenses se equilibraban solo para condiciones estáticas 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] El manejo brusco y los daños llevaron a recomendaciones para el equilibrio dinámico, incluida la definición de la proporción del peso alternativo que se debe equilibrar como una proporción del peso total de la locomotora o, con un amortiguador Franklin, [20] el peso de la locomotora más el ténder.
A veces se hace referencia incorrectamente a una fuente diferente de carga variable de rueda/riel, el empuje del pistón, como golpe de martillo o aumento dinámico, aunque no aparece en las definiciones estándar de esos términos. También tiene una forma diferente por revolución de rueda, como se describe más adelante.
Como alternativa a añadir pesos a las ruedas motrices, el ténder se podía acoplar mediante un acoplamiento ajustado que aumentaría la masa efectiva y la distancia entre ejes de la locomotora. Los Ferrocarriles Estatales Prusianos construyeron motores de dos cilindros sin contrapeso alternativo pero con un acoplamiento rígido para el ténder. [21] El acoplamiento equivalente para las locomotoras estadounidenses tardías era el amortiguador radial con amortiguación de fricción. [22] [23]
El peso del muñón y las bielas sobre las ruedas se encuentra en un plano fuera de la ubicación del plano de la rueda para el peso de equilibrio estático. El equilibrio en dos planos, o dinámico, es necesario si se necesita 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 de Ferrocarriles de Estados Unidos no recomendó el equilibrado cruzado hasta 1931. Hasta ese momento, solo se realizaba el equilibrado estático en Estados Unidos, aunque los fabricantes incluían el equilibrado cruzado para las locomotoras de exportación cuando se especificaba. Los fabricantes europeos adoptaron el equilibrado cruzado después de que Le Chatelier publicara su teoría en 1849. [24]
Las cargas máximas sobre las ruedas y los ejes se especifican para un diseño de puente en particular, de modo que se pueda lograr la vida útil por fatiga requerida de los puentes de acero. [25] La carga sobre los ejes no suele ser la suma de las dos cargas sobre las ruedas, porque la línea de acción del equilibrio cruzado será diferente en cada rueda. [26] Conociendo el peso estático de la locomotora, se calcula la cantidad de sobreequilibrio que se puede aplicar a cada rueda para equilibrar parcialmente las partes recíprocas. [27] Las deformaciones medidas en un puente bajo una locomotora que pasa también contienen un componente del empuje del pistón. Esto se descuida en los cálculos anteriores para el sobreequilibrio admisible en cada rueda. Puede que 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 cada revolución de la rueda y las ruedas pueden resbalar. [29] El hecho de que se produzca un resbalón depende de cómo se compare 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 una causa de los rieles torcidos en las nuevas North American 4–6–4 y 4–8–4 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 según la rigidez de la vía. Las pruebas de deslizamiento realizadas sobre tramos de vía engrasados mostraron, en un caso, una ligera marcación del carril a una velocidad de deslizamiento de 165 mph, pero en una vía más blanda, daños graves en el carril a 105 mph. [30]
La superficie deslizante de la cruceta del motor de vapor proporciona la reacción a la fuerza de la biela sobre el muñón del cigüeñal y varía entre cero y un máximo de dos veces durante cada revolución del cigüeñal. [31]
A diferencia del golpe de martillo, que suma y resta alternativamente en 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 se desplaza por inercia o a la deriva.
En una máquina de vapor de doble efecto, como la que se utiliza en una locomotora de ferrocarril, la dirección del empuje vertical sobre la barra deslizante siempre es hacia arriba cuando se avanza. Varía desde cero al final de la carrera hasta un máximo a la mitad de la carrera, cuando el ángulo entre la biela y el cigüeñal es mayor. [32] Cuando el muñón del cigüeñal impulsa el pistón, como cuando se desplaza por inercia, el empuje del pistón es hacia abajo. La posición de empuje máximo se muestra por el mayor desgaste en el medio de las barras deslizantes. [33]
La tendencia de la fuerza variable sobre la corredera superior es levantar la máquina de sus resortes de avance en la mitad de la carrera y bajarla suavemente en los extremos de la carrera. Esto provoca un cabeceo y, como la fuerza máxima ascendente no es simultánea para los dos cilindros, también tenderá a rodar sobre los resortes. [32]
El equilibrado dinámico de las ruedas de locomotoras, utilizando las ruedas como planos de equilibrado para el desequilibrio existente en otros planos, es similar al equilibrado dinámico de otros rotores, como los conjuntos de compresor/turbina de un motor 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