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17
2020
-
09
¿Por qué tiene el motor un volante de inercia? ¿Qué hace? ¿Qué es el volante de inercia de doble masa?
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Permítame hacerle una pregunta: ¿por qué un motor de automóvil puede funcionar suavemente y de manera continua? Creo que todos dirán que el motor está bien ajustado, que el cigüeñal está equilibrado, que el sistema de combustible y el sistema de encendido funcionan correctamente, que el motor multicilíndrico opera con solapamiento, y así sucesivamente. Pero muchas personas ignorarán un factor muy importante: el papel del volante de inercia del motor.
Muchas personas quizá no sepan qué es el volante de inercia del motor ni dónde está ubicado. Si les digo que está instalado en el extremo del cigüeñal, es posible que no lo entiendan fácilmente. Pero les diré una cosa: deberían saber exactamente dónde está el volante de inercia. Cuando nuestro automóvil arranca, necesita un motor de arranque para poner en marcha el motor antes de poder encenderse. Este motor de arranque acciona directamente el volante de inercia. En cuanto encuentren el motor de arranque, habrán encontrado también el volante de inercia. Cuando se pone en marcha el automóvil, el motor de arranque se activa y comienza a funcionar; el engranaje de transmisión se acopla al anillo dentado del volante de inercia, y entonces el motor de arranque gira impulsando el volante de inercia, que a su vez hace girar el cigüeñal, poniendo así en marcha el motor. Por lo tanto, el volante de inercia es uno de los componentes del motor. Está ensamblado con el cigüeñal y constituye el elemento de salida de potencia del motor.
La estructura del volante de inercia es muy sencilla: se trata de un disco de hierro fundido con un gran momento de inercia. Para aumentar el momento de inercia a igual masa, el borde del volante suele hacerse más grueso. Generalmente, el borde del volante está incrustado con un anillo dentado que engrana con el piñón de arranque cuando se pone en marcha el motor, impulsando así la rotación del cigüeñal. En el centro del volante hay varios orificios para tornillos, los cuales se unen al cigüeñal mediante pernos. Una cara del volante es plana y está en contacto con la placa del embrague; la otra cara tiene una forma especial y está conectada al cigüeñal.
Entonces, ¿cuál es el papel del volante de inercia? Como se mencionó anteriormente, el volante de inercia es necesario cuando se arranca el motor, pero el arranque es solo una de las funciones del volante de inercia. Ahora bien, algunos motores equipados con un sistema híbrido ligero de 48 V accionan directamente el extremo frontal del cigüeñal al arrancar, por lo que no es necesario accionar el volante de inercia. De hecho, el volante de inercia tiene un papel aún más importante: mejorar la uniformidad del funcionamiento del motor almacenando y liberando energía, y aumentar la capacidad del motor para superar sobrecargas de corta duración. Al mismo tiempo, el volante de inercia también es el elemento de salida de potencia del motor, mediante el cual la potencia del motor se transmite a la embrague o al convertidor de par. Además, en el volante de inercia también se graba una marca de punto muerto superior para calibrar la sincronización de encendido o la sincronización de inyección de combustible y ajustar la holgura de las válvulas.
Entonces, ¿por qué el motor tiene un volante de inercia? Esto se debe al principio de funcionamiento del motor. Hoy en día, los motores alternativos de pistón y cuatro tiempos son comúnmente utilizados en automóviles. Este tipo de motor realiza trabajo una vez cada cuatro carreras del pistón; sin embargo, durante todo el ciclo de funcionamiento, solo la carrera de potencia genera energía, mientras que las demás carreras—admisión, compresión y escape—consumen energía. Si no hubiera un volante de inercia, toda la energía generada durante la carrera de potencia del motor se perdería hacia el exterior, y no quedaría excedente para contrarrestar el trabajo consumido por las carreras de admisión, compresión y escape, lo que impediría que el motor siguiera funcionando. Incluso si un motor multicilíndrico realiza trabajo a intervalos, el cigüeñal giraría de manera extremadamente irregular, su velocidad fluctuaría entre alta y baja, y el motor se pararía ante la más mínima resistencia, dificultando así su continuación en marcha.
El volante de inercia es una pieza en forma de disco con un gran momento de inercia, que actúa como almacenador de energía. Durante la carrera de potencia, además de la salida externa, parte de la energía emitida por el motor es absorbida por el volante de inercia y luego liberada durante las carreras de admisión, compresión y escape para compensar el trabajo consumido en estas tres fases, permitiendo así que el cigüeñal supere la resistencia y siga funcionando. De este modo, el motor puede operar continuamente sin detenerse debido al consumo de energía en las otras tres carreras. Además, cuando el pistón se encuentra en el punto muerto superior o en el punto muerto inferior, la biela está completamente perpendicular al cigüeñal. En este momento, la fuerza de la biela no puede transmitirse al cigüeñal, lo que significa que éste queda «atascado». El enorme momento de inercia del volante de inercia puede ayudar al pistón a atravesar suavemente los puntos muertos superior e inferior, volver a formar el ángulo entre la biela y el cigüeñal, continuar transmitiendo potencia y evitar que el motor se «atasque».
Además, dado que el motor de cuatro tiempos realiza trabajo a intervalos, el cigüeñal estará sometido a un par motor que varía periódicamente. El cigüeñal gira a velocidades altas y bajas, alternando entre ambos extremos. Cuanto menor sea el número de cilindros, más evidente será este fenómeno. Esto hará que el automóvil sea extremadamente difícil de conducir. Debido al gran momento de inercia del volante de inercia, éste puede absorber parte de la energía cuando el cigüeñal está acelerando, y también puede liberar energía cuando el cigüeñal está desacelerando, lo que permite aumentar la potencia del cigüeñal y frenar su desaceleración, mejorando así la uniformidad en el funcionamiento del cigüeñal. Incluso si el motor se enfrenta a una condición de sobrecarga a corto plazo, el volante de inercia puede liberar potencia para evitar que el motor se detenga y mejorar así la capacidad del motor para superar esa sobrecarga temporal.
Por lo tanto, el volante de inercia debe estar presente en el motor, pero el tamaño y la forma de los volantes de inercia de diferentes tipos de motores varían. En términos generales, cuanto menor sea el número de cilindros del motor, mayor será el tamaño y la masa del volante de inercia; y cuanto mayor sea el número de cilindros del motor, más pequeño será el tamaño y la masa del volante de inercia. Además, la configuración de la caja de cambios también influirá en el tamaño y la calidad del volante de inercia. Por ejemplo, en los modelos con transmisión manual, dado que el volante de inercia debe acoplarse y frotarse con la placa de embrague, su tamaño y masa son mayores, y al mismo tiempo debe tener la capacidad de resistir la degradación térmica. En cambio, en los modelos con transmisión automática, el volante de inercia puede absorber en gran medida las vibraciones del motor y equilibrar la velocidad del cigüeñal; por ello, su tamaño y masa son menores, e incluso algunos modelos utilizan un volante de inercia flexible con una masa muy reducida.
Entonces, ¿está relacionado el peso del volante de inercia con la potencia del motor? El peso del volante de inercia no aumentará ni disminuirá la potencia de salida del motor, pero sí puede modificar las características de la potencia de salida del motor. Si la masa del volante de inercia es demasiado grande, el motor se acelerará lentamente, pero su capacidad para superar cargas excesivas será mayor y el efecto de viscosidad de la potencia será más pronunciado; si la masa del volante de inercia es pequeña, el motor se acelerará más rápidamente, pero su capacidad para soportar sobrecargas será ligeramente inferior, y el vehículo acelerará y desacelerará con mayor suavidad. De hecho, la masa y el tamaño del volante de inercia de todos los motores son el resultado de una consideración integral de diversos factores, tras un cálculo preciso y una estricta prueba de equilibrio dinámico; en conjunto, el rendimiento general es muy equilibrado.
El volante de inercia tradicional es una pieza integral que puede ayudar al motor a funcionar con suavidad, pero no cuenta con una función de absorción de choques. La vibración del motor se transmitirá directamente al sistema de transmisión, y la vibración del sistema de transmisión también se retroalimentará al motor, afectando así la estabilidad tanto del motor como del sistema de transmisión. Por ello, los ingenieros automotrices inventaron el volante de inercia de doble masa. El llamado volante de inercia de doble masa consiste en dividir el volante original en dos partes: una parte se mantiene en el lado del motor original y actúa como el volante de inercia original para arrancar y transmitir el par motor; la otra parte se coloca en el lado de la transmisión del tren motriz y se utiliza para aumentar el momento de inercia de la transmisión. Entre las dos partes del volante hay una cámara anular llena de aceite, y en esta cámara se instala un amortiguador de muelles. El amortiguador de muelles une las dos partes del volante en un solo conjunto.
La mayor ventaja del volante de inercia de doble masa es que puede reducir eficazmente la rotación irregular del motor y evitar las vibraciones torsionales en el tren de transmisión. En la estructura tradicional del embrague, se encuentra un amortiguador de torsión en la placa del embrague para reducir las vibraciones torsionales cuando el embrague se engancha y la velocidad cambia; sin embargo, este amortiguador no logra equilibrar perfectamente las vibraciones del motor y la caja de cambios. El volante de inercia de doble masa está dividido en dos partes: una de ellas reduce el impacto del embrague al ser conectado o desconectado, mientras que la otra mitiga las vibraciones del motor. Además, el propio volante de inercia de doble masa cuenta con una función de absorción de choques, por lo que la placa del embrague que se le acople no necesita estar equipada con un amortiguador de torsión, lo cual disminuye la masa y el tamaño de la placa del embrague.
Por lo tanto, los volantes bimasa se están utilizando cada vez con mayor frecuencia. En las cajas de cambios tradicionales con doble embrague, los volantes bimasa se emplean generalmente en lugar de convertidores hidráulicos de par; en algunas cajas de cambios manuales, los volantes bimasa pueden utilizarse para eliminar las placas de embrague. El amortiguador de torsión en el disco reduce el momento de inercia del disco de embrague, hace que el cambio de marcha sea más suave y también puede disminuir la carga sobre el sincronizador. Además, en Europa hay muchos vehículos diésel; debido a los motores diésel de gran tamaño, el uso de volantes bimasa puede reducir eficazmente las vibraciones del motor.
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