Pericolul scripetelor de putere și
Înțelegerea amortizorului armonic

pericolele

DE STEVE DINAN DIN DINAN BMW


Am amenințat de multă vreme că scriu o serie de articole tehnice pentru educarea consumatorilor și pentru a risipi concepțiile greșite despre tehnologia auto-comercializare. Motivat de problemele legate de mașinile clientului care rezultă din instalarea fuliilor electrice, doresc să explic potențialele pericole ale acestor produse și să abordez daunele pe care le cauzează motoarelor.

Teoria din spatele fuliei de putere este că o reducere a vitezei acționării accesorii va reduce la minimum pierderile parazite care răpesc puterea motorului. Pierderile de putere parazitare sunt rezultatul energiei pe care motorul o folosește pentru a roti componente accesorii precum alternatorul și pompa de apă, în loc să producă energie pentru accelerare. În încercarea de a reduce la minimum această pierdere de energie, multe companii susțin că produc energie suplimentară prin îndepărtarea clapetei armonice și înlocuirea acesteia cu un ansamblu ușor. În timp ce se poate realiza un câștig mic de putere, există un număr semnificativ de probleme potențiale asociate cu această modificare, unele mici și una deosebit de mare și dăunătoare.!

Metoda populară pentru fabricarea fuliilor de putere pe motoarele E36 este prin îndepărtarea clapetei armonice și înlocuirea acesteia cu un ansamblu ușor de aliaj. Acesta este un produs foarte periculos, deoarece acest amortizor este esențial pentru longevitatea unui motor. Înlocuirea acestei piese duce adesea la deteriorarea severă a motorului.
De asemenea, este important să înțelegem că, deși motorul unui BMW este proiectat de o echipă de ingineri calificați, aceste scripete de putere sunt create și instalate de oameni care nu înțeleg câteva principii foarte importante ale fizicii. Aș dori mai întâi să ofer o scurtă explicație a acestor principii care sunt esențiale pentru buna funcționare a unui motor.

1) Deformare elastică
Deși este o credință obișnuită că piesele mari din oțel, cum ar fi arborele cotit sunt rigide și inflexibile, acest lucru nu este adevărat. Când o forță acționează asupra unei manivele, aceasta se îndoaie, se flexează și se răsucește la fel ca o bandă de cauciuc. Deși această mișcare este adesea foarte mică, aceasta poate avea un impact semnificativ asupra modului în care funcționează un motor.

2) Frecvența naturală
Toate obiectele au o frecvență naturală la care rezonează (vibrează) atunci când sunt lovite cu un ciocan. Un exemplu zilnic în acest sens este un diapazon. Sunetul pe care îl produce o anumită furcă este direct legat de frecvența la care vibrează. Aceasta este „frecvența sa naturală”, care este dictată de dimensiunea, forma și materialul instrumentului. La fel ca un diapazon, arborele cotit are o frecvență naturală la care vibrează atunci când este lovit. Un aspect important al acestui principiu este acela că, atunci când un obiect este expus la o ordine puternic amplificată a propriei sale frecvențe naturale, acesta va începe să rezoneze cu o vigoare crescândă până când se vibrează singur în bucăți (eșecul oboselii).

3) Eșecul oboselii
Eșecul oboselii se produce atunci când un material, metalic, în acest caz, se rupe de la răsucirea sau îndoirea repetată. O agrafă este un exemplu excelent. Luați o agrafă și flectați-o înainte și înapoi cu aproximativ 90 °. După aproximativ 10 oscilații, agrafa se va rupe de oboseală.

Explicația naturii distructive a scripetelor de putere începe cu cele două moduri de echilibru și vibrații de bază într-un motor cu ardere internă. Este foarte important ca aceste moduri să fie înțelese ca fiind separate și distincte.

1) Vibrația motorului și a componentelor sale rigide cauzate de dezechilibrul pieselor rotative și alternative. Acesta este motivul pentru care avem contragreutăți pe arborele cotit pentru a compensa masa pistonului și tijei, precum și motivul echilibrării componentelor din motor.

2) Vibrația componentelor motorului datorită deformărilor elastice individuale ale acestora. Aceste deformări sunt rezultatul impulsurilor periodice de ardere care creează forțe de torsiune pe arborele cotit și pe arborele cu came. Aceste cupluri excită arborii în ordine secvențială de vibrație și oscilație laterală. Vibrația motorului de acest fel este contracarată de clapeta armonică și este subiectul principal al acestei lucrări.

Vibrație torsională (frecvență naturală)

De fiecare dată când se aprinde un cilindru, forța răsucește arborele cotit. Când cilindrul încetează să se declanșeze, forța încetează să acționeze și arborele cotit începe să revină în poziția neîntoarsă. Cu toate acestea, arborele cotit va depăși și va începe să se răsucească în direcția opusă, apoi să se întoarcă din nou. Deși această mișcare de răsucire înainte și înapoi se descompune pe mai multe repetări din cauza frecării interne, frecvența vibrațiilor rămâne unică pentru arborele cotit particular.

Această mișcare este complicată în cazul unui arbore cotit, deoarece amplitudinea vibrației variază de-a lungul arborelui. Arborele cotit va experimenta vibrații de torsiune de cea mai mare amplitudine în cel mai îndepărtat punct de volant sau sarcină.



Curbe de cuplu armonice (unde sinusoidale)
De fiecare dată când se declanșează un cilindru, forța este transpusă prin piston și bielă către știftul arborelui cotit. Această forță este apoi aplicată tangențial și determină rotația arborelui cotit.

Secvența de forțe la care este supus arborele cotit este în mod obișnuit organizată în curbe variabile de cuplu tangențial care, la rândul lor, pot fi rezolvate fie într-o curbă constantă a cuplului mediu, fie într-un număr infinit de curbe ale cuplului sinusoidal. Aceste curbe, cunoscute sub numele de armonici, urmează ordine care depind de numărul de vibrații complete (impulsuri ale cilindrilor) pe rotație. În consecință, cuplul tangențial al arborelui cotit este alcătuit din multe armonici cu amplitudini și frecvențe variate. Aici își are originea numele „amortizor armonic”.

RPM critice
Când arborele cotit se rotește la un RPM astfel încât frecvența cuplului sau una dintre frecvențele armonice ale undei sinusoidale să coincidă cu frecvența naturală a arborelui, apare rezonanță. Astfel, viteza critică a arborelui cotit la care apare această rezonanță este cunoscută. Un motor modern de automobile va trece în mod obișnuit prin mai multe viteze critice în intervalul posibilelor sale RPM. Aceste viteze sunt clasificate fie în RPM critice majore, fie minore.

RPM critice majore și minore
RPM-urile critice majore și minore sunt diferite datorită faptului că unele armonici se ajută reciproc în producerea unor vibrații mari, în timp ce alte armonici se anulează reciproc. Prin urmare, RPM-urile critice importante au armonici care se construiesc unele pe altele pentru a amplifica mișcarea de torsiune a arborelui cotit. Aceste RPM critice sunt cunoscute sub numele de „critici majori”. În schimb, „criticile minore” există la RPM, care tind să anuleze și să amortizeze oscilațiile arborelui cotit.

În cazul în care RPM rămâne la sau aproape de unul dintre criticile majore pentru orice perioadă de timp, este posibilă defectarea la oboseală a arborelui cotit. RPM-urile critice majore sunt periculoase și trebuie fie evitate, fie amortizate corespunzător. În plus, problemele mai mici, dar încă grave, pot rezulta din arborele cotit neamortizat. Oscilația arborelui cotit la o viteză critică majoră va purta în mod obișnuit fulia manivelei frontale și volanta de la arborele cotit. Am asistat la tăierea butoanelor butucului roții din față, la volanele care se desprind și la capacele ambreiajului care se desfac. Aceste defecțiuni necesită adesea înlocuirea arborelui cotit și/sau a cutiei de viteze.

Amortizoare armonice
Defectarea arborelui cotit poate fi prevenită prin montarea unei forme de amortizor de vibrații la capătul frontal al arborelui cotit, care este capabil să absoarbă și să disipeze majoritatea energiei vibratoare. Odată absorbită de clapetă, energia este eliberată sub formă de căldură, făcând necesară o răcire adecvată. Această disipare a căldurii a fost vizibil esențială în PTG racing M3 al lui Tom Milner, care a canalizat aerul din conductele de frână către clapeta armonică, pentru a menține clapeta la temperaturi optime de funcționare. În timp ce există diferite tipuri de amortizoare de vibrații torsionale, motoarele BMW sunt proiectate în principal cu amortizoare „din cauciuc reglat”.


De asemenea, este important să rețineți că, în timp ce arcurile mari ale unei volante cu masă dublă absorb unele dintre impulsurile de torsiune transmise arborelui cotit, acestea nu sunt amortizoare armonice și sunt responsabile doar de o mică reducere a vibrațiilor.

În plus față de problema arborelui cotit, pot apărea și alte probleme din încetinirea accesoriilor sub viteza proiectată, în special la ralanti. Încetinirea alternatorului poate duce la încărcarea redusă a bateriei, diminuarea luminilor și defecțiuni ale computerului. Încetinirea pompei de apă și a ventilatorului poate duce la o funcționare caldă, în timp ce încetinirea servodirecției poate provoca o direcție rigidă la ralanti și zgomote. Este posibil să implementați corecții de proiectare și să evitați aceste scenarii, dar acest lucru ar necesita componente și/sau software suplimentare.
Motto-ul nostru la Dinan este „Performanță fără sacrificiu”. Credem că clienții noștri se așteaptă la performanțe extrem de ridicate, alături de confortul și fiabilitatea legendare ale unui BMW standard.

Deși este obișnuit ca un BMW Dinan să fie cel mai rapid BMW pe care îl puteți cumpăra, performanța nu este singurul nostru obiectiv. Dinan nu încearcă doar să facă cea mai rapidă mașină. În schimb, o serie de considerații merg în dezvoltarea produselor noastre. Dinan depune mult mai mult efort în aceste alte domenii decât concurența noastră.
Aceste considerații sunt performanța, fiabilitatea (garanția), conducerea, emisiile, valoarea, ajustarea și finisarea. Considerăm că scripetele de putere sunt o modalitate proastă de a obține o putere suplimentară de la motor și că potențialul de deteriorare gravă a motorului este prea mare.

Aceasta este o explicație simplificată menită să fie ușor de înțeles de către cei care nu sunt ingineri auto. În încercarea de a simplifica un subiect extrem de complex, a fost sacrificată o anumită precizie, deși credem că această explicație este cât se poate de exactă. Încurajăm clienții noștri să se educe și să înțeleagă after-market-ul auto, deoarece credem că produsele noastre sunt cele mai bune produse cercetate, proiectate și fabricate disponibile.

Pentru cei interesați de o explicație mai aprofundată și tehnică a acestui subiect, cartea de referință este Advanced Engine Technology, scrisă de Heinz Heisler MSc, BSc, FIMI, MIRTE, MCIT. Heinz Heisler este șeful studiilor de transport la Colegiul din nord-vestul Londrei. Cartea sa este distribuită în această țară de SAE (Society of Automotive Engineers).