MOTORES TEMA 4.1 introducción Sistema Distribución

 Se define al Sistema de Distribución como el conjunto de órganos mecánicos que regulan la entrada y salida de gases en el Cilindro. Para conseguir un perfecto funcionamiento del Sistema en un motor 4 Tiempos deberán producirse las aperturas y cierres Válvulas en los momentos oportunos, establecidos por el Diagrama de la Distribución con arreglo a la posición del Pistón dentro del Cilindro y en sincronía con el giro del Cigüeñal.

 En los motores 2 Tiempos, el Sistema de Distribución es diferente al de los motores de 4 Tiempos y más sencillo en cuanto a montaje y regulación, ya lo estudiaremos en la parte final de este Tema.

 Ya en el Tema 3 cuando estudiamos la Culata vimos una breve descripción del Sistema de Distribución puesto que generalmente, en los motores modernos, la Culata incorpora la casi totalidad de los componentes de la Distribución. Aún así, en este Tema estudiaremos cada elemento y cómo interactúan entre ellos.

 En la figura 1 vemos un Sistema de Distribución OHV, llamados así todos los que alojen el Árbol de Levas en el interior del Bloque Motor.

                                                                   Fig.1

 Podemos ver en la figura que el Árbol de Levas recibe el movimiento del piñón de mando del Cigüeñal por medio de una cadena. Aunque ya veremos más adelante todos los tipos de transmisión de movimiento que se utilizan. Cabe destacar que el Árbol de Levas gira a la mitad de revoluciones que el Cigüeñal, de ahí la diferencia de diámetros entre el piñón de mando del Cigúeñal y el piñón del Árbol de Levas.

 El Árbol de Levas está constituido por una serie de Levas cuyos salientes desplazan a los Taqués que a su vez dan movimiento a las Varillas Empujadoras, Balancines(que basculan en su Eje) y por último a las Válvulas, que son mantenidas contra su Asiento en la Cámara de Combustión por medio de sus respectivos Muelles de Cierre. En los motores con distribución convencional, es decir no Variable, el Árbol de Levas dispone de tantas Levas como Válvulas tenga el motor, y además suele formar parte de él la excéntrica que da movimiento a la Bomba de Alimentación de combustible y el piñón que hace lo propio con el Distribuidor de Encendido, algunos incluso dan movimiento a la Bomba de Aceite y a Depresores Neumáticos para diversos cometidos que ya estudiaremos.

 En la figura 2 vemos un Árbol de Levas como el que hemos descrito.

                                                                   Fig.2

 Los movimientos de subida y bajada del Taqué, propiciados por la Leva, son transmitidos al Balancín por medio de la Varilla o Empujador, que encaja uno de sus extremos en el interior del Taqué, y el otro en el Balancín. El Balancín, basculando en su eje, llamado Eje de Balancines, empuja por su otro extremo la Válvula por su Cola que, levantándose de su Asiento, dejando en comunicación la Cámara de Combustión con el Colector correspondiente, si es la Válvula de Admisión comunica con el Colector de Admisión, si es la Válvula de Escape pues comunica con el Colector de Escape.

 El Muelle de Cierre de cada Válvula se opone al movimiento de apertura y cuando el saliente de la Leva pasa del contacto con el Taqué, el Muelle retrae a la Válvula a su posición de reposo contra su Asiento, cortando la comunicación entre la Cámara de Combustión y el Colector correspondiente.

 Para el correcto funcionamiento de este Sistema, las Válvulas deben cerrar perfectamente y para asegurar este cierre debe dejarse un huelgo, a motor frío, entre la Cola de la Válvula y la punta del Balancín que actúa sobre ella, de forma que la dilatación de la Culata, la Válvula y el Balancín por el calor del funcionamiento motor no haga que la Válvula quede "pisada", esto es, si el huelgo no fuera el suficiente, con el motor en su temperatura de funcionamiento óptima, llamada Temperatura de Régimen, las Válvulas no cerrarían bien contra sus Asientos produciéndose Fugas de Gases en las Fases de Compresión, perdiendo considerablemente el rendimiento del motor. A este Huelgo entre Balancín y Válvula se le denomina Juego de Taqués o Juego de Válvulas, y es uno de los ajustes del motor más importantes. Para este ajuste, el Balancín incorpora en el extremo donde apoya la Varilla Empujadora una Tuerca de Reglaje, normalmente el huelgo necesario no excede de medio milímetro y siempre es mayor en la Válvula de Escape que en la de Admisión. Vemos en la figura 3 una imagen del procedimiento de reglaje.

                                                                Fig.3

 Hay que mencionar un sistema de apertura y cierre de Válvulas, menos extendido pero no por ello menos eficaz, denominado Desmodrómico en el que se prescinde del Muelle de Cierre de Válvula para incluir una Leva y Balancín de Cierre de Válvula. También hay que decir sobre este sistema que no es posible realizar el reglaje del Juego de Válvulas sin los utillajes específicos de cada fabricante. En la figura 4 vemos un ejemplo.

                                                                Fig.4

 Ahora veremos en la figura 5 las distintas variantes del Sistema de Distribución OHC, que se caracterizan por disponer el Árbol de Levas emplazado en la parte superior de la Culata.

                                                                 Fig.5

 Podemos apreciar que pueden diferenciarse en el empleo de Taqués o Balancines. También en el empleo de 1 o 2 Árboles de Levas, en el caso de emplear 2 Árboles de Levas el sistema se denomina DOHC o TWINCAM. La Distribución del dibujo 3 de la figura 5 se denomina SOHC.

 Tras esta breve introducción, empezaremos a estudiar detalladamente al Árbol de Levas, que es el elemento mecánico que recibe movimiento giratorio del Cigüeñal y lo transmite finalmente a las Válvulas, en las que es transformado en movimiento recto alternativo. Generalmente lo constituye un eje de acero al carbono en el que están labradas unas Levas, como podemos ver en la figura 6, donde se aprecia que las prominencias de las Levas se alternan, de manera que se produzcan las aperturas y cierres de las Válvulas con arreglo a las Fases de cada Cilindro y en el momento adecuado.

                                                                 Fig.6

 El Árbol de Levas gira sobre sus Apoyos ya sea en la Culata o en el interior del Bloque motor, con interposición de cojinetes de metal antifricción, similares a los del Cigüeñal, y convenientemente engrasados ya que un conducto de aceite motor interno de la Culata o del Bloque llega a los Apoyos para que el aceite motor forme la película necesaria para un correcto engrase.

 Como cada Válvula del motor ha de abrir y cerrar una vez por cada Ciclo completo, es decir, la de Admisión durante la Fase de Admisión y la de Escape durante la Fase de Escape, la Leva correspondiente ha de girar una vuelta por cada Ciclo completo, lo cual supone que el Árbol de Levas ha de dar 1 vuelta por cada 2 del Cigüeñal.

 Al analizar la Leva en sí hay que destacar su Perfil, que determina el movimiento de apertura de la Válvula y el tiempo que permanece abierta. Este Perfil puede ser diferente para las Válvulas de Admisión y para las de Escape, dados los ángulos de apertura y cierre de las mismas, fijados por el Diagrama de Distribución, del cual veremos su concepto.

 Para terminar de estudiar las Levas, decir que con un Perfil adecuado en las Levas de un Cilindro se consigue levantar las Válvulas a una altura conveniente y mantenerlas abiertas durante un tiempo ideal para obtener un buen Rendimiento Volumétrico , esto es que los Cilindros se llenen de la máxima cantidad de gases posible en la Fase de Admisión, y así el motor produzca un rendimiento óptimo.

 La máxima apertura lograda en la Válvula se denomina Alzada. El Perfil típico de una Leva lo podemos ver en la figura 7.

                                                                 Fig.7

 En la figura se representan las medidas más importantes de una Leva simétrica o estándar. El diámetro d2 se define como Círculo Base al que corresponde el período de cierre de la Válvula. La Cresta de la Leva representada en la figura como la altura b corresponde al momento de máxima apertura de la Válvula. El punto 1 corresponde al inicio de apertura y el punto 2 corresponde al momento exacto del cierre de la Válvula. El Ángulo a de apertura de la Válvula es el comprendido entre los puntos 1 y 2, y corresponde al determinado por el Diagrama de Distribución, este Ángulo puede ser diferente en las Válvulas de Admisión que en las de Escape.

 Para concluir esta entrega, terminaremos analizando el Diagrama de Distribución. Veremos 2 ejemplos en la figura 8.

                                                                 Fig.8

 Hay que tener en cuenta que los grados a los que se refiere los Diagramas de la figura 8 son respecto al Cigëñal, como ya vimos anteriormente en el Ciclo Práctico del motor. El Diagrama superior representa un Diagrama de Distribución de un supuesto motor de competición, donde se representan los Avances y Retrasos de las Válvulas de Admisión y Escape, en este caso vemos que los ángulos coinciden tanto para las de Admisión como para las de Escape, sumando un total de 280º(grados) en las 2 Válvulas, puesto que añade a los 180º de la carrera del Pistón ascendente en Fase de Escape, por ejemplo, ya 70º antes de iniciarla ya empezó la apertura de la Válvula de Escape(AAE), y ya iniciada la carrera descendente del Pistón en Fase de Admisión la Válvula de Escape sigue abierta hasta 30º después, que se define como RCE(retraso cierre escape). En el caso de la Válvula de Admisión su AAA(adelanto apertura admisión) es de 30º y su RCA(retraso cierre admisión) es de 70º, sumando un total de 280º de giro de Cigüeñal permaneciendo abierta. Este Diagrama en cuestión se le puede llamar de 280º pues coinciden los grados de Admisión y Escape.

 Ahora analizaremos el Diagrama de Distribución de la parte inferior de la figura 8, a este lo llaman de 245º y ya podemos concluir que son el total de grados que permanecen abiertas las Válvulas tanto de Admisión como de Escape, a este Diagrama se le puede llamar estándar puesto que los ángulos que forma y el Cruce de Válvulas, el momento en que las 2 Válvulas se encuentras abiertas al mismo tiempo, no es excesivo y como ya veremos más adelante es propicio para un buen Rendimiento Volumétrico a bajas y medias rpm(revoluciones por minuto) . Mientras que el primer Diagrama que estudiamos es propicio para un llenado de los Cilindros a altas rpm, de ahí que le llamen de competición.

 Podríamos adelantar el objetivo fundamental de las diferentes modalidades de Distribución Variable, y es que con un mismo Perfil de Leva variar los ángulos del Diagrama de Distribución, mediante sistemas más o menos complejos, pero todos con la misma finalidad. Por norma general, son Sistemas DOHC y suelen actuar sobre el Árbol de Levas que comanda las Válvulas de Admisión variando unos grados su posición con respecto al Cigüeñal, consiguiendo así aumentar el Cruce de Válvulas en altas rpm con las ventajas que ello reporta. Pero a lo largo de este Tema es cuando estudiaremos los Sistemas de Distribución Variable más extendidos y efectivos.

 Hasta aquí la introducción del Sistema de Distribución, en la siguiente entrega continuaremos con los tipos de mando que existen para el Árbol de Levas. Les dejo un vídeo de 4 minutos muy instructivo sobre el Ciclo completo de los motores 4 Tiempos. Muchas gracias por su atención, comenten y hasta la próxima.

Un saludo.

MOTORES TEMA 3.5 componentes motor/Tren Alternativo(3)

 Empezaremos esta entrega estudiando el Cigüeñal, que es la pieza motor que recoge el esfuerzo de la explosión y lo convierte en Par Motor y, en consecuencia, también en Potencia como hemos visto. Durante su funcionamiento está sometido a los esfuerzos provocados por las explosiones en los Cilindros y las reacciones debidas a la aceleración de las piezas dotadas de movimiento alternativo. Por esta causa se construye, generalmente, de acero con aleaciones de níquel y cromo o silicio. En su proceso de fabricación tiene gran importancia los tratamientos térmicos que se aplican a determinadas superficies del Cigüeñal, como el temple y cementado que se le dan a los Codos y Apoyos de Bancada, llamado "flameado" o nitruración. Un procedimiento moderno es el proceso de endurecimiento superficial mediante calentamiento eléctrico y posterior enfriado, con el que se obtiene un aumento de la resistencia a la fatiga.

 En la figura 1 se ha representado un Cigüeñal para motor de 4 Cilindros en Línea posicionado sobre la Bancada del Bloque motor.

                                                                 Fig.1

 Los Apoyos del Cigüeñal se fijan a los Apoyos de Bancada mediante los Sombreretes, con interposición de semicojinetes, como vemos en la figura 2.

                                                                Fig.2

 A los Codos o Muñequillas del Cigüeñal se unen las Cabezas de Biela como ya vimos en el artículo anterior. En prolongación a estos Codos se encuentran los Contrapesos, oponiéndose a ellos y equilibrando el Cigüeñal, los Codos y los Contrapesos deben pesar lo mismo para que el equilibrado sea el correcto, vemos un detalle en la figura 3.

                                                                Fig.3

 Los Codos del Cigüeñal forman entre ellos ángulos de desplazamiento, lo primero que debemos conocer es que una circunferencia(círculo) se puede dividir en 360º(grados sexagesimales), éste es un concepto básico de geometría. Para lo que nos ocupa a nosotros ahora mismo es saber que para el caso de un motor de 4 Cilindros en Línea, los Codos forman ángulos de 180º entre ellos.

 También que en los motores con número de Cilindros par, mayor que 2, los Codos forman pares alineados entre sí. Por ejemplo, vemos que en la figura 3 los Codos de los Cilindros 1 y 4 están alineados entre sí, y a su vez forman un ángula de 180º con respecto a los Codos de los Cilindros 2 y 3.

 Sin embargo, esto no siempre es así ya que vemos en la figura 4 un Cigüeñal de un motor de 4 Cilindros en Línea también, pero los Codos alineados entre sí son el 1 y 3, formando el ángulo de 180º con respecto a los Codos 2 y 4.

                                                                 Fig.4

 Esta diferencia entre Cigüeñales afecta principalmente al Orden de Encendido, y con ello al tipo de esfuerzos a los que se somete al Cigüeñal. Podemos apreciar el ángulo de desplazamiento de un motor Boxer de 4 Cilindros en la figura 5, 180º, que coincide con el de 4 Cilindros en Línea.

                                                                Fig.5

 Si habláramos de un motor de 6 Cilindros en Línea, vemos en la figura 6 un ejemplo de Cigüeñal, donde se aprecia por la altura de los Pistones que un par lo forman los Codos 1 y 6, otro 2 y 5, y por último 3 y 4.

                                                               Fig.6

 En este caso vemos los ángulos que forman los pares de Muñequillas entre ellas es de 120º, lo vemos en la figura 7.

                                                              Fig.7

 En el caso del Cigüeñal de un motor de 6 Cilindros en V que tenga 3 Muñequillas, 2 Bielas en cada una de ellas, forman entre sí ángulos de 120º, coincidiendo con el de 6 Cilindros en Línea, lo vemos en la figura 8.

                                                              Fig.8

 Como último ejemplo veremos el diagrama de un Cigüeñal de un motor de 5 Cilindros en Línea, al tener un número impar de Codos no forman pares, y se calan entre sí a 72º cada uno del otro, lo vemos en la figura 9.

                                                             Fig.9

 Estos motores destacan por su funcionamiento regular y sin vibraciones, puesto que las Fases de Explosión de sus Cilindros se solapan entre sí, es decir, todavía no ha terminado de llegar un Pistón cualquiera al p.m.i.(punto muerto inferior) en su Fase de Explosión cuando el siguiente Pistón en su orden de encendido, que suele ser 1-3-5-4-2, ya comienza su correspondiente Fase de Explosión.

 Este solape en las explosiones no sólo sucede con el motor de 5 Cilindros en Línea sino en cualquier motor con más de 4 Cilindros que las Muñequillas de su Cigüeñal estén caladas a menos de 180º entre sí.

 Como siempre, hablamos de la norma general de fabricantes de motores, pero como ya comentamos en el Tema de introducción del Orden de Encendido, en competición o en modelos de serie hiperdeportivos, los fabricantes juegan con el calado de los Codos del Cigüeñal junto con el Sistema de Distribución, que lo estudiaremos en el próximo Tema, para conseguir la mejor relación Tracción/Potencia y lo podemos comprobar en el siguiente vídeo.

 Es el motor de una conocida motocicleta japonesa de 1000c.c. con motor de 4 Cilindros en Línea, pero decidieron que no iban a formar pares 2 a 2 con los Codos y calarlos a 180º, que es la norma general como hemos visto, sino que calaron cada Codo a 90º uno del otro. Esto se puede ver exactamente en el segundo 25 del vídeo. El Orden de Encendido que determinaron es 1-3-2-4, como cualquier otro motor de 4 Cilindros en Línea con sus Codos calados a 180º. La verdadera diferencia es que consiguen que se solapen las explosiones, pero sólo entre 2 de sus Cilindros, el 2 y el 4 que explosionan casi en el mismo momento, exactamente con una diferencia en el giro del Cigüeñal de 90 grados.

 Aparte de otras medidas como girar unos grados los Contrapesos del Cigüeñal para contrapesar mejor el Cigüeñal y equilibrar las Inercias que perturban el giro de Cigüeñal.

 Bueno, esto sólo era un inciso con el que quería demostrar que no todo en la mecánica de motores está inventado y que influye mucho, tarde o temprano, las medidas que se adoptan en las diferentes competiciones del motor que existen actualmente.

 Ahora debemos proseguir con más detalles de la morfología y disposición de los distintos elementos que complementan al Cigüeñal como es un plato al que se une el Volante de Inercia por medio de tornillos como muestra la figura 10.

                                                              Fig.10

 En el interior del plato del Cigüeñal, donde acopla el Volante motor, se aloja un cojinete(8) de bolas o rodillos donde apoya el Eje Primario de la Caja de Velocidades. En la cara externa del Volante motor se acopla el Embrague, que es el elemento que se encarga de conectar y desconectar el Giro motor de la Caja de Velocidades, el Embrague puede ser de Disco de fricción o Hidráulico (Convertidor de Par) pero esto lo estudiaremos en profundidad en un próximo Curso dedicado a la Transmisión y al Frenado. En la figura 11 vemos el ejemplo de un Disco de Embrague.

                                                              Fig.11

 En el estriado central del que está provisto el disco encaja, con cierta holgura, el Eje Primario de la Caja de Cambios del vehículo.

 La pieza que se encarga de presionar el Disco de Embrague contra el Volante motor para que se haga efectivo la transmisión del Trabajo motor(Torque) se denomina Maza de Embrague, y podemos ver un ejemplo en la figura 12.

                                                               Fig.12

 El conjunto montado se vería como la figura 13.

                                                                 Fig.13

 En el extremo opuesto del Cigüeñal se monta uno o varios piñones, fijados por chaveta, según sea el sistema de accionamiento de la Bomba de Aceite y otro para accionar el Sistema de Distribución. Finalmente se monta una Polea, también mediante chaveta, con la que se acciona mediante Correa al Alternador, la Bomba de la Dirección Asistida y al Compresor del Aire Acondicionado, entre otros dispositivos.

 Abrazando a los Apoyos del Cigüeñal en su unión a la Bancada, se disponen unos semicojinetes similares a los utilizados en las Cabezas de Biela, como hemos visto anteriormente y los volvemos a ver en la figura 14.

                                                                 Fig.14

 Generalmente, el apoyo más cercano al Volante motor, o en otros casos el Apoyo central, está provisto de unos cojinetes Axiales en su acoplamiento a la Bancada y a su respectivo Sombrerete, son unos cojinetes de una forma especial, planos y en media luna, que se encargan de limitar el Desplazamiento Axial del Cigüeñal cuando se acopla y desacopla el mecanismo de Embrague. Vemos unos ejemplos de cojinetes Axiales en la figura 15.

                                                                   Fig.15

 Vemos ahora dónde y cómo van posicionados los cojinetes Axiales de Bancada, con las ranuras de engrase de cara al contrapeso del Cigüeñal, no mirando a la Bancada, en la figura 16.

                                                                     Fig.16

 Y vemos los cojinetes Axiales del Sombrerete en la figura 17 de la misma manera, con las ranuras de engrase hacia el contrapeso del Cigüeñal.

                                                                     Fig.17

 En la construcción del Cigüeñal y más concretamente en su fase de mecanizado, tiene una importancia crucial el Equilibrado Estático y Dinámico del mismo. Las masas del Tren Alternativo en su movimiento pueden producir serias vibraciones si no se equilibra convenientemente el Cigüeñal. Para conseguirlo se disponen los Contrapesos en oposición a los Codos, estampados en una sola pieza con ellos.

 Los Cigüeñales van taladrados adecuadamente desde los Codos a los Apoyos para permitir su engrase, como vemos en la figura 18.

                                                                   Fig.18

 El aceite motor que se hace llegar a presión a los Apoyos de Bancada pasa de éstos, por el interior del Cigüeñal, hasta los Codos desde los que es salpicado al exterior después de engrasar las aticulaciones, es decir, los cojinetes de Cabeza y Pie de Biela, formando la correspondiente película de aceite. El Sistema de Engrase motor lo estudiaremos en profundidad en el Tema 5.

 Por último estudiaremos el Volante motor, también llamado Volante de Inercia. Los impulsos de las explosiones transmitidos al Cigüeñal no se aplican de manera continua, a pesar de que las carreras motrices, es decir, las Fases de Explosión de los diferentes Cilindros puedan solaparse, como ocurre en los motores de más de 4 Cilindros. Por esta razón, en el giro del Cigüeñal hay momentos en que se le aplica un impulso que tiende a acelerarlo y otros en que tiende a detenerlo, como pueden ser las Fases de Compresión, resultando de ello un giro irregular que requiere un sistema capaz de producir una regulación lo más efectiva posible.

 El Volante motor realiza esta función, convirtiéndose en una especie de rueda pesada que, unida al Cigüeñal por uno de sus extremos, se opone a las variaciones de Régimen de Giro por los efectos de Inercia debidos a su peso, almacenando la energía recibida con cada impulso, que devuelve una vez finalizado éste.

 El Volante motor se fabrica generalmente de fundición y se monta en el Cigüeñal en una única posición posible, equilibrándose juntamente con él. Cuanto mayor número de Cilindros tiene un motor, más regular resulta su giro y, por tanto, menor es el peso necesario del Volante.

 En la dimensión del Volante influyen muchos factores, por ejemplo, las condiciones de arranque del motor, marcha a ralentí, aceleraciones, etc. El arranque se facilita con un gran Volante de Inercia, con el que se acumula gran cantidad de energía en la 1º Fase Útil, para superar después las fases pasivas y negativas. Lo mismo ocurre con la marcha a ralentí. Por el contrario, para asegurar una aceleración rápida, es importante reducir al mínimo posible el peso del Volante motor.

 Hay que destacar que en la periferia del Volante motor se monta a presión una Corona Dentada, que se utiliza para dar movimiento al Cigüeñal por medio del Motor de Arranque en la puesta en marcha del motor. En la figura 19 podemos ver un ejemplo de Volante motor.

                                                               Fig.19

 En la cara externa del Volante motor y cerca de la Corona Dentada suelen grabarse las marcas de p.m.s.(punto muerto superior) y los Grados de Avance del Encendido, estas marcas son fundamentales para la Puesta a Punto de cualquier motor.

 Hay que mencionar a un tipo de Volante motor que poco a poco se ha ido incorporando a las gamas de vehículos medias-altas, que es el denominado Volante Bimasa, su principal ventaja frente al clásico Volante es que confiere al Sistema de Transmisión cierta progresividad extra en el momento que acopla el Disco de Embrague con el Volante, pues lleva incorporado un sistema de muelles helicoidales y engranajes que tienen por misión amortiguar hasta cierto punto el golpe de Transmisión que imprime el conjunto del Embrague a la Caja de Velocidades, más exactamente a su Eje Primario. Vemos un Volante Bimasa seccionado en la figura 20.

                                                               Fig.20

 Hasta aquí señores el estudio del Tren Alternativo, en la próxima entrega daremos comienzo al Tema del Sistema de Distribución que me atrevería a decir que es de los más fundamentales para comprender realmente el funcionamiento básico de los Motores de Combustión Interna con el que apoyarnos y avanzar en el estudio global del motor.

 Por último pedirles, por favor, que si no me he explicado bien en algún punto, o ven un fallo o error, comenten sin problema.

                                                           

MOTORES TEMA 3.4 componentes motor/Tren Alternativo(2)

 Proseguimos con el estudio de los elementos del Tren Alternativo analizando la Biela, que es el órgano mecánico que transmite el esfuerzo del Pistón al Codo del Cigüeñal, al cual se une por su extremo inferior denominado Cabeza de Biela. Este acoplamiento realiza la función de transformar el movimiento alternativo del Pistón en giratorio del Cigüeñal.

 Debido a su trabajo, la Biela debe combinar una gran resistencia y rigidez con un peso ligero, de manera que las fuerzas de inercia resultantes de su movimiento sean lo más bajas posibles.

 Generalmente se fabrican de acero al cromo-vanadio o cromo-níquel, por proceso de forja o estampación, siendo posteriormente equilibradas perfectamente y agrupadas de manera que todas las de un mismo motor tengan idéntico peso, no obstante se admite una tolerancia de 5 gramos para motores de explosión, y de 15 gramos en los Diesel.

 En la Biela pueden distinguirse 3 partes fundamentales; el Pie de Biela, donde se aloja el Bulón, el cuerpo o Caña de Biela, normalmente en sección doble T, y la Cabeza de Biela, por donde se une al Codo del Cigüeñal. Podemos ver en la figura 1 diferentes secciones de la Caña de Biela.

                                                                     Fig.1

 En el Pie de Biela, cuando el Bulón no encaja a presión, para atenuar el desgaste entre Bulón y el casquillo del Pie de Biela, se realiza una lubricación de esta articulación. Con tal fin se dispone un taladro(orificio) en la parte superior del Pie de Biela, o se dispone un corte transversal por el que llega al Bulón el aceite procedente de las salpicaduras que produce la Cabeza de Biela en su giro.

 La Cabeza de Biela está dividida en 2 mitades, una de las cuales forma parte de la Caña de la Biela y la otra, llamada Sombrerete de Biela, se une a la primera con tornillos de acero que se inmovilizan en el montaje para evitar su aflojamiento durante el funcionamiento. Como vemos en la figura 2.

                                                                     Fig.2

 Las 2 superficies cilíndricas de la Cabeza de Biela están revestidas con unos semicojinetes, como vemos en el nº11 de la figura 1. Se impide la rotación de los cojinetes en su alojamiento por medio de unos resaltes de los que están provistos que encajan en unas hendiduras adecuadas en las las 2 partes de la Cabeza de Biela. Como vemos en la figura 3 como muesca de ubicación.

                                                                     Fig.3

 Los semicojinetes de Biela están constituidos por unos semianillos de acero, recubiertos en su cara interior de una capa de material antifricción, a base de plomo, estaño y antimonio, con algo de níquel y cromo que proporciona un rozamiento suave y evita el desgaste excesivo del Codo del Cigüeñal. Otras veces, los cojinetes están recubiertos por una aleación de cobre y plomo, llamada comúnmente "metal rosa".

 En el supuesto que faltara engrase en el Codo del Cigüeñal, se produciría la fusión de los cojinetes de Cabeza de Biela, quedando holgado el montaje de Biela con Codo, notándose un ruido característico con el motor en marcha. En este caso se dice que la Biela está "fundida", y si no se repara a tiempo podría inutilizar la Biela. Vemos un ejemplo en la figura 4.

                                                                  Fig.4

 Cualquiera que sea el cojinete empleado, es evidente que necesita una adecuada lubricación, para lo cual van provistos de canales o ranuras longitudinales que facilitan el enfrase. El aceite se hace llegar a presión a través del mismo Codo del Cigüeñal, como estudiaremos más adelante, y se le da salida por medio de un taladro que coincide con otro practicado en la Cabeza de Biela en una determinada posición. De esta forma, con el giro del Cigüeñal, el aceite que sale por este taladro salpica las paredes del Cilindro contribuyendo a su engrase.

 En algunas Bielas, el corte de su Cabeza no se realiza perpendicular a su eje, sino con unos grados de inclinación, con el fin de tener menor volumen transversal y permitir así el desmontaje del conjunto Biela-Pistón por la parte superior del Bloque motor. Vemos un ejemplo en la figura 5.

                                                                Fig.5

 En la disposición de la figura 4, la parte izquierda de la Cabeza de Biela debe quedar montada por el lado que sube en el sentido de giro del Cigüeñal, para que en la fase de explosión, en su carrera descendente, el Sombrerete de Biela no se someta a un esfuerzo para el que no está diseñado. Aún así, en este tipo de Biela se generan esfuerzos de cizallamiento en los tornillos de fijación del Sombrerete, que son precisos atenuar. Para ello se dispone el plano de junta con una especie de dentado que encaja y posiciona convenientemente ambas partes, reforzando la unión frente a los movimientos laterales.

 En los motores con varias líneas de cilindros, como los motores en V o Boxer por ejemplo, pueden presentan la peculiaridad de que a un mismo Codo de Cigüeñal se unen 2 Bielas, cada una de las cuales pertenece a un Bloque de Cilindros diferentes. Generalmente, la unión al Codo es simple, una junto a otra, como vemos en la figura 6.

                                                               Fig.6

 Sin embargo, existen otras disposiciones en las que básicamente cambia la forma de la Cabeza de Biela. Vemos unos ejemplos en las figuras 7 y 8.

                                                                  Fig.7

                                                                  Fig.8

 Hasta aquí el estudio de la Biela, la próxima semana seguiremos con el Cigüeñal y Volante motor, no se lo pierdan. Muchas gracias por su atención y un saludo a todos.

MOTORES TEMA 3.3 componentes Motor/Tren Alternativo(1)

 Podemos decir que los componentes del Tren Alternativo son; Pistón, Biela, Cigüeñal y, como medio de transmisión del movimiento circular o rotatorio, el Volante motor. Podemos ver el conjunto sin Volante motor en la figura 1.

                                                                      Fig.1

 Comenzaremos con el Pistón, en el momento de la explosión en la Cámara de combustión, el Pistón recibe un fuerte impulso hacia el p.m.i.(punto muerto inferior), este impulso se transmite al Cigüeñal por medio de la Biela. La fuerza que actúa sobre la Cabeza del Pistón en la explosión, depende del tipo de motor, pero es de una media de 1 Tonelada, por ésto, el Pistón debe ser resistente para soportar las altas presiones y elevadas temperaturas que se desarrollan en el interior del Cilindro.

 El Pistón está constituido por 2 partes fundamentales; la Cabeza que soporta directamente las condiciones extremas de la explosión, y la Falda que sirve de guía al Pie de Biela y soporta el empuje lateral y el rozamiento contra la Camisa del Cilindro. Vemos las partes fundamentales del Pistón en la figura 2.

                                                                     Fig.2

 En la Falda va practicado un orificio que aloja un eje llamado Bulón, que realiza la unión entre Pistón y Biela. En la Cabeza del Pistón se practican unas ranuras o gargantas donde se alojan unos anillos circulares y semielásticos llamados Segmentos, que ajustan perfectamente a las paredes del Cilindro evitando fugas de compresión, es decir, fugas de los gases en la fase de compresión del Cilindro al Cárter.

 En los motores es de vital importancia la ligereza del Pistón, pues con ello disminuyen las fuerzas de inercia generadas en su movimiento, lo que permite aumentar la velocidad de régimen(rpm) del motor. Por este motivo los Pistones se construyen de duraluminio en la casi totalidad de los casos, aleación compuesta de aluminio, cobre y níquel, que endurece el aluminio manteniendo su ligereza.

 Dado que la dilatación del aluminio es muy superior a la del material del Cilindro, se hace necesario adoptar un huelgo notable entre el Pistón y el Cilindro (a motor frío), para permitir la dilatación del Pistón sin que se produzca el agarrotamiento entre ambos con el aumento de temperatura propio del funcionamiento del motor. Con esto se presenta el inconveniente de que en el funcionamiento del motor en frío se produce un cabeceo, debido a la holgura de montaje, produciendo vibraciones y rumorosidad. Para evitar este problema se fabrica el Pistón de manera que su Cabeza sea de diámetro inferior al de su Falda, en este caso la Cabeza está parcialmente separada de la Falda por una ranura horizontal que limita la transmisión de calor de una a otra. En ocasiones, se practica en la Falda una ranura vertical con cierta inclinación que permite la dilatación de la Falda sin que se produzca el agarrotamiento con la Camisa del Cilindro, como vemos en la figura 3.

                                                                   Fig.3

 Otra solución para evitar el campaneo del Pistón a motor frío consiste en fabricarlo con la Falda ligeramente ovalada, con el diámetro mayor orientado en sentido perpendicular al eje del Cigüeñal, es decir, donde se produce el campaneo. De esta manera, al calentarse el Pistón dilata su Falda en su diámetro menor, ajustándose casi perfectamente al Cilindro.

 Hay que notar que la superficie de la Falda es perfectamente lisa y pulida para disminuir el rozamiento contra las paredes del Cilindro.

 La superficie de la Cabeza del Pistón puede ser plana o cóncavo-convexa, aunque a veces presenta formas especiales para conducir el flujo de gas a la entrada al Cilindro, dotándolo de un movimiento de torbellino. En la figura 4 vemos diferentes tipos de Cabezas de pistón.

                                                                   Fig.4

 Y en la figura 5 podemos ver distintos tipos de Cabezas de Pistón de motores de explosión de alto rendimiento.

                                                                    Fig.5

 Ahora hablaremos del Bulón, la unión entre Pistón y Biela se realiza por medio del Bulón, fabricado en acero de cementación, de manera que permita a la Biela un movimiento pendular con respecto al Pistón, como vemos en la figura 6.

                                                                   Fig.6

 El impulso que recibe el Pistón en el tiempo de explosión debe ser transmitido por el Bulón a la Biela, por esta causa el material empleado en su fabricación debe ser resistente y capaz de soportar el esfuerzo al que estará sometido en su trabajo.

 La unión del Bulón al Pie de Biela se realiza generalmente por el sistema denominado "Bulón Flotante", en el cual el Bulón puede girar libremente en sus alojamientos del Pistón y de la Biela, para evitar su salida hacia los extremos se disponen unos anillos elásticos, llamados circlips o mosquillas, encajados en unas ranuras del cuerpo del Pistón. En otros casos, el Bulón entra a presión en el Pie de Biela y queda libre en los alojamientos del Pistón, o viceversa. Lo vemos en la figura 7.

                                                                  Fig.7

 Como hemos dicho, el acoplamiento entre Pistón y las paredes del Cilindro debe ser los más hermético posible, con el fin de evitar fugas de gases que pasarían al Cárter diluyendo el aceite motor allí depositado. Aquí entran en juego los Segmentos, que tienen la misión de asegurar la estanqueidad a la presión de los gases, e impedir que el aceite lubricante pase a la Cámara de combustión, donde se quemaría formando la famosa carbonilla que se adhiere a las paredes del Cilindro, Válvulas y Cabeza del Pistón.

 El aceite depositado en las paredes del Cilindro llega allí como consecuencia de las salpicaduras propias del movimiento de rotación del Cigüeñal al bañarse en el aceite del Cárter. En las carreras descendentes del Pistón los Segmentos rascan de las paredes del Cilindro la mayor parte del aceite depositado, dejando una mínima cantidad, suficiente para asegurar el engrase entre Pistón y Cilindro evitando que el rozamiento se produzca en seco.

 Los Segmentos son anillos semielásticos construidos de fundición gris de grano fino, material éste que les confiere una buena elasticidad y adecuada dureza. Otros se fabrican de fundición centrifugada o de acero, recubiertos por un baño de cromo, que alarga su duración y disminuye el desgaste de las paredes del Cilindro. Vemos unos ejemplos en la figura 8.

                                                                 Fig.8

 Según la función que realizan pueden distinguirse 2 clases de Segmentos: los de Compresión y los de Engrase. Los primeros realizan la estanqueidad entre Pistón y Cilindro, mientras los segundos evitan que en las paredes del Cilindro quede depositada una cantidad excesiva de aceite. Unos y otros se montan adecuadamente en las gargantas practicadas en la Cabeza del Pistón, por encima del Bulón, como vemos en la figura 9.

                                                                  Fig.9

 Los Segmentos de Compresión suelen tener una sección rectangular o trapezoidal y van montados en la parte más próxima a la Cámara de combustión, en número de 2 generalmente. El situado más cerca de la Cabeza del Pistón se denomina de "fuego".

 Los Segmentos de Engrase, situados bajo los de Compresión, disponen en su montaje un elemento interno elástico, o una lámina de acero convenientemente doblada, que hace aumentar la presión ejercida contra la pared del Cilindro. La garganta del Pistón que aloja este Segmento está provista de orificios adecuados que permiten llevar al interior del Pistón el aceite rascado que, posteriormente, es vertido al Cárter, de ahí que a los Segmentos de Engrase también se les llame "rascadores".

 Aquí damos por terminado la 1º parte del estudio de los elementos del Tren Alternativo, en la próxima entrega seguiremos con la Biela, Cigüeñal y Volante motor. Muchas gracias por su atención y un saludo.

MOTORES TEMA 3.2 componentes Motor/Culata

 En este capítulo nos centraremos en la Culata, puede decirse que la casi totalidad de los motores de 4 y 2 tiempos están provistos de una Culata independiente del Bloque motor que se une a él por medio de tornillos dispuestos de forma adecuada, que aseguran la unión entre ambos e impiden deformaciones por la acción del calor y de la presión que se generan en los Cilindros.

 La Culata se acopla al Bloque con interposición de la Junta de Culata compuesta de amianto con láminas de cobre o acero, que realiza una unión estanca entres ambos, impidiendo la fuga de los gases de la compresión o del líquido refrigerante que circula desde el Bloque a la Culata.

 La Culata se fabrica generalmente de fundición aleada con varios metales que añaden características especiales de resistencia, rigidez y conductividad térmica. En otras ocasiones se utilizan aleaciones de aluminio, ya que combina la ligereza con un alto grado de conductividad térmica, esta última característica es muy deseable ya que asegura que el calor de la combustión sea evacuado rápidamente al exterior con la ayuda del sistema de refrigeración, ya sea por agua, aire o aceite.

 Normalmente la Culata contiene la Cámara de combustión, que es donde quedan comprimidos los gases al final de la carrera de compresión, formando una cavidad como vemos en la figura 1.

                                                                            Fig.1

 La superficie interior de la Cámara de combustión adquiere la forma más adecuada, pues la aerodinámica interna constituye un factor esencial para el desarrollo de la combustión y, en consecuencia, para el rendimiento térmico. La forma de la Cámara ha de permitir que se queme la mayor parte de la mezcla tan pronto como salte la chispa.

 Sin embargo, en otros motores, sobre todo Diesel, la Cámara de combustión la contiene el Pistón en su cara superior y a veces acompañada de una Precámara alojada en la Culata, aunque igualmente debe cumplir los requisitos para un buen rendimiento térmico. Podemos ver unos ejemplos en la figura 2.

                                                                            Fig.2

 Estos sistemas los veremos en profundidad en el Tema 10 donde estudiaremos el sistema de Inyección Diesel.

 En motores de 4 tiempos, la Culata también aloja a las Válvulas, tanto de admisión como de escape, que se deslizan por unas guías montadas en la Culata llamadas Guías de válvulas, como podemos apreciar en la figura 3.

                                                                            Fig.3

 También vemos que, debidamente emplazado, se dispone un orificio roscado en el que se dispone la Bujía de Encendido eléctrico, en el caso de motores de gasolina. En motores Diesel de Inyección Directa se roscaría el cuerpo del Inyector.

 En los motores refrigerados por agua, rodeando las Cámaras de combustión existen unas cavidades labradas en la Culata que comunican con las camisas de agua del Bloque por las que llega a la Culata el líquido refrigerante que la enfriará, como podemos ver en la figura 4.

                                                                            Fig.4

 En la Culata también se labran los oportunos conductos de llegada y evacuación de gases que conectan los asientos de las Válvulas con los laterales de la Culata, donde conectarán los Colectores o Múltiples de Admisión y Escape, uno por cada lateral de la Culata, excepto en algunos motores con 2 Válvulas por Cilindro donde conectan ambos Colectores por el mismo lado de la Culata. Vemos un ejemplo de Colector de Escape en la figura 5.

                                                                           Fig.5

 En la cara superior de la Culata se disponen los soportes necesarios para fijar los mecanismos que dan movimiento a las Válvulas y demás piezas para su cierre estanco.

 Ya hemos mencionado al Árbol de Levas como la pieza que se encarga de fijar los tiempos en que las Válvulas abren y cierran, en la figura 6 vemos uno.

                                                                           Fig.6

 Pues bien, el Árbol de Levas puede estar situado en la Culata o en el Bloque motor, según esta situación y como el Árbol de Levas pertenece al sistema de Distribución del motor, dicho sistema se denominará OHC si el Árbol lo lleva en la Culata, mientras que si se aloja en el Bloque motor se denomina OHV, pero esto lo veremos detenidamente en el siguiente Tema.

 En lo que afecta a la constitución de la Culata cuando el sistema es OHV, se alojará en la Culata el Eje de Balancines fijado a ella por soportes adecuados, podemos verlo en la figura 7.

                                                                          Fig.7

 Vemos que cada Balancín apoya directamente sobre la cola de cada Válvula para abrirla, y es el muelle el que se encarga de cerrarla contra su asiento en la Cámara de combustión.

 Cuando el sistema de Distribución es OHC, existen varias variantes, pero lo fundamental del sistema es que el Árbol de Levas se emplaza y fija en la cara superior de la Culata, y puede actuar las Válvulas directamente mediante Taqués, que pueden ser hidráulicos o mecánicos, o también emplear Balancines. En la figura 8 vemos las diferentes morfologías de Culatas según su sistema de Distribución.

                                                                          Fig.8

 Vemos en la figura anterior que el tipo 1 es OHV, el tipo 2 se denomina SOHC, el tipo 3 es el OHC y vemos el empleo de Taqués, el tipo 4 es otra variante de SOHC, y el tipo 5 es DOHC en que la Culata incorpora 2 Árboles de Levas.

 En la figura 9 podemos analizar un Taqué mecánico o de pastilla.

                                                                          Fig.9

 En la figura 10 podemos ver unos ejemplos de Taqués hidráulicos, cuya principal ventaja frente a los mecánicos es su regulación automática mediante la presión del Sistema de Lubricación.

                                                                          Fig.10

 Por último, para proteger los componentes de la parte superior de la Culata se acopla una tapa, generalmente de lámina de acero, llamada Tapa de Válvulas con interposición de una junta de caucho, y que suele contener el tapón de llenado de aceite motor. Vemos una en la figura 11.

                                                                          Fig.11

 Hasta aquí el estudio de la Culata, sus componentes y funciones, en el próximo apartado analizaremos en profundidad los elementos del Tren Alternativo. Muchas gracias por su atención, les animo a comentar lo que quieran y hasta la próxima. Saludos.