Βολάν διπλής μάζας, τι είναι και πως λειτουργεί!

Από την συμβατική απόσβεση στρέψης τα βολάν διπλής μάζας περιορίζουν τους κραδασμούς και συμβάλλουν σε πιο ποιοτικά χαρακτηριστικά κίνησης ενός αυτοκινήτου…

Η ταχεία εξέλιξη της τεχνολογίας των αυτοκινήτων τις τελευταίες δεκαετίες, έχει σαν αποτέλεσμα νέας γενιάς κινητήρες με σημαντικά υψηλότερη απόδοση και ταυτόχρονη απαίτηση για αυξημένη οδηγική άνεση. Από την άλλη, η βελτιωμένη και μελετημένη αεροδυναμική σε συνδυασμό με την μείωση του βάρους επιτρέπουν ως ένα βαθμό άλλες πηγές θορύβου να γίνουν αντιληπτές από τον οδηγό. Επίσης, οι εξαιρετικά χαμηλότερες στροφές λειτουργίας των κινητήρων χάρη στα νέας γενιάς μετάδοσης που χρησιμοποιούν ελαφρά λιπαντικά συμβάλλουν σε αυτό το φαινόμενο.

Από τα μέσα του 1980 η εξέλιξη του αυτοκινήτου προς το πιο αθόρυβο έχει ωθήσει τον κλασσικό αποσβεστήρα -που αποτελεί εσωτερικό σύστημα του συμπλέκτη- στα όρια του. Με το ίδιο, ή ακόμα και μικρότερο διαθέσιμο χώρο, ο κλασσικός αποσβεστήρας αποδείχθηκε ανεπαρκής για να αντιμετωπίσει τις συνεχώς αυξανόμενες ροπές. Έτσι, εκτενής εξέλιξη από την LUK (του ομίλου Schaeffler) είχε σαν αποτέλεσμα μια απλή αλλά πολύ αποτελεσματική λύση : το βολάν διπλής μάζας (ΒΔΜ), μια νέα ιδέα απόσβεσης κραδασμών στρέψης για την μετάδοση.

Η διάρθρωση των ελατηρίων στα πρώτης γενιάς ΒΔΜ ήταν ίδια με την αντίστοιχη των συμβατικών αποσβεστήρων, όπου τα ελατήρια πίεσης τοποθετούνται σε ακτινική κατεύθυνση κοντά στο κέντρο και μπορούν έτσι να προσφέρουν περιορισμένη δυνατότητα απόσβεσης. Αυτός ο σχεδιασμός ήταν επαρκής για την απομόνωση κραδασμών σε έναν 6κύλινδρο κινητήρα καθώς παράγει χαμηλές ταχύτητες συντονισμού. Σε αντίθεση, οι 4- κύλινδροι κινητήρες παράγουν μεγαλύτερες ανωμαλίες στην κίνηση και ως εκ τούτου, υψηλότερες στροφές συντονισμού. Η επανατοποθέτηση των ελατηρίων προς την εξωτερική πλευρά και η χρήση ελατηρίων πίεσης μεγάλων διαμέτρων αύξησε την απόσβεσης 5 φορές χωρίς την απαίτηση περισσότερου χώρου.

Επίσης, οι περιοδικοί κύκλοι καύσης του 4 χρονου κινητήρα δημιουργούν αυξομειώσεις της ροπής οι οποίες επιτρέπουν περιστροφικούς κραδασμούς να περάσουν στο σύστημα μετάδοσης. Ο προκύπτων θόρυβος και οι κραδασμοί, όπως χτύπημα από τα γρανάζια, από το αμάξωμα ή από τους κραδασμούς της αλλαγής του φορτίου, έχουν σαν αποτέλεσμα κακή συμπεριφορά ηχομόνωσης και οδηγικής άνεσης. Ο στόχος όταν κατασκευάστηκε το ΒΔΜ ήταν λοιπόν η απομόνωση όσο το δυνατόν περισσότερο της μετάδοσης από τους περιστροφικούς κραδασμούς που προκαλούνται από την περιστρεφόμενη μάζα του κινητήρα. Λόγω αυτού του εσωτερικού συστήματος απόσβεσης, το βολάν διπλής μάζας απορροφά σχεδόν ολοκληρωτικά αυτούς τους περιστροφικούς κραδασμούς. Το αποτέλεσμα: πολύ καλή απόσβεση κραδασμών.

Διαβάστε για την τεχνολογία του αυτορυθμιζόμενου συμπλέκτη!

O σχεδιασμός του βολάν διπλής μάζας

Ένα κανονικό βολάν διπλής μάζας αποτελείται από την πρωτεύουσα μάζα βολάν (1) και τη δευτερεύουσα μάζα βολάν (6). Οι δυο ξεχωριστές μάζες ενώνονται μέσω ελατηρίων/αποσβεστήρων και στηρίζονται από ένα σφαιρικό έδρανο ή κουζινέτο (2) ώστε να μπορούν να περιστρέφονται μεταξύ τους.

Η πρωτεύουσα μάζα με το γρανάζι εκκίνησης οδηγείται από τον κινητήρα και είναι σφικτά βιδωμένη πάνω στο στρόφαλο. Συμπεριλαμβάνει, μαζί με το πρωτεύον κάλυμμα (5) μια κοιλότητα που σχηματίζει το κανάλι του τοξοειδούς ελατηρίου. Στην καρδιά του συστήματος απόσβεσης/ελατηρίου βρίσκονται τα τοξοειδή ελατήρια (3). Βρίσκονται σε οδηγούς στα κανάλια των τοξοειδών ελατηρίων και εκπληρώνουν τις απαιτήσεις ενός ιδανικού ακτινικού αποσβέστη.

Οι οδηγοί εξασφαλίζουν σωστή οδήγηση των ελατηρίων κατά τη λειτουργία και το γράσο γύρω από τα ελατήρια μειώνει τη φθορά μεταξύ των οδηγών, των καναλιών και των ελατηρίων. Η ροπή μεταφέρεται μέσω της φλάντζας (4). Η φλάντζα είναι περτσινωμένη στο δευτερεύον βολάν με τα δυο πτερύγια να βρίσκονται μεταξύ των τοξοειδών ελατηρίων.

Το δευτερεύον βολάν βοηθάει στην αύξηση της μάζας αδρανείας στην πλευρά του κιβωτίου. Αεραγωγοί εξασφαλίζουν καλύτερη απαγωγή θερμότητας. Καθώς το ΒΔΜ έχει ενσωματωμένο ένα σύστημα ελατηρίων/αποσβεστήρων, ένας συμπαγής δίσκος χρησιμοποιείται συνήθως χωρίς αποσβεστήρα στροφής.

Η λειτουργία του βολάν διπλής μάζας

Η αρχή λειτουργίας του ΒΔΜ είναι απλή αλλά πολύ αποτελεσματική. Λόγω της επιπρόσθετης μάζας στον άξονα εισόδου της μετάδοσης, το εύρος των κραδασμών της ροπής, που βρίσκεται συνήθως μεταξύ 1200 σαλ και 2400 σαλ με τους αρχικούς αποσβεστήρες, μετακινείται σε χαμηλότερο εύρος ταχύτητας συντονισμού. Αυτό εξασφαλίζει εξαιρετική απόσβεση των κραδασμών του κινητήρα ακόμα και στο ρελαντί.

Με συμβατικό βολάν. Στο σχεδιασμό που ήταν προηγουμένως κοινός με ένα συμβατικό βολάν και συμπλέκτη με αποσβεστήρα, οι περιστροφικοί κραδασμοί στην περιοχή του ρελαντί μεταφέρονται πρακτικά αφιλτράριστοι στο κιβώτιο, προκαλώντας τις άκρες των οδοντώσεων των γραναζιών να χτυπούν μεταξύ τους.

Με βολάν διπλής μάζας. Αντίθετα το σύστημα αποσβεσης/ελατηρίων του ΒΔΜ φιλτράρει τους κραδασμούς που προκαλούνται από τον κινητήρα. Αυτό αποτρέπει τα εξαρτήματα του κιβωτίου να χτυπήσουν μεταξύ τους – τριξίματα δεν εμφανίζονται και οι απαιτήσεις του πελάτη για υψηλότερη άνεση επιτυγχάνονται.

Μεταφορά ακτινικού κραδασμού

Με συμβατικό βολάν. Στο σχεδιασμό που ήταν προηγουμένως κοινός με ένα συμβατικό βολάν και συμπλέκτη με αποσβε στήρα, οι περιστροφικοί κραδασμοί στην περιοχή του ρελαντί μεταφέρονται πρακτικά αφιλτράριστοι στο κιβώτιο, προκαλώντας τις άκρες των οδοντώσεων των γραναζιών να χτυπούν μεταξύ τους.

Με βολάν διπλής μάζας. Αντίθετα το σύστημα αποσβεσης/ελατηρίων του ΒΔΜ φιλτράρει τους κραδασμούς που προκαλούνται από τον κινητήρα. Αυτό αποτρέπει τα εξαρτήματα του κιβωτίου να χτυπήσουν μεταξύ τους – τριξίματα δεν εμφανίζονται και οι απαιτήσεις του πελάτη για υψηλότερη άνεση επιτυγχάνονται.

 Τα εξαρτήματα του βολάν διπλής μάζας

Το πρωτεύον βολάν είναι συνδεδεμένο στο στρόφαλο του κινητήρα. Η αδράνεια του πρωτεύοντος βολάν συνδυάζεται με την αντίστοιχη του στροφάλου για να δημιουργήσουν μια συνολική. Σε σύγκριση με ένα συμβατικό βολάν, η πρωτεύουσα μάζα ενός ΒΔΜ είναι σημαντικά πιο εύκαμπτη, γεγονός που βοηθάει στην απορρόφηση του φορτίου του στροφάλου. Επιπλέον, η πρωτεύουσα μάζα -μαζί με το πρωτεύον κάλυμμα- σχηματίζουν τους οδηγούς των τοξοειδών ελατηρίων που τυπικά διαιρούνται σε δυο τομείς, διαχωρισμένοι από τα τέρματα των τοξοειδών ελατηρίων.

Μέσω του δευτερεύοντος βολάν, το ΒΔΜ συνδέεται στη μετάδοση στην πλευρά του κιβωτίου. Σε αλληλεπίδραση με το συμπλέκτη, η δευτερεύουσα μάζα μεταφέρει τη διαμορφωμένη ροπή μακριά από το ΒΔΜ. Το πλατό είναι βιδωμένο στην εξωτερική του πλευρά. Μετά την σύμπλεξη του συμπλέκτη, ο εσωτερικός μηχανισμός των ελατηρίων πιέζει το δίσκο ενάντια στην επιφάνεια τριβής της δευτερεύουσας μάζας. Η ροπή μεταφέρεται μέσω τριβής. Η μάζα του δευτερεύοντος βολάν αποτελείται κυρίως από τη δευτερεύουσα μάζα και τη φλάντζα. Η ροπή μεταφέρεται μέσω των πτερυγίων της φλάντζας που βρίσκονται ανάμεσα στα τοξοειδή ελατήρια (αναφ. 3.4).

Ρουλεμάν

Θέση ρουλεμάν. Το ρουλεμάν είναι τοποθετημένο στο πρωτεύον βολάν. Το πρωτεύον και το δευτερεύον βολάν συνδέονται μεταξύ τους μέσω ενός στροφέα ρουλεμάν. Υποστηρίζει τις δυνάμεις του βάρους που εφαρμόζονται από το δευτερεύον βολάν και το πλατό. Την ίδια στιγμή, δέχεται το φορτίο αποσύμπλεξης που εφαρμόζεται στο ΒΔΜ κατά την αποσύμπλεξη του συμπλέκτη. Το ρουλεμάν όχι μόνο επιτρέπει τα δυο βολάν να περιστρέφονται το ένα ενάντια στο άλλο, αλλά επιπλέον επιτρέπει και μια μικρή κλίση μεταξύ τους (ταλάντευση).

Δυο διαφορετικοί τύποι ρουλεμάν μπορεί να χρησιμοποιηθούν σε ένα ΒΔΜ. Από νωρίς, τα ένσφαιρα ρουλεμάν χρησιμοποιήθηκαν, και η συνεχής εξέλιξη τους βοήθησε στην εξασφάλιση εξαιρετικής αντοχής. Η περαιτέρω τεχνική βελτίωση εισήγαγε το μικρού μεγέθους ένσφαιρο ρουλεμάν, μετά το κουζινέτο, που σήμερα αποτελεί την πλειοψηφία των σχεδίων του ΒΔΜ.

Φλάντζα

Ο ρόλος της φλάντζας είναι να μεταφέρει τη ροπή από το πρωτεύον βολάν μέσω των τοξοειδών ελατηρίων στο
δευτερεύον βολάν, με άλλα λόγια, από τον κινητήρα στο συμπλέκτη. Η φλάντζα είναι περτσινωμένη στο δευτερεύον βολάν με τα δυο πτερύγια να βρίσκονται μεταξύ των οδηγών των τοξοειδών ελατηρίων της πρωτεύουσας μάζας. Το κενό μεταξύ των τερμάτων των τοξοειδών ελατηρίων και των οδηγών τους είναι αρκετά μεγάλο ώστε να επιτρέπει την περιστροφή της φλάντζας.

Συμπαγής φλάντζα. Στη συμπαγή έκδοση, η φλάντζα είναι περτσινωμένη στο δευτερεύον βολάν. Για να βελτιωθεί η απόσβεση των κραδασμών τα πτερύγια της φλάντζας είναι σχεδιασμένα διαφορετικές συμμετρίες. Η απλούστερη μορφή είναι η συμμετρική φλάντζα, όπου οι πλευρές πίεσης και ώθησης είναι ίδιες. Έτσι, το φορτίο εφαρμόζεται στα τοξοειδή ελατήρια μέσω των εξωτερικών αλλά και των εσωτερικών περιοχών του τέρματος της σπείρας.

Φλάντζα με εσωτερικό αποσβεστήρα. Το κλειδί στη λειτουργία του ΒΔΜ είναι να απομονώνει τη μετάδοση από τους κραδασμούς που δημιουργούνται από τον κινητήρα. Για να αντεπεξέλθουν στην συνεχή αύξηση της ροπής των κινητήρων, ενώ ο χώρος τοποθέτησης παραμένει ο ίδιος, οι καμπύλες στα διαγράμματα των τοξοειδών ελατηρίων πρέπει να είναι πιο απότομες. Συνεπώς, η δυνατότητα απορρόφησης κραδασμών χειροτερεύει. Η χρήση εσωτερικών αποσβεστήρων χωρίς τριβή βοήθησε στην βελτίωση της εξάλειψης των κραδασμών κατά την επιτάχυνση. Η φλάντζα και τα πλαϊνά πλαίσια είναι σχεδιασμένα με παράθυρα για τα ελατήρια τα οποία στεγάζουν απευθείας τα ελατήρια πίεσης. Τα άριστα χαρακτηριστικά απόσβεσης κραδασμών του ΒΔΜ με εσωτερικό αποσβεστήρα είναι εγγυημένα ακόμα και για υψηλότερο εύρος ροπών.

Σε υψηλές ταχύτητες του κινητήρα, οι εμφανιζόμενες φυγοκεντρικές δυνάμεις πιέζουν τα τοξοειδή ελατήρια προς το εξωτερικό κόντρα στους οδηγούς και το σπείρωμα αδρανεί. Συνεπώς, το τοξοειδές ελατήριο σκληραίνει και η λειτουργία του εν μέρει χάνεται. Με σκοπό τη διατήρηση επαρκούς δράσης των ελατηρίων, τοποθετούνται ίσια ελατήρια συμπίεσης στη φλάντζα. Λόγω της μικρότερης μάζας και της τοποθέτησης τους σε μικρότερη ακτίνα, αυτά τα ελατήρια υπόκεινται σε χαμηλότερες φυγοκεντρικές δυνάμεις. Επιπρόσθετα, το σχήμα κυρτής καμπύλης στην επάνω ακμή του παραθύρου των ελατηρίων βοηθάει στην ελαχιστοποίηση των τριβών. Αυτό εξασφαλίζει πως ούτε η τριβή αλλά ούτε και το αποτελεσματικό εύρος των ελατηρίων θα αλλάξει καθώς ανεβαίνουν οι στροφές του κινητήρα.

Φλάντζα με συμπλέκτη τριβής. Αντίθετα με τη συμπαγή φλάντζα, αυτός ο τρίτος τύπος της φλάντζας δεν είναι περτσινωμένος στο δευτερεύον βολάν. Η φλάντζα είναι σχεδιασμένη σαν διάφραγμα. Το διάφραγμα συγκρατείται στη θέση του από δυο πλάκες συγκράτησης στο άκρο. Με αυτό τον τρόπο, σχηματίζεται μια διάταξη τύπου φουρκέτας όπως φαίνεται στην τομή. Η προκύπτουσα ροπή τριβής μεταξύ της διάταξης στερέωσης και του διαφράγματος εξασφαλίζει μια αξιόπιστη μετάδοση της ροπής του κινητήρα. Την ίδια στιγμή, ο συμπλέκτης που πατινάρει αποτρέπει το ΒΔΜ να υπερθερμανθεί.

Δίσκος ελέγχου τριβής

Σε μερικά μοντέλα βολάν διπλής μάζας, υπάρχει μια επιπρόσθετη συσκευή τριβής – ο δίσκος ελέγχου τριβής (1). Η πλάκα ελέγχου τριβής έχει μια γωνία συναρμογής, κάτι που συνεπάγεται πως η επιπλέον τριβή επεμβαίνει σε μεγαλύτερες γωνίες στροφής. Αυτό παρέχει επιπλέον απόσβεση κατά τη λειτουργία, πχ κατά την εκκίνηση ή την αλλαγή φορτίου.

Τοξοειδή ελατήρια

Τα συστήματα των ΒΔΜ βοηθούν στη βελτίωση της συμπεριφοράς θορύβων του οχήματος χρησιμοποιώντας ειδικούς σχεδιασμούς αποσβεστήρων. Σαν άμεσο αποτέλεσμα, παράγεται λιγότερος θόρυβος και η κατανάλωση καυσίμου μειώνεται. Για να έχουμε την ιδανική εκμετάλλευση του διαθέσιμου χώρου, ένα ελικοειδές ελατήριο με μεγάλο αριθμό σπειρών τοποθετείται σε ημικυκλική θέση. Το αποκαλούμενο τοξοειδές ελατήριο βρίσκεται μέσα στο κανάλι του ΒΔΜ και υποστηρίζεται από έναν οδηγό. Κατά τη λειτουργία, οι σπείρες από τα τοξοειδή ελατήρια γλιστράνε κατά μήκος των οδηγών και δημιουργούν τριβή, οπότε και απόσβεση. Για να αποφευχθεί η
φθορά στα τοξοειδή ελατήρια, οι επιφάνειες κύλισης έχουν λίπανση. Το βελτιωμένο σχήμα των οδηγών των ελατηρίων βοηθάει στη μείωση της τριβής σημαντικά. Εκτός της βελτιωμένης απόσβεσης κραδασμών, τα τοξοειδή ελατήρια βοηθούν στη μείωση της φθοράς.

Πλεονεκτήματα του τοξοειδούς ελατηρίου:
• υψηλή τριβή σε μεγάλες γωνίες στροφής (εκκίνηση) και χαμηλή τριβή σε μικρές γωνίες στροφής (επιτάχυνση)
• χαμηλή σκληρότητα ελατηρίου που οφείλεται σε καλή και ευέλικτη χρήση του διαθέσιμου χώρου χωρίς επίπτωση στην απόσβεση (ελατήριο απόσβεσης)

Εξαιτίας της διαφορετικότητας στο σχεδιασμό των τοξοειδών ελατηρίων, ένα ΒΔΜ μπορεί να κατασκευαστεί για να ταιριάζει ακριβώς στα εκάστοτε χαρακτηριστικά των φορτίων του κάθε αυτοκινήτου. Χρησιμοποιούνται τοξοειδή ελατήρια διαφορετικών σχεδιασμών και χαρακτηριστικών. Στην πράξη, οι τύποι των ελατηρίων εφαρμόζονται με διαφορετικούς συνδυασμούς και οι πιο συχνοί τύποι είναι:
• Ελατήρια μονού σταδίου
• Ελατήρια δυο σταδίων είτε σε παράλληλη διευθέτηση με διαφορετικές διατάξεις είτε σε γραμμική παράταξη
• Ελατήρια απόσβεσης

Βελτίωση κινητήρα

Η βελτίωση με τσιπ είναι ένα γρήγορος, εύκολος και μάλλον φθηνός τρόπος αύξησης της απόδοσης του κινητήρα. Με ένα σχετικά μικρό ποσό χρημάτων, μπορείτε να αυξήσετε την ισχύ του κινητήρα μέχρι 30%. Τα στοιχεία που δεν λαμβάνονται υπόψιν κανονικά είναι αν ο κινητήρας είναι ικανός να αντέξει υψηλότερες αποδόσεις πχ θερμική υπερφόρτωση, και αν το υπόλοιπο σύστημα μετάδοσης μπορεί να αντέξει την αύξηση της ροπής / απόδοσης.

Συνήθως, το σύστημα απόσβεσης κραδασμών του ΒΔΜ, όπως και τα υπόλοιπα εξαρτήματα στη μετάδοση, είναι σχεδιασμένο για τον αντίστοιχο κινητήρα. Σε πολλές περιπτώσεις τα περιθώρια ασφαλείας του βολάν διπλής μάζας εξαλείφονται ή ακόμα και ξεπερνιούνται από μια αύξηση ροπής καμιά φορά και πάνω από 30%. Σαν αποτέλεσμα, τα τοξοειδή ελατήρια μπορεί να συμπιεστούν πλήρως ήδη κατά τη διάρκεια της κανονικής οδήγησης, γεγονός που επιδεινώνει την ηχομόνωση και μπορεί να κάνει το αυτοκίνητο να σκορτσάρει.

Καθώς αυτή είναι η περίπτωση στα μισά της συχνότητας καύσης, σύντομα, πολύ υψηλά φορτία θα παραχθούν και θα μεταφερθούν όχι μόνο στο ΒΔΜ, αλλά επίσης και στη μετάδοση, κάτι που θα είχε σαν αποτέλεσμα ζημιά στα ημιαξόνια και στο διαφορικό. Η βλάβη εκτείνεται από αυξημένη φθορά μέχρι καταστροφική αστοχία που έχει σαν αποτέλεσμα μια πολύ ακριβή επισκευή. Το σημείο λειτουργίας του βολάν διπλής μάζας μετακινείται προς το από θεμα ασφαλείας λόγω της αύξησης της ισχύος του κινητήρα.

Κατά τη διάρκεια της οδήγησης, το βολάν διπλής μάζας είναι μόνιμα υπερφορτωμένο από τις υψηλότερες ροπές του κινητήρα. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τα ελατήρια αποσβεστήρες στο βολάν διπλής μάζας να λειτουργούν σε πλήρες φορτίο πιο συχνά από ότι είναι σχεδιασμένα να το κάνουν. Η συνέπεια: το βολάν διπλής μάζας μπορεί να καταστραφεί!

Είναι αλήθεια πως πολλοί βελτιωτές δίνουν εγγύηση στο αυτοκίνητο όταν αυξάνουν την ισχύ. Αλλά τι γίνεται όταν λήξει η περίοδος της εγγύησης; Η αύξηση στην ισχύ εξόδου μπορεί να καταστρέψει άλλα εξαρτήματα στην μετάδοση αργά αλλά συνεχώς. Μερικές φορές αυτά τα εξαρτήματα θα δυσλειτουργήσουν αργότερα (μετά τη λήξη οποιασδήποτε εγγύησης) που σημαίνει πως τα κόστη επισκευής θα επιβαρύνουν τον πελάτη.

Πηγή:  schaeffler-aftermarket.com