Tłumienie wahadłem

Coraz wydajniejsze silniki wymagają coraz bardziej efektywnych systemów tłumienia drgań skrętnych Dwumasowe koło zamachowe z odśrodkowym tłumikiem wahadłowym to jedno z rozwiązań opracowanych przez specjalistów firmy LuK.

O tym, że konstrukcje silników współczesnych samochodów są coraz bardziej zaawansowane nie trzeba nikogo przekonywać. Jednostki napędowe mają coraz lepsze osiągi, a także zapewniają coraz niższą toksyczność spalin. Nowym trendem w konstrukcjach silnikowych jest downsizing, czyli zmniejszanie pojemności skokowej silników, przy jednoczesnym zwiększaniu ich mocy jednostkowej. Wszystko po to, by zapewnić jak najmniejsze zużycie paliwa, a tym samym możliwie najmniejszą emisję spalin. Konstruktorzy redukują również liczbę cylindrów. I tak np. wszystko wskazuje na to, że w zakresie mocy od 70 do 100 kW – silniki czterocylindrowe, które stanowią obecnie standard, zostaną wyparte przez jednostki trzycylindrowe. Charakterystyczne zaś dla samochodów klasy średniej jednostki sześciocylindrowe zostaną zastąpione przez motory czterocylindrowe. Z kolei w małych miejskich samochodach coraz częściej stosowane będą silniki dwucylindrowe.
Oczywiście nabywcy samochodów oczekują, że nowe auta będą gwarantowały im odpowiednio wysokie osiągi, przy zachowaniu jak najlepszej ekonomiki jazdy. Dlatego też zmniejszaniu silników towarzyszy coraz częściej stosowane doładowanie zapewniające wyższy moment obrotowy. Konstruktorzy silników robią również wszystko, by przebieg momentu był jak najbardziej płaski, bo zapewnia to jednostce napędowej wysoką elastyczność. Wysoki moment obrotowy uzyskiwany przy stosunkowo niskiej prędkości obrotowej pozwala na jazdę z niższą przeciętną prędkością obrotową silnika, a to przekłada się w znacznym stopniu na poziom zużycia paliwa.

Odśrodkowy, wahadłowy

Ale, jak to w życiu bywa, postęp często rodzi trudności, których wcześniej nie znano. Nie inaczej było w tym przypadku. Nowoczesne, wysilone silniki odznaczające się wysokim momentem obrotowym już przy stosunkowo niskiej prędkości obrotowej generują jednocześnie znaczne drgania skrętne wału korbowego. Powodują one hałas, zmniejszają płynność pracy układu przeniesienia napędu, przede wszystkim zaś mają niszczycielski wpływ na skrzynię biegów.
Przez wiele lat z drganiami skrętnymi radzono sobie stosując tłumiki w tarczy sprzęgła. Po wprowadzeniu nowoczesnych systemów zasilania w silnikach wysokoprężnych okazało się, że to tradycyjne rozwiązanie jest niewystarczające. Wówczas inżynierowie firmy LuK opracowali dwumasowe koło zamachowe, w którym umieszczono układ tłumiący drgania. Konstruowanie coraz bardziej wydajnych silników sprawiło, że udoskonalane są również dwumasowe koła zamachowe, tak by mogły sprostać coraz większym drganiom skrętnym wału korbowego. Jenym z rozwiązań proponowanym przez inżynierów LuK jest odśrodkowy, wahadłowy tłumik drgań zwany w skrócie CPA (centrifugal pendulum-type absorber).

Od pomysłu do przemysłu

Pomysł nie jest nowy. Mówiąc ściślej, rozwiązanie to jest znane od 80 lat, bowiem zostało opatentowane w 1931 roku przez francuskiego inżyniera Raoula Rolanda Raymonda Sarrazina. Nie wdając się w dość skomplikowane definicje fizyczne i mówiąc bardzo skrótowo: odśrodkowy wahadłowy tłumik drgań potrafi absorbować wibracje w bardzo szerokim zakresie prędkości obrotowej. Dzieje się tak dlatego, że masy tego tłumika poddane są sile odśrodkowej i zmieniają częstotliwość drgań własnych proporcjonalnie do prędkości obrotowej. Teoretycznie tłumik CPA mógłby więc całkowicie zastąpić dwumasowe koło zamachowe, jednak musiałby mieć tak znaczną średnicę i tak duże masy owych wahadeł, że jest to ze względów konstrukcyjnych po prostu niemożliwe. Jednak połączenie dwumasowego koła zamachowego wyposażonego w sprężyny łukowe z odśrodkowym tłumikiem wahadłowym stwarza rozwiązanie niemal doskonałe. Wszystkie drgania nie wytłumione przez DKZ są bowiem ostatecznie „odcinane” przez drugi stopień systemu tłumienia, czyli tłumik CPA, który dzięki wstępnej redukcji drgań przez koło dwumasowe, może zachować swoją skuteczność przy stosunkowo niewielkiej średnicy i małej masie zastosowanych wahadeł. W efekcie praktycznie żadne drgania skrętne nie są transmitowane na układ przeniesienia napędu nawet przy najniższych prędkościach obrotowych. Przy prędkości obrotowej silnika 1500 obr/min dwumasowe koło zamachowe z CPA pozwala ograniczyć wibracje o 99%.

Pozornie budowa tłumika CPA jest bardzo prosta. Składa się on z kołnierza, po obu stronach którego przymocowane są masy. Masy spięte są tulejkami, które z kolei mogą swobodnie się przemieszczać po ściśle określonym torze, dzięki specjalnym nerkowatym otworom w kołnierzu. Oczywiście za pozornie prostą konstrukcją kryje się zaawansowana technologia, ponieważ całość wymaga niezwykle precyzyjnej obróbki oraz dokładnego wyważenia wahadełek.

Mniej paliwa

Zastosowanie dwustopniowego systemu tłumienia drgań DMF+CPA pozwala zmniejszyć zużycie paliwa. Doskonalsza izolacja wibracji pozwala bowiem na ekonomiczniejszą jazdę z niższą prędkością obrotową. Rozwiązanie to zostało docenione przez prasę motoryzacyjną. W tekście opisującym test BMW 320de zamieszczonym w magazynie Auto Motor und Sport można m.in. przeczytać: „nawet przy prędkości obrotowej 1000 obr/min nic nie hałasuje – dobra robota”.

Zdaniem przedstawicieli firmy LuK dwumasowe koła zamachowe z tłumikiem CPA staną się standardowym rozwiązaniem w samochodach, w który szczególny nacisk kładzie się na komfort jazdy. A jak zazwyczaj z nowymi rozwiązaniami w motoryzacji bywa, to co na początku stosowane jest w samochodach luksusowych, z czasem upowszechnia się i staje się standardem również w mniej ekskluzywnych pojazdach.

Na podstawie materiałów Schaeffler Group
(LuK, INA, FAG)