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ANILLOS DE PISTON

Los anillos de pistn proveen dos funciones principales en los motores. Forman un sello

deslizante en la cmara de combustin que impide que los gases de combustin de alta

presin sobrepasen al pistn. Tambin impiden que el aceite penetre en la cmara de

combustin. Adems, los anillos transfieren par te del calor del pistn a la pared del

cilindro, de donde se remueve del motor a travs del sistema de enfriamiento.

Los anillos de pistn se clasifican en dos tipos: Anillos de compresin, ubicados hacia la

cima del pistn, y anillos de aceite, ubicados bajo los anillos de compresin. Los primeros

anillos de pistn se hacan con una simple seccin transversal recta. Esta seccin

transversal se modific con conicidades, biseles, contrabarrenos, hendeduras, rieles y

expansores. Los materiales de los anillos de pistn tambin han cambiado, desde el hierro

fundido comn hasta hierro perltico y nodular as como acero. El hierro dctil como

material de anillo de pistn, se est comenzando a usar en motores automotrices.

Los anillos de pistn se pueden proporcionar con cara de cromo o de molibdeno.

ANILLOS DE COMPRESION

Un anillo de compresin est diseado para formar un sello entre el pistn que se mueve

y la pared del cilindro. Esto es para obtener potencia mxima de la presin de combustin.

Al mismo tiempo, el anillo de compresin debe mantener la friccin a un mnimo, lo cual

se obtiene proveyendo suficiente tensin mecnica esttica o interconstruida, Para

sostener el anillo en contacto con la pared del cilindro durante la carrera de admisin. La

presin de la cmara de combustin durante las etapas de compresin, potencia y

descarga se aplica a la parte superior y al respaldo del anillo. Esta presin agregar la

fuerza que se requiere sobre el anillo para sellar la cmara de combustin durante estas

etapas. La figura 26 ilustra cmo la presin de la cmara de combustin agrega fuerza al

anillo.

Fuerzas del anillo: La tensin esttica mecnica del anillo resulta de la forma del mismo,

las caractersticas del material y los expansores. Los anillos se fabrican de manera que

tengan forma de leva en su estado libre. Cuando el anillo de pistn se comprime a la

medida del cilindro, se torna redondo y desarrolla la tensin esttica requerida. El control

adicional de anillo hace que se conforme hacia los biseles y contrabarrenos cuando se

comprime a la medida del cilindro (figura 27). El torcimiento se usa para proveer un sello

en una lnea de contacto sobre la pared del cilindro y dentro de la ranura del anillo. La

lnea de contado se puede ver en los anillos de pistn, ligeramente usados, que se

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muestran en la figura 28. La lnea de contacto proporciona una presin unitaria

relativamente alta para sellar. Al mismo tiempo, permite una fuerza total baja del anillo

contra el cilindro, lo que trae como resultado friccin baja de anillo. La presin en la

cmara de combustin acta sobre el anillo de pistn de la cima.

La presin obliga al anillo a aplanarse sobre el costado del fondo de la ranura. Esta accin

sellar la junta del anillo con el pistn. La ranura 10 del anillo deber tener un lado plano y

a escuadra para este sello. La presin detrs del anillo tambin lo forzar contra la pared

del cilindro para sellar la superficie de contacto entre anillo y cilindro. Esta accin

(figura 26) produce una fuerza de sello dinmico que hace un sello mvil efectivo en la

cmara de combustin.

Entra la presin de la cmara de combustin

Pistn

Fuerzas sobre el anillo de pistn causadas por presin de combustin

Pared del cilindro

Figura 26 La presin de combustin fuerza al anillo superior del pistn hacia abajo y hacia

afuera contra la pared del cilindro.

Seccin A-A anillo en estado libre

Figura 28 Los anillos de pistn estn ligeramente usados, de modo que se muestra la lnea

de contacto. El anillo superior con cara de barril tiene de lnea contacto en el centro. El

segundo anillo con cara ahusada tiene de lnea de contacto a lo largo de la orilla inferior

del anillo.

Abertura de anillo: La abertura del anillo de pistn permitir un ligero escape ms all de

la cima del anillo de compresin. Este escape es til al proveer presin sobre el segundo

anillo para desarrollar una fuerza dinmica de sello. La cantidad de abertura del anillo es

crtica. Demasiada aber tura permitir una salida excesiva de gases del cilindro. En estoconsiste el escape de gases de combustin ms all de los anillos. Este escape permitir

que el aceite vuele de la pared del cilindro. Esta prdida de aceite es seguida por el

arrastre del anillo de pistn. Una abertura estrecha, por otro lado, har que los extremos

del anillo del pistn se pongan a tope cuando el motor est caliente. Esta posicin a tope

aumenta la fuerza mecnica contra la pared del cilindro lo que causa desgaste excesivo y

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posible falla del motor. En general, los anillos de pistn ms fuer tes requieren aberturas

ms grandes.

Una abertura de anillo de pistn, del tipo a tope es el ms usado en motoresautomotrices, porque es el menos costoso de fabricar. Algunos motores industriales de

baja velocidad y algunos motores diesel usan una abertura de anillo ms costosa, ahusada

o de sello para disminuir la abertura. Estas aberturas se requieren para reducir prdidas

de los gases de combustin de alta presin. A velocidades bajas, los gases tienen ms

tiempo para escapar a travs de la abertura. Las aberturas tpicas de anillos se muestran

en la figura 29.

Abertura a tope

Abertura inclinada

Seccin B-B anillo comprimido para adaptarse al cilindro

Figura 27 Un contrabarreno de anillo de pistn hace que el anillo se conforme cuando es

comprimido para adaptarse al cilindro.

Abertura escalonada de sello

Figura 29 Aberturas tpicas de anillos.

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Corte transversal de anillo: Conforme las velocidades de motor han aumentado, las

fuerzas de inercia en los anillos tambin han aumentado. Como resultado, los fabricantes

de motores han encontrado deseable reducir las fuerzas de inercia de los anillos

reduciendo su peso. Esto se ha logrado angostando el anillo en fracciones desde (6

mm) hasta 1/16 (1.6 mm). Los anillos angostos requieren menos material, ocupan menos

espacio, y reducen al mnimo el arrastre. A medida que los anillos se hacen ms angostos,

la ranura del anillo tambin se angosta. Las ranuras de anillo angostas son difciles de

fabricar. Las ranuras de 1/16 (1.6 mm) parecen ser el mnimo prctico que se puede

lograr en esta fabricacin.

Los cortes transversales comunes de anillos de compresin se muestran en la figura 30.

Un anlisis de cortes transversales de anillos de pistn debe comenzar con una seccin

rectangular. Esta se modific primero con una cara ahusada que hara contacto con la

pared del cilindro en la orilla inferior del anillo de pistn. Cuando se hace un bisel o alivio

de contrabarreno en la esquina interna superior del anillo, su corte transversal queda

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fuera de balance. Esto har que se tuerza dentro de la ranura en sentido positivo. El

torcimiento positivo dar el mismo contacto de pared que el anillo de cara ahusada.

Tambin proporciona un sello de lnea de contacto en el costado del fondo de la ranura.

Algunas veces, se usan el torcimiento y una cara ahusada en el mismo anillo de

compresin.

Los anillos de torcimiento inverso requieren una cara ahusada ms grande, o cara de

barril, para mantener el contacto deseado de la cara del anillo con la pared del cilindro.

Algunos anillos reemplazan el ahusamiento del anillo exterior con una cara de barril. El

barril es de 0.0003 por 0.100 (0.0076 mm por 0.25 mm) de ancho del ani llo. Las caras de

barril se encuentran en anillos rectangulares y en anillos deformados por la torsin. El

anillo superior de la figura 28 muestra la lnea de contacto que resulta con un anillo de

compresin con cara de barril y el anillo inferior que muestra un costado de cara ahusada.

Caras de anillos: Los materiales sobre las caras de anillos de pistn son muy importantes

para proporcionar mxima vida de ser vicio. Antes de la segunda guerra mundial, los

anillos eran totalmente de hierro fundido. Se les daba un recubrimiento fosfatizado para

reducir al mnimo la herrumbre y el arrastre inicial durante el arranque. Otros

recubrimientos tenan nombres como Ferrox y Graphitox. Estos recubrimientos son xido

ferroso y grafito, respectivamente, la prctica se modific durante la segunda guerra

mundial. como resultado del desarrollo de anillos de motores de aviacin. Se

desarrollaron las tcnicas de poner cromo duro en la cara del anillo de pistn. El cromo

aumenta grandemente la duracin del anillo, especialmente donde hay materialesabrasivos en el aire. Durante la fabricacin, el anillo con recubrimiento de cromo est

ligeramente biselado en las esquinas exteriores. Se aplica 0.0004 (0.010 mm) de cromo

como recubrimiento sobre la cara del anillo. Los anillos con cara de cromo reciben

pulimento previo con pasta abrasiva o rectificacin con piedra antes de ser empacados y

embarcados para el cliente.

Las caras con acabado de cromo se muestran en una vista en corte seccional en la figura

31.

Rectangular Cara inclinada De contra barreno

De contra barreno Torcimiento interno Cara de barril

Figura 30 Secciones rectas tpicas de anillo de compresin.

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Algunos anillos secundarios tienen una muesca en la esquina inferior exterior. Esto,

tambin, provee un torcimiento positivo del anillo. La esquina aguda inferior y exterior se

convierte en raspador que ayuda al control del aceite, pero tiene menos control de

compresin que los modelos precedentes.

Al biselar la esquina inferior e interior del anillo, se produce un torcimiento inverso; as se

sella la seccin exterior inferior del anillo y de la ranura del anillo de pistn, lo que mejora

el control del aceite.

Figura 31 La cara de cromo se puede ver en el lado derecho de la vista seccional del anillo.

A principios de los sesenta, se introdujeron las caras con molibdeno en anillos de pistn.

Estos anillos tambin tuvieron buen resultado en duracin en servicio, especialmente con

condiciones de arrastre. La mayor parte de los anillos de pistn con cara con molibdenotienen una ranura de 0.004 a 0.008 (0.1 a 0.2 mm) de profundidad de cor te en la cara

del anillo. Esta ranura se rellena con molibdeno, usando un mtodo de pulverizacin

metlica (o plasma). De nodo que hay una orilla de hierro fundido arriba y abajo del

molibdeno. Esta orilla puede ser biselada en algunas aplicaciones. Una vista seccional de

un anillo con caras de molibdeno se muestra en la figura 32.

Figura 32 La cara de molibdeno se puede ver en el lado derecho de la vista seccional del

anillo.

Se han desarrollado nuevos recubrimientos de anillos. En un diseo, una capa delgada decromo de granos finos con grietas microscpicas es colocada sobre el cromo duro. Estos

anillos se pueden usar sin prepulido. Tambin se ha desarrollado un recubrimiento

superior de cara con molibdeno. No se tiene que colocar en una ranura de modo que

resiste mejor tanto el choque mecnico como la formacin de escamas. Ver figura 33 para

un ejemplo de cmo el anillo se tuerce durante el funcionamiento del motor y lo cual

puede desgastar la ranura del pistn as como la cara del anillo.

Figura 33 Vista de seccin transversal que muestran desgaste de la ranura del anillo.

Los anillos con cara de molibdeno duran ms tiempo en condiciones de calor y de arrastre

que los anillos con cara de cromo. En condiciones de desgaste abrasivo, los anillos con

cara de cromo tienen una mejor vida en servicio. Hay poca diferencia apreciable entre

estos dos materiales de caras con respecto a escape de gases de combustin, consumo de

aceite, aflojamiento y potencia. Los anillos de pistn con cualquiera de estos tipos de

caras son mucho mejores que los anillos de simple hierro fundido con recubrimientos de

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fosfatos. Cuando se usan, un anillo con cara de molibdeno se encontrar en la ranura de

arriba y uno de hierro fundido simple, o uno con cara de cromo, en la segunda ranura.

Los anillos recubiertos con carburo de molicromo se usan tambin en algunas aplicaciones

de equipo original (OE) y de repuesto (figura 32). El recubrimiento tiene propiedades que

incluyen la dureza del cromo y el carburo, combinada con la resistencia al calor del

molibdeno. Los anillos con recubrimiento de cermica tambin se han usado donde

requiere resistencia adicional al calor, como en algunos motores de servicio pesado, con

turbocargador y supercargador.

ANILLOS DE CONTROL DE ACEITE

Originalmente, los anillos no estaban divididos en de compresin y de aceite. Todos los

anillos eran rectangulares simples. Los primeros anillos que se llamaron de aceite fueron

los anillos con ahusamiento o inclinacin. La esquina inferior que raspaba remova gran

par te del aceite de la pared del cilindro en la carrera hacia abajo del pistn. En el

desarrollo siguiente, los anillos de aceite tuvieron salidas por hendiduras maquinadas.

Esto permita que el aceite regresara a travs del anillo y aber turas en el pistn. Este

maquinado, como se muestra en la figura 34, produca dos orillas para raspar que

funcionaba mejor que la orilla sencilla.

Figura 34 Anillo de aceite de hierro fundido con una hendedura para salida de aceite.

Ver figura 35 que muestra cmo la accin de raspar del anillo de control de aceite se

puede usar para lubricar el perno del pistn. Se colocaron expansores de resorte de acero

en el respaldo de la ranura del anillo para mejorar la tensin radial esttica. Se forzaba al

anillo a conformarse con la pared del cilindro. Conformar quiere decir cambiar su forma

para acoplar con la forma de la parte con la que estn en contacto. Se usan diseos de

expansores. Un tipo de expansor (figura 36) acta como resor te entre la base de ranura

del anillo y ste. La fuerza de otro tipo de expansor (figura 37) resulta de la fuerza radial

cuando los dos extremos del expansor quedan a tope uno con otro. Esto forma tensin

esttica conforme el anillo es forzado a entrar en la ranura por el cilindro.

Figura 35 El aceite raspado de las paredes del cilindro de los anillos de control de aceite se

dirige a lubricar el perno de pistn en este diseo.

Rieles con cara de cromo

Expansor - Espaciado de una Pieza

Figura 36 Anillo de aceite con un espaciador de hierro fundido, dos rieles con cara de

cromo. y un expansor.

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Fuerzas Radiales

Figura 37 Tipo de expansor de anillo de aceito que provee fuerza radial conforme se

comprime con los extremos a tope uno con otro.

Al aumentar los requerimientos del anillo de aceite el hierro fundido ya no erasatisfactorio. Rieles de acero con cromo y otros tipos de caras reemplazaron a las orillas

de hierro fundido para raspar. Los rieles se respaldan con expansores y se separan con un

espaciador. Esto se puede ver en la figura 38.

Figura 38 Anillo de aceite con un espaciador de acero es- tampado, dos rieles con cara de

cromo y un expansor.

Algunos diseos de expansor desempean la funcin de espaciar as como de expansin.

Un anillo de aceite con este tipo de construccin es ligero, con baja inercia. Est bien

ventilado, de manera que el aceite fluya fcilmente a travs de l hacia el crter.

Proporciona excelente control de aceite y tiene una larga duracin en servicio. Este tipo

de anillo de aceite se muestra en la figura 39.

Figura 39 Anillo de aceite con un expansor-espaciador de una pieza y dos rieles con cara

de cromo.

El ltimo diseo es un anillo de aceite de dos piezas. Una pieza compleja es un riel

espaciador expansor. La otra es un riel sencillo. En la figura 40 se comparan anillos de

aceite de dos y de tres piezas.

Figura 40 A la izquierda est un anillo de aceite que tiene un expansor-espaciador y dos

rieles con cara de cromo. A la derecha est un anillo de aceite que tiene un riel de cara de

cromo y un riel de combinacin expansor-espaciador.

El anillo de pistn no puede hacer esta tarea a menos que selle contra la pared del cilindro

durante su total duracin en servicio normal. La pared del cilindro se rectifica igualando

un patrn de juegos de lneas paralelas que se cruzan unas con otras (figura 41). Este

acabado debe ser lo suficientemente liso como para usarse con los materiales de caras de

anillo de pistn. En general, deber tener un acabado satinado de 25 micropulgadas.Micropulgadas son una medida de la lisura superficial promedio desde el punto ms alto

hasta la depresin ms baja.

Figura 41 Acabado tpico de pared de cilindro antes del uso.