El equilibrado del motor es una operación diseñada para reducir las vibraciones y otras cargas en los componentes del motor , así como para aumentar el rendimiento, los recursos y la fiabilidad de toda la central eléctrica.
Los beneficios anteriores son posibles gracias a:
Los motores monocilíndricos y multicilíndricos se pueden equilibrar de varias maneras.
Históricamente, los diseñadores de motores han utilizado los términos "equilibrado primario" y "equilibrado secundario". Estos términos están relacionados con el orden de ocurrencia de los problemas en el proceso de desarrollo y, por lo tanto, en cierta medida, reflejan la importancia de estos aspectos en el equilibrio.
Las definiciones de equilibrio primario y secundario difieren. En el caso general, el balanceo primario está asociado con compensar el momento de los pistones en movimiento (pero no su energía cinética ) durante la rotación del cigüeñal . El equilibrio secundario está relacionado con la compensación (o la falta de ella):
A pesar de las afirmaciones de los diseñadores y fabricantes, ninguna configuración de pistón está perfectamente equilibrada. Ajustando algunas definiciones de equilibrio primario y secundario, se puede argumentar que algunas configuraciones están perfectamente equilibradas dentro de un marco limitado. Por lo tanto, el seis en línea , el V12 y el crossplane V8 (es decir, un V8 con un ángulo de inclinación de 90 grados, cuyas bielas se encuentran en dos planos mutuamente perpendiculares) están perfectamente equilibrados por naturaleza, y el motor bóxer tiene un equilibrio primario ideal, ya que el movimiento de una parte se compensa con el movimiento opuesto.
Un motor monocilíndrico genera tres tipos de vibraciones (asumiendo que el cilindro está en posición vertical).
Primero, sin contrapesos de equilibrio, habrá vibraciones significativas en el motor generadas por el cambio en la dirección del movimiento del pistón y la biela para cada revolución. Esto genera una fuerza de inercia de primer orden, que provoca una vibración vertical con una frecuencia igual a la velocidad del cigüeñal. Casi todos los motores monocilíndricos están equipados con masas de equilibrio en el cigüeñal para reducir esta vibración.
Aunque estos balanceadores eliminan las vibraciones en el cigüeñal, no pueden balancear completamente el movimiento del pistón por dos razones. La primera razón es que los balanceadores se mueven tanto en vertical como en horizontal, por lo que compensar el movimiento vertical del pistón con la masa del cigüeñal genera vibraciones horizontales. La masa de los equilibradores se selecciona de forma que se reduzca a la mitad la fuerza de inercia vertical de primer orden, mientras que las fuerzas de inercia vertical y horizontal se igualan en magnitud y, sumadas, forman una fuerza de inercia circular, la cuyo vector gira en dirección opuesta a la rotación del cigüeñal. La segunda razón se relaciona con el movimiento de la biela que, debido al diseño, hace que el pistón se mueva más rápido en la mitad superior del cilindro que en la mitad inferior. Esto genera una fuerza de inercia vertical de segundo orden que vibra al doble de la velocidad del cigüeñal. Por lo tanto, el movimiento sinusoidal del cigüeñal no puede compensar completamente el movimiento del pistón. Una fuerza de primer orden completamente circular se puede equilibrar mediante dos ejes de equilibrio, que deben colocarse simétricamente a los lados del cigüeñal y girar en la dirección opuesta a la rotación del cigüeñal. Los contrapesos de estos ejes deben ser iguales y estar orientados para crear la misma magnitud de la fuerza de inercia circular, pero en la dirección opuesta. La fuerza de inercia vertical de segundo orden se puede equilibrar mediante dos ejes de equilibrio situados simétricamente a los lados del motor y que giran en direcciones opuestas entre sí dos veces más rápido que el cigüeñal. Las masas de equilibrio de estos ejes también deben ser las mismas y estar orientadas para crear una fuerza de inercia vertical de equilibrio en la dirección opuesta. Sin embargo, esto conduce a una complicación significativa del motor, por lo que, por regla general, la fuerza de segundo orden se deja desequilibrada, además, es mucho menor que la fuerza de inercia de primer orden.
En segundo lugar, hay vibraciones generadas por cambios en la velocidad y la energía cinética del pistón. Por lo tanto, el cigüeñal se desacelerará cuando el pistón se acelere y absorba energía, y se acelerará cuando el pistón se desacelera y emite energía en la parte superior e inferior. Esta vibración tiene una frecuencia dos veces mayor que la del cigüeñal, y el volante de inercia tiene la función de absorberla.
El tercer tipo de vibración se debe al hecho de que el motor solo entrega potencia durante la carrera de potencia. En un ciclo de cuatro tiempos, esta vibración será la mitad de la frecuencia de vibración del primer orden, ya que la mezcla combustible se quema cada segunda revolución del cigüeñal. La absorción de este tipo de vibraciones también es tarea del volante.
Un par de cilindros se pueden ubicar en las siguientes configuraciones:
Cada una de estas opciones tiene ventajas y desventajas en términos de equilibrio.
Dos cilindros en fila pueden tener un solo cigüeñal simple, con punto muerto superior síncrono. Para un motor de cuatro tiempos, esto brinda la secuencia de encendido más ventajosa de un cilindro por revolución, pero el peor equilibrio mecánico, no mejor que un motor de un solo cilindro. Por lo tanto, en esta configuración, los ejes de equilibrio se utilizan a menudo para compensar la fuerza de inercia de primer orden. A veces, para los "dos en línea", se usa un cigüeñal doble con un cierto ángulo entre las rodillas (hasta 180 °), por lo que los pistones alcanzan el punto muerto superior en diferentes momentos, lo que mejora el equilibrio (fuerzas de inercia desequilibradas del Disminuyen de 1° y 2° orden, sin embargo aumentan los momentos de estas fuerzas, tendiendo a girar el motor alrededor de un eje que pasa por el centro del cigüeñal), pero no proporciona una alternancia uniforme de arranques. En un motor de 2 tiempos, se logra una secuencia uniforme de encendido en un ángulo de rodilla de 180°, por lo que solo se usa una configuración que también proporciona el mejor equilibrio (la inercia de primer orden está totalmente equilibrada, pero hay un momento de las fuerzas de inercia de primer orden). , así como fuerza de inercia de segundo orden). El momento de primer orden se puede eliminar girando un eje de equilibrio en dirección opuesta al cigüeñal y creando un momento de inercia de equilibrio en la dirección opuesta (siempre que las fuerzas de inercia de primer orden de los pistones y las partes superiores de las bielas, sumándose a las fuerzas creadas por el cigüeñal del equilibrador, forman un momento de inercia circular).
Un motor V-twin de dos cilindros generalmente solo se usa en una versión de cuatro tiempos, ya que la necesidad de cámaras de cigüeñal separadas en un motor de dos tiempos no permite que las bielas se ubiquen cerca unas de otras, lo que anula las ventajas de un motor de dos tiempos. Diseño de motor bicilíndrico en V de dos cilindros. En esta realización, la fuerza de inercia de primer orden se puede equilibrar por completo si el ángulo entre las bielas es igual a la diferencia entre el doble del ángulo de inclinación y 180°, mientras que las bielas se cruzan cuando las bielas están en la parte superior si el ángulo de inclinación es igual a 180°. menos de 90°, o en la parte inferior si es más de 90° 90°. Los ensanchamientos en los cilindros se alternan de manera no uniforme, con un aumento en el ángulo de inclinación, esta falta de uniformidad disminuye. Si el ángulo de inclinación es de 90 °, entonces los cilindros tienen una manivela común, mientras que los destellos se alternan entre 270 y 450 ° a lo largo del ángulo de rotación del cigüeñal. En otros ángulos de inclinación, se requieren cigüeñales separados, aunque hay motores con un cigüeñal común, en ellos la fuerza de primer orden puede compensarse completamente solo con ejes de equilibrio adicionales, y la alternancia desigual de destellos, por el contrario, aumenta con un aumento en el ángulo de camber, por lo que se utiliza un ángulo de camber de menos de 90 °. Además, las bielas se pueden colocar en un ángulo igual al ángulo de inclinación de tal manera que los pistones alcancen el punto muerto superior en sincronía, asegurando así una alternancia uniforme de destellos. La fuerza de primer orden se equilibra de manera similar mediante ejes de equilibrio. La fuerza de inercia de segundo orden de un motor bicilíndrico en V disminuye a medida que aumenta el ángulo de inclinación. Además, hay pequeños momentos de las fuerzas de inercia de primer y segundo orden, causadas por el desplazamiento de los cilindros entre sí a lo largo del eje del cigüeñal (si lo hay).
Se puede pensar en un motor bicilíndrico plano como un caso especial de un motor bicilíndrico en V con un ángulo de inclinación de 180°. El ángulo entre las bielas también es de 180°. En este caso, los destellos en los cilindros en la versión de cuatro tiempos se alternan uniformemente, y en la versión de dos tiempos ocurren simultáneamente en ambos cilindros (lo que no requiere la separación de las cámaras del cigüeñal). Las fuerzas de inercia de 1er y 2do orden están mutuamente balanceadas, pero existen pequeños momentos de estas fuerzas debido al desplazamiento de los cilindros.
Los cilindros se pueden ubicar en las siguientes configuraciones:
En un motor de tres cilindros en línea, el mejor equilibrio se obtiene cuando las bielas están ubicadas en un ángulo de 120 ° Las fuerzas de inercia de 1er y 2do orden se compensan mutuamente, pero los momentos de estas fuerzas aparecen debido a el hecho de que los cilindros se desplazan entre sí a lo largo del cigüeñal. Es posible equilibrar el momento de 1er orden con un eje de equilibrio adicional que gira a la velocidad del cigüeñal en la dirección opuesta. Para equilibrar el momento de segundo orden, se necesitan dos ejes de equilibrio, ubicados simétricamente a los lados del motor y que giran en direcciones opuestas entre sí el doble de rápido que el cigüeñal. Sin embargo, esto conduce a una complicación significativa del motor, por lo que no se usa (especialmente porque el momento de inercia dado es insignificante). Del mismo modo, cualquier motor en línea con un número impar de cilindros (con más de dos cilindros) está equilibrado, mientras que los momentos de desequilibrio disminuyen con el aumento del número de cilindros; en algunos casos, un motor de cinco cilindros puede prescindir de los ejes de equilibrado. .
El motor de tres cilindros en forma de V se usa muy raramente. En esta configuración, los destellos se alternan de manera desigual, el cilindro central generalmente gira 90 ° con respecto a los dos extremos. En este caso, todas las manivelas están dirigidas en una dirección, y las masas del pistón y la parte superior de la biela del cilindro central son dos veces mayores que las de los extremos. Esta es la única forma de compensar completamente las fuerzas desequilibradas de primer orden levantando una masa de contrapesos en el cigüeñal.
Otras configuraciones con diferentes números de cilindros y su disposición se pueden considerar como una combinación de las configuraciones anteriores, sumando las fuerzas y los momentos de inercia. Por ejemplo, un motor de cuatro cilindros en línea se puede considerar como una combinación de dos motores de dos cilindros en línea. En este caso, por ejemplo, en una versión de cuatro tiempos, la configuración más ventajosa es cuando dos dos en línea son copias especulares entre sí (junto con la posición de las bielas) con respecto a un plano perpendicular al cigüeñal y pasando a través de su centro, mientras que las manivelas de cada dos se giran en un ángulo de 180 °. Esto permite compensar mutuamente los momentos de primer orden de estos dos, y también asegura una alternancia uniforme de destellos. Sin embargo, las fuerzas de inercia de segundo orden se suman, ya que actúan en una dirección, por lo tanto, con un gran volumen de trabajo (más de 2 litros), a menudo se utilizan ejes de equilibrio. Un motor V-6 puede considerarse como dos motores de tres cilindros en línea o como tres V-twin. Las fuerzas de inercia de los dos individuales en forma de V o los triples en línea actúan en diferentes direcciones, por lo tanto, sumando, provocan momentos de inercia del motor. En este caso, el momento de 1er orden se puede equilibrar mediante contrapesos en las mejillas extremas del cigüeñal junto con el eje de equilibrio. En algunos casos (por ejemplo, cuando cada deuce tiene una manivela común con un ángulo de inclinación de 90 °, o las manivelas están separadas por 60 ° con una inclinación de 60 grados), no se requiere un eje de equilibrio.