Wolne koło INA przeciw drganiom

Bywają drgania pożyteczne, lecz dużo częściej są one szkodliwe i trzeba z nimi walczyć. W układzie napędu osprzętu silnika do walki tej służy m.in. opracowane przez firmę INA wolne koło alternatora.

Okresowe nieregularności obrotów wału korbowego wynikają z natury działania silnika korbowo- tłokowego. Naturalnym jest również, że poprzez napęd pasowy są one przenoszone na elementy osprzętu silnika.

Przyspieszanie i zwalnianie

Nieregularności te biorą się z samej zasady pracy silnika. Otóż podczas suwu pracy wał korbowy zyskuje przyspieszenie, natomiast podczas suwów sprężania i wydechu jest wyhamowywany (doznaje opóźnienia kątowego). W jednostkach czterocylindrowych częstotliwość owych nieregularności wynika z 2 suwów przypadających na jeden obrót wału korbowego, tzn. także dwóch zapłonów podczas jednego pełnego obrotu wału korbowego. W efekcie zjawisko zmiany prędkości obrotowej wału silnika o 4 cylindrach, gdy wał wiruje ze średnią prędkością 800 obr/min, zachodzi z częstotliwością 26,7 Hz. Dodać tu jeszcze wypada, iż w przypadku jednostki wysokoprężnej owe zmiany (nieregularność prędkości) mogą sięgać 40-procent, a to oznacza że przy wspomnianej średniej (pokazywanej przez obrotomierz) prędkości wynoszącej 800 obr/min jej chwilowa wartość oscyluje między 640 a 960 obr/min.

Całe to zjawisko sprawia, że masy wirujące znajdujące się w napędzie osprzętu również nieustannie doznają przyspieszenia i opóźnienia. Ma to oczywiście negatywny wpływ na napęd osprzętu, gdyż jest przyczyną uciążliwego hałasu, dużych sił działających na pasek i napinacz, wibracji paska, jego przedwczesnego zużycia

Element o największym wpływie

Zauważyć w tym miejscu należy, że każdy z elementów napędu osprzętu i samego osprzętu wpływa na zachowanie układu. Największy wpływ ma jednak element o największym momencie bezwładności, a jest nim alternator. Jego dominujące znaczenie zwiększa się tym bardziej, że rosnące zapotrzebowanie na zasilanie elektryczne powoduje, iż stosowane są coraz większe alternatory, a więc o coraz większym momentem bezwładności. Aby zatem zminimalizować wpływ alternatora na układ napędu osprzętu, a jednocześnie uchronić sam alternator przed drganiami skrętnymi wału korbowego, we współczesnych samochodach używa się wolnego koła alternatora (OAP – overrunning alternator pulley), czyli koła z wbudowanym sprzęgiełkiem jednokierunkowym.

Wspomnijmy jeszcze, że we współczesnych silnikach korbowo-tłokowych urządzenia pomocnicze są z reguły napędzane paskiem wielorowkowym. Nowoczesne napędy tego rodzaju nie wymagają dodatkowej obsługi, a ich okres bezawaryjnej eksploatacji wynosi około 240 000 km. Przypomnijmy także, iż pierwsze wolne koła pasowe (OAP) zostały wprowadzone przez koncern INA w 1996 roku i od tego czasu pomagają wydłużyć okres eksploatacji elementów napędu pomocniczego.

Jak działa wolne koło

Efekt wysprzęglania uzyskiwany dzięki wolnemu kołu wynika z energii kinetycznej wirnika alternatora wyprzedzającego koło pasowe hamowane przez pasek i występuje zazwyczaj przy prędkościach obrotowych silnika poniżej 2000 obr/min. Zależy on w dużym stopniu od koncepcji napędu, amplitudy nieregularności obrotów wału korbowego, elastyczności paska, obciążenia elektrycznego alternatora i jego momentu bezwładności. W rezultacie przy nieregularnych obrotach wału korbowego alternator jest napędzany jedynie podczas ruchu przyspieszającego. W trakcie zmiany biegów wirnik alternatora dzięki kołu ze sprzęgiełkiem także odłączany jest od zmniejszającego swe obroty wału napędowego. Zapobiega to niepożądanym hałasom spowodowanym poślizgiem paska.

Pobór prądu przez urządzenia elektryczne powoduje zwalnianie alternatora. Tym samym różnica prędkości pomiędzy wirnikiem alternatora i paskiem wieloklinowym ulega niewielkiemu zmniejszeniu w miarę wzrostu obciążenia alternatora. Nie wpływa to jednakże niekorzystnie na efekt optymalizujący osiągany dzięki wolnemu kołu alternatora.

Wolne koło alternatora stosowane przy nowej generacji silnikach napędzających samochody osobowe musi bezawaryjnie pracować przez cały okres eksploatacji napędu osprzętu. Nie wolno przy tym zastępować go tzw. stałym kołem napędu alternatora, ponieważ generowane przez silnik drgania skrętne przeniesione do układu napędu osprzętu powodują przyśpieszanie i opóźnianie kątowe wirujących komponentów wchodzących w skład tego napędu.

Podwójne obciążenie

Jak zostało już wspomniane jednym z zasadniczych elementów osprzętu jest alternator, gdyż ze względu na swoją moc ma dużą bezwładność, co wynika z dużej masy wirnika. Poza bezwładnością mechaniczną, alternator obciąża pasek również momentem wynikającym z siły elektrodynamicznej. To dwojakie obciążenie plus drgania skrętne pochodzące od silnika nieuchronnie powodują wydłużanie i skracanie się paska. Tym samym pasek ulega obciążeniom mechanicznym i rozgrzewa się. Od niego z kolei temperatura przenosi się na łożyska rolek. Prawidłowo działające wolne koło pasowe przenosi napęd na alternator w momentach, gdy wał korbowy doznaje przyspieszeń, zaś przy opóźnieniach kręci się luźno. Przeciwdziała ono w ten sposób wspomnianym przeciążeniom paska i komponentów napędu osprzętu. Jeśli nie działa właściwie (np. z powodu naturalnego zużycia) i nie zostanie wymienione razem z paskiem i rolkami, to należy się liczyć, że po niedługim czasie zablokuje się. A wtedy znacząco wzrosną obciążenia termiczne i mechaniczne paska oraz pozostałych elementów napędu osprzętu, co negatywnie musi odbić się na ich trwałości i niezawodności.

 Na podstawie materiałów firmy Schaeffler.