CIGÜEÑAL.
Disposición de las manivelas en función del diseño del motor y del
número de cilindros: Equilibrado estático y dinámico: El progreso tecnológico y
constructivo: Inconvenientes y consejos para prevenirlos.
El cigüeñal forma parte del mecanismo biela manivela, 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:
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 añadir 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.