Cigüeñal
Un cigüeñal o cigoñal1 es un eje acodado, con codos y contrapesos presente en ciertas máquinas que, aplicando el principio delmecanismo de biela - manivela, transforma el movimiento rectilíneo alternativo en circular uniforme y viceversa. En los motores deautomóviles el extremo de la biela opuesta al bulón del pistón (cabeza de biela) conecta con la muñequilla, la cual junto con la fuerza ejercida por el pistón sobre el otro extremo (pie de biela) genera el par motor instantáneo. El cigueñal va sujeto en los apoyos, siendo el eje que une los apoyos el eje del motor.
Normalmente se fabrican de aleaciones capaces de soportar los esfuerzos a los que se ven sometidos y pueden tener perforaciones y conductos para el paso de lubricante. Hay diferentes tipos de cigüeñales; Los hay que tienen un apoyo cada dos muñequillas y los hay con un apoyo entre cada muñequilla.
Por ejemplo para el motor de automóvil más usual, el de cuatro cilindros en línea, los hay de tres apoyos, (hoy ya en desuso) y de cinco apoyos, que actualmente es el más común.
En otras disposiciones como motores en V o bien horizontales opuestos (boxer) puede variar esta regla, dependiendo del número de cilindros que tenga el motor. El cigüeñal es también el eje del motor con el funcionamiento del pistón.
El cigüeñal forma parte del mecanismo bielamanivela, es decir de la serie de órganos que con su movimiento transforman la energía desarrollada por la combustión en energía mecánica. El cigüeñal recoge y transmite al cambio la potencia desarrollada por cada uno de los cilindros. Por consiguiente, es una de las piezas más importantes del motor.
En los motores rotativos (eléctricos o de turbina), el árbol motor tiene simplemente forma cilíndrica, con estriados para su ajuste con el rotor (inducido eléctrico o rodete de la turbina) y engranajes o poleas para transmitir el movimiento. En los motores de pistón rotativo (tipo Wankel) el cigüeñal lleva simplemente una excéntrica circular por cada pistón.
Sin embargo, en los motores alternativos tradicionales tiene una forma más complicada (puesto que hay manivelas), determinada por la necesidad de transformar el movimiento alternativo en movimiento giratorio: precisamente dada su forma, se le denomina árbol de manivelas o árbol de codos, además de cigüeñal.
En los primeros tiempos, el motor típico de combustión interna era monocilíndrico, y el cigüeñal, al tener una sola manivela, era completamente semejante al antiguo berbiquí de carpintero, denominado en francés «vilebrequin». El término vilebrequin es aún hoy día el apelativo francés correspondiente al español cigüeñal. Los ingleses lo llaman «crankshaft», que significa árbol - manivela.
Cada manivela está formada por dos brazos llamados brazos de, manivela y por la muñequilla de manivela o muñequilla de biela, que gira sobre el cojinete de la cabeza de biela. Las muñequillas del eje de rotación del cigüeñal se denominan muñequillas de bancada.
En los motores con los cilindros en línea el cigüeñal está formado por tantas manivelas como cilindros. En los motores con los cilindros opuestos el número de manivelas puede ser el mismo que el de cilindros o sólo la mitad. En los motores en V, generalmente el número de manivelas es la mitad del de cilindros
El número de muñequillas de bancada puede variar bastante. Por ejemplo, en un motor de 4 cilindros puede emplearse un cigüeñal que tenga únicamente dos muñequillas de bancada, o bien tres, cuatro o cinco. La elección depende de razones técnicas y económicas. La solución más económica es un cigüeñal con sólo dos apoyos en los extremos, pero en este caso no puede pretenderse alcanzar potencias elevadas a altos regímenes' De hecho, para evitar las flexiones y las consiguiente vibraciones del cigüeñal, es necesario que las muñequillas de manivela tengan el mayor diámetro posible y los brazos de manivela una sección considerable. El cigüeñal y las cabezas de biela son pesados y, por tanto, las masas en rotación originan fuerzas considerables y el motor no puede girar a regímenes muy elevados. Las oscilaciones Electoras del cigüeñal son también la causa de ruidos originados por el golpeteo sobre los cojinetes de bancada.
Por estos motivos, en los motores de 4 cilindros, la solución del cigüeñal con 2 muñequillas de bancada no se emplea actualmente.
Muchos motores de 4 cilindros tienen 3 muñequillas de bancada, pero en los motores más modernos y, principalmente, en los de mayor cilindrada se prefiere la solución con 5 muñequillas de bancada, que es la más costosa, pero permite alcanzar potencias específicas elevadas y, al mismo tiempo, mayor ligereza del motor. Por esta misma razón, generalmente, los motores de 6 cilindros en línea tienen 7 muñequillas de bancada, los motores de 6 cilindros en V poseen 4 muñequillas de bancada y los de 8 en V, 5 muñequillas de bancada.
El cigüeñal lleva en el extremo destinado a transmitir la potencia, una brida para la fijación del volante; éste a su vez, soportará el embrague. El otro extremo está conformado para hacer solidarios con él el engranaje de mando de la distribución y las poleas para el accionamiento por correa de los órganos auxiliares: bomba de agua, generador eléctrico, ventilador, etc. La forma de las manivelas varía y depende del número de cilindros, el número de apoyos de bancada, del sistema de fabricación y sobre todo de si existen o no contrapesos.
Generalmente, los cigüeñales de los motores para automóviles están apoyados sobre cojinetes de fricción y constituidos por una sola pieza. Los cojinetes de bolas o rodillos se emplean únicamente en los motores de motocicletas y a veces en motores para vehículos industriales. En este caso los cigüeñales están compuestos por varias piezas. En los motores para motocicletas las muñequillas y las manivelas se construyen separadamente y se unen después del montaje de los cojinetes.
En los motores con varios cilindros y para regular el par motor, que en cada cilindro varía durante el cielo pasando por s u valor máximo cada 2 vueltas (motor de 4 tiempos), y para hacer más uniforme el movimiento del cigüeñal, se actúa de manera que las combustiones en los diferentes cilindros se sucedan con intervalos iguales. Con este fin se colocan las manivelas de tal manera que las correspondientes a dos cielos consecutivos se encuentran desfasadas con un ángulo igual a: 180 h/i, donde h es el número de tiempos e i el número de cilindros.
Esto sirve para motores con los cilindros en línea y para motores con los cilindros en V cuando el ángulo de la V es igual al calculado en la fórmula indicada anteriormente. No obstante, existen otros motores principalmente los de 2 cilindros en V, donde las diferentes fases no son equidistantes entre sí, dando lugar a un funcionamiento arrítmico con dos explosiones próximas.
Aumentando el número de cilindros y, por consiguiente, el número de manivelas, se reduce el grado de irregularidad del par motor. Por grado de irregularidad se entiende la relación entre el valor máximo y el valor medio del par motor.
Equilibrado.
El equilibrado se consigue por medio de contrapesos aplicados, a las manivelas para obtener, cuando sea necesario, el equilibrado estático y el dinámico del cigüeñal en todo su conjunto y, muchas veces, de cada una de las manivelas. Sirve además para reducir el efecto de algunas de las fuerzas debidas a las masas en movimiento alternativo. Los objetivos del equilibrado son esencialmente dos:
- Reducir las vibraciones del motor causadas por las fuerzas y momentos generados por la presión de los gases en los cilindros y por las piezas en movimiento alternativo y giratorio (pistones, bielas, y cigüeñal).
- Reducir las cargas sobre los cojinetes de bancada.
Fuerzas centrífugas y alternativas.
El cigüeñal está equilibrado estéticamente cuando la resultante de las fuerzas centrífugas es nula, es decir, cuando el baricentro se encuentra sobre el eje de rotación. Es característico el ejemplo del cigüeñal con una sola manivela. Es obvio que para que el cigüeñal esté en equilibrio en cualquier posición, el peso de la manivela debe ser equilibrado por el de los contrapesos (figura pág. 46, abajo).
Pero el cigüeñal, además de estar equilibrado estéticamente, puede estarlo dinámicamente, es decir, puede dar lugar, cuando se halla en movimiento, a un momento flector originado por las fuerzas centrífugas que se encuentran en planos distintos. Puede suceder, en definitiva, que en los motores con varios cilindros la resultante de los momentos respecto a un punto cualquiera del eje no sea nula. Este concepto resulta más claro si se concreta en el caso de un cigüeñal con 2 manivelas de un motor de 2 cilindros opuestos, de 4 tiempos. Las fuerzas centrífugas actúan en planos diferentes, cuya distancia entre ellos es igual a la que hay entre los ejes de los cilindros. El momento resultante es igual al producto de la fuerza centrífuga por la distancia entre los ejes y puede ser equilibrado con uno igual y opuesto por medio de contrapesos.
En los cigüeñales que tienen más de 2 manivelas, éstas se disponen angularmente de manera que las combustiones resulten distanciadas igualmente una de otra para obtener la máxima regularidad del par motor, y en estas condiciones, en la mayor parte de los casos, la disposición de los brazos de manivela es tal que, sin anadir contrapesos, la condición de equilibrio estático se satisface automáticamente, ya que el cigüeñal admite un plano de simetría que pasa por su eje.
En cuanto al equilibrio dinámico, los cigüeñales con más de 2 manivelas resultan equilibrados cuando, estando ya compensados estáticamente, admiten un plano de simetría perpendicular al eje de rotación respecto al cual las manivelas resultan simétricas en número, posición y dimensiones. Todos los demás cigüeñales pueden ser equilibrados solamente con la ayuda de contrapesos. No obstante, muchos cigüeñales, aun estando en conjunto equilibrados dinámicamente, incluso sin contrapesos, tienen equilibradas cada una de las manivelas por separado. Este tipo de contrapesado sirve para reducir la carga impuesta a los cojinetes de bancada. Efectivamente, contrapesando cada una de las manivelas se reducen, o se anulan, los diversos momentos Electores, debido a las masas giratorias que, actuando sobre las diferentes partes del cigüeñal, tienden a flexionarlo cargando los cojinetes de bancada y dificultando su lubricación.
Además de las fuerzas centrífugas de las masas de rotación, influyen sobre las muñequillas de manivela las fuerzas debidas a las masas en movimiento alternativo. Estas fuerzas causadas por las variaciones de velocidad del pistón y de la biela, se distinguen 'en fuerzas de primer orden y de segundo orden. Las primeras alcanzan su valor máximo, positivo o negativo, cada vez que el pistón se encuentra en el PMS o en el PMI. Las segundas varían con una frecuencia doble que las primeras.
Una fuerza de primer orden puede ser equilibrada por la componente, según el eje de los cilindros, de una fuerza centrífuga producida por una masa igual a la de la masa alternativa, aplicada al cigüeñal en contraposición a la muñequilla de manivela. Pero en este caso se crea una fuerza dirigida perpendicularmente al eje cilíndrico, con una amplitud y frecuencia iguales. En la práctica se contrapesa la mitad de la masa alternativa, por lo que queda activa sobre el eje del cilindro la mitad de la fuerza alternativa de primer orden, mientras que la otra mitad se transforma en una fuerza perpendicular al eje del cilindro.
En los motores de varios cilindros (en línea, en V u opuestos) las fuerzas alternativas de primer orden se equilibran cuando el cigüeñal está por sí mismo equilibrado (es decir, sin contrapesos). De manera análoga, los pares debidos a las fuerzas alternativas de primer orden están equilibrados cuando lo están los pares debidos a las masas en rotación, es decir, cuando el cigüeñal está equilibrado dinámicamente. En lo que se refiere a las fuerzas alternativas de segundo orden, no existe posibilidad de reducirlas con técnicas especiales en la construcción del cigüeñal, puesto que varían con una frecuencia doble al número de revoluciones. En los automóviles, las vibraciones causadas por las fuerzas de segundo orden son absorbidas, mediante técnicas especiales, por la suspensión del motor.
Proyecto del cigüeñal.
La relación entre la carrera y el diámetro influye sobre diversas características y sobre el diseño del motor. Su influencia se hace notar también sobre el cigüeñal. Efectivamente, a igualdad de cilindrada, aumentando el diámetro de los cilindros y disminuyendo correspondientemente la carrera, el cigüeñal se alarga y los brazos de las manivelas se acortan. Reduciendo la longitud del brazo de manivela se disminuyen las fuerzas de inercia causadas tanto por las masas de rotación como por las masas alternativas. Además, el cigüeñal, al tener un diámetro de giro menor, puede tener una constitución más ligera.
Otra ventaja la constituye el denominado recubrimiento de las muñequillas de bancada y de biela. Este recubrimiento permite obtener la resistencia y la rigidez deseadas con un espesor reducido de los brazos de manivela. De ahí resulta la posibilidad de alargar las muñequillas para dar mayor superficie de contacto a los cojinetes y unir muñequillas y brazos con una conexión de radio relativamente grande, lo que le proporciona un importante incremento de la resistencia a la fatiga.
Otro método, para aumentar más aún la resistencia a la fatiga del cigüeñal, consiste en comprimir mediante la acción de rodillos las fíbras del acero de las conexiones de las muñequillas de bancada y de biela.
Las dimensiones de las muñequillas se calculan en función de las cargas que los cojinetes deben soportar, de las velocidades de régimen y de la rigidez que es necesario obtener para impedir que se produzcan deformaciones por flexión y vibraciones de torsión. Cuando un cigüeñal posee unas muñequillas que cumplen con estos requisitos, es generalmente más que suficiente para transmitir la potencia útil.
La capacidad de carga de los cojinetes es aproximadamente proporcional al producto del diámetro por la longitud de la zona de contacto con la muñequilla. Para una cierta carga y para una determinada longitud de la muñequilla, al aumentar el diámetro se incrementa la velocidad de rozamiento, pero disminuye la presión unitaria sobre el cojinete y, por esta razón, el proyectista tiene una cierta libertad de acción. Pero debe considerar que cuando los diámetros son pequeños pueden producirse deformaciones y, como consecuencia, presiones en zonas limitadas de los cojinetes, así como vibraciones de torsión. Por tanto, es aconsejable elegir unos diámetros bastante grandes para obtener mayor rigidez del cigüeñal y también mayor resistencia de los cojinetes, puesto que éstos se apoyan más fácilmente sobre toda su longitud.
El cigüeñal es taladrado para formar los agujeros de paso para el aceite necesario para su lubricación. A menudo dichos agujeros sirven además para aligerar el cigüeñal. Una buena lubricación de los cojinetes es un factor importantísimo para el buen funcionamiento y la duración de los mismos. Los cigüeñales deben agujerearse en correspondencia con los brazos de manivela (al menos uno por cada manivela) para hacer llegar el aceite desde los cojinetes de bancada a los de biela. Generalmente el aceite llega, a través de ranuras realizadas en el bloque, a cada uno de los cojinetes de bancada y desde allí se le hace penetrar en el cigüeñal por los agujeros, que generalmente son radiales; recorre los canales efectuados en los brazos de manivela y sale por otros agujeros que desembocan en la parte media de los cojinetes. Para reducir el número de agujeros pueden alargarse los taladros de los brazos de manivela hasta atravesar las muñequillas de biela; en este caso no es necesario que las muñequillas estén agujereadas axialmente.
Procesos de fabricación.
El material empleado generalmente para la construcción de los cigüeñales es de acero al carbono; en los casos de mayores solicitaciones se emplean aceros especiales al cromo - níquel o al cromo -molibdeno-vanadio tratados térmicamente. Se construyen también cigüeñales en fundición nodular que poseen unas características de resistencia semejantes a las del acero al carbono.
Cuando, a causa de las fuertes descargas, deben emplearse cojinetes con una superficie bastante dura (antifricción de aleación cobre- plomo, duraluminio, etc.), las muñequillas del cigüeñal se endurecen superficialmente mediante cementación, temple superficial o nitruración. En un sistema especial de temple superficial muy empleado en la fabricación en serie, el endurecimiento se produce mediante un calentamiento superficial obtenido por procedimiento eléctrico (por inducción) y posterior enfriamiento con agua; este sistema de endurecimiento es muy rápido. Otro sistema de endurecimiento superficial es el flameado, en el cual el calentamiento se obtiene con la llama. Cuando los problemas económicos pasan a segundo término, como sucede en el caso de los coches de carreras, se puede elegir un acero especial de alta resistencia y adoptar el endurecimiento por nitruración.
En un principio, el cigüeñal se obtenía de un cilindro de acero, eliminando con el torno las partes sobrantes. Los brazos de manivela, al ser circulares, se aligeraban eliminando las partes laterales, y por esta razón la sección de los brazos de manivela resultaba rectangular. Inicialmente, no se solían aplicar contrapesos. Más adelante, se comenzaron a construir los cigüeñales forjándolos con operaciones sucesivas de estampación en caliente. La técnica de estampación, perfeccionada con la experiencia y el tiempo, permitió modelar los brazos de manivela de manera que incluían ya los contrapesos. Actualmente, los contrapesos en los motores para automóviles forman siempre una parte integral del cigüeñal. Sólo en casos especiales y en motores para vehículos industriales son montados independientemente.
Las operaciones de mecanizado consisten en el desbarbado de la pieza, torneado de las muñequillas y posterior rectificado, y arranque de material para el equilibrado estático y dinámico.
En la fabricación en serie, estas operaciones se hacen con máquinas semiautomáticas o automáticas. Para reducir los tiempos de mecanización se tiende a disminuir la cantidad de material que debe arrancarse durante la misma. Ésta es una de las razones por las que se construyen los cigüeñales con fundición nodular: Los cigüeñales fundidos son más precisos, en bruto, que los forjados, y tienen sobre materiales inferiores y, por tanto, eliminables con mayor rapidez.
Las principales operaciones de mecanización son: enderezado de la pieza en bruto antes del desbaste en torno (el enderezado debe repetirse, si es necesario, después de otras fases de mecanización), tratamiento térmico (endurecimiento superficial, revenido, bonificado y otros tratamientos), control posterior, acabado (rectificado, equilibrado y afinado). Una vez terminada la mecanización, se efectúan los numerosos controles de verificación, como son: control de la alineación de las muñequillas de bancada, control de la posición y alineación de las muñequillas de manivela, control del radio de manivela, de la ovalización y conicidad
de las muñequillas, del grado de acabado, de la retención hidráulica, etc.
Duración del cigüeñal.
El cigüeñal es la pieza del vehículo, entre las que tienen movimiento, que gira a mayor velocidad y pesa más; no obstante, está proyectado para durar, sin ser reparado, tanto como el automóvil. Las técnicas de construcción modernas, los juegos de montaje cuidadosamente controlados y los progresos en el campo de los lubricantes le aseguran un amplio margen de seguridad y una óptima fiabilidad. Sin embargo, no es raro - y esto sucedía con mayor frecuencia en el pasado- que se produzcan averías en el cigüeñal, que deben achacarse casi siempre al conductor. Las más importantes son: la rotura por fatiga del cigüeñal y el rayado de las muñequillas.
La primera es producida por las vibraciones de torsión y por las solicitaciones anormales causadas por el bajo número de revoluciones, por el golpeteo contra la culata, por el encendido irregular en algún cilindro o, Finalmente, también por el equilibrado incorrecto del cigüeñal. Especialmente, los juegos excesivos en los cojinetes de bancada causan vibraciones de flexión que pueden producir la rotura.
La segunda avería, es decir el rayado de las muñequillas, depende de la lubricación y del filtrado del aceite; esta circunstancia puede producirse por las causas más diversas: por ejemplo, acelerando el motor en frío cuando el aceite no está aún en circulación, tomando las curvas con el nivel de aceite por debajo del mínimo, viajando a plena carga con bajo número de revoluciones, o bien, Finalmente, cuando el lubricante o la instalación de lubricación no funcionan correctamente. En todos estos casos mencionados, la presión del aceite es el valor que más influye para una buena lubricación y, por tanto, es aconsejable emplear un manómetro de aceite para que pueda controlarse constantemente.
En caso de rotura del cigüeñal es necesario cambiarlo' junto con los, cojinetes de bancada o de biela, y debe realizarse un nuevo equilibrado conjuntamente con el volante. A veces, conviene también efectuar un mandrilado de los apoyos de bancada - es decir, su alineación mediante escariado- con el fin de corregir las eventuales deformaciones.
En el caso de rayado de las muñequillas es necesario minorar las muñequillas del cigüeñal y proceder a su rectificación, volviendo a efectuar el montaje después con los cojinetes reducidos. La minoración es la disminución del diámetro de las muñequillas de bancada y de la biela para eliminar la parte dañada. Generalmente es posible efectuar una o dos disminuciones según la profundidad de la cementación. El valor de cada rectificación es, en general, de 0,2 mm, y el constructor lo indica en los manuales de reparación.
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