La culataLa culata es la parte del motor que cierra los cilindros por la parte superior. Se une al bloque por tornillos y para hacer estanca esta unión se intercala la junta de culata. En ella se forman las cámaras de combustión, de refrigeración y se encuentran los conductos de admisión y escape.Sobre la culata se montan las válvulas, los colectores de admisión y escape, los balancines, el árbol de levas, las bujías, los inyectores…

Características

Robustez. Para resistir altas presiones y la corrosión por efectos químicos.

Estanqueidad Eficacia en el intercambio de gases. Tiene que haber un correcto

llenado y evacuación de los gases. Conductividad térmica. Adaptada para mantener esta zona a la

temperatura conveniente.

Fijación de la culata

Los tornillos que la fijan al bloque han de tener una resistencia capaz de soportar esfuerzos superiores a las presiones máximas de la combustión que son en motores Otto de 40 a 50 bares y en diesel de 75 a 95 bares. Los puntos de fijación son 4 por cada cilindro repartidos de forma uniforme para que no se produzcan deformaciones.El apriete de estos se efectúa con una llave dinamométrica.

Tipos de culatas

Por materiales de fabricación:

Aleación de aluminio: es una aleación ligera compuesta de aluminio, silicio y magnesio. Cualidades: buena resistencia, peso reducido y gran conductividad térmica; pero es propensa a las deformaciones y su precio es más elevado.

Hierro fundido: construido con una aleación de hierro, cromo y níquel, tiene gran resistencia mecánica y térmica. Son robustas y tienen gran resistencia a las deformaciones.

Por forma de refrigeración:

Por líquido: es el sistema más común en los motores de 4 tiempos. El líquido se hace circular por unos conductos próximos a las cámaras de combustión para mantener las temperaturas adecuadas.

Por aire: son construidas en aleación de aluminio y van provistas de unas aletas que aumentan la superficie en contacto con el aire refrigerante. Es de fabricación más sencilla y económica, pero la estabilidad térmica es más irregular y se corre mayor riesgo de calentamiento excesivo. Se utiliza en

motores de dos tiempos y en algunos de 4 tiempos con circulación de aire forzada.

Cámara de combustión

La cámara de combustión es el espacio que se forma entre la cabeza del piston cuando esta en PMS y la culata. En este espacio se comprime el gas y se lleva a cabo la combustión. Esta se construye normalmente en la culata y en ella se alojan las válvulas, la bujía y el inyector (motores diesel); aunque la cámara también puede aparecer sobre la cabeza del piston (cámara Herón).La forma y el volumen de la cámara influyen en el rendimiento del motor.

Cámaras de combustión para motores Otto

En los motores otto, la chispa de la bujía inflama la mezcla, y esta se desplaza por la cámara formando un frente de llama. El desplazamiento de este ha de ser rápido y uniforme. Características de la cámara:

Mínimo recorrido del frente de llama Combustión rápida Alta turbulencia Resistencia a la detonación

Tipos de cámaras:

Cámara semiesférica: Tiene una mínima superficie con relación a su volumen; y buena turbulencia; la bujía situada en el centro, hace que el frente de llama se desplace rápido y uniforme.

Cámara hemisférica: llamada de forma de tejado; características: pequeña superficie y pocas perdidas térmicas. Las válvulas se disponen a los lados formando ángulos de 20º y 60º.

Cámara de cuña: posee buena resistencia y reducida superficie interior. Su forma hace que la mayor parte de la mezcla esta cerca de la bujía, lo que origina un buen frente de llama.

Cámara de bañera: Se consigue un buen alzado de válvulas, pero su diámetro queda reducido por la falta de espacio y el recorrido del frente de llama es largo.

Cámara Herón: la culata es plana ya que la cámara se encuentra en la cabeza del piston. Esta forma crea una fuerte turbulencia durante la compresión y así se consigue una mezcla muy homogénea.

Válvulas

Las válvulas son los elementos que abren los conductos de admisión y escape. Por cada cilindro se pone una válvula de admisión y otra de escape; pero se ha extendido el uso de dos o más válvulas; con el fin de mejorar la respiración del motor. Las válvulas están constituidas por una cabeza y un vástago (el vástago se desplaza axialmente dentro de la guía).Para evitar la entrada de aceita atraves de la guía, se coloca en la parte superior un reten de aceite. Las válvulas se montan en línea sobre la culata y están mandas por un árbol de levas; o en doble línea formando un angulo de entre 20 y 60º, esta

disposición favorece el intercambio de gases y permite mayores dimensiones de válvulas.

Condiciones de funcionamiento de las válvulas

Solicitaciones térmicas: la válvula de admisión es refrigerada por el paso de gases frescos pero llega a superar los 400º.La válvula de escape queda expuesta al paso de los gases calientes y puede alcanzar hasta los 800º, el problema que se presenta en esta válvula es su refrigeración.El calor es evacuado en su mayor parte atraves del asiento en la culata y un 25%-30% por la guía.

Solicitaciones mecánicas: la cabeza de las válvulas, están expuestas a la corrosión. Las zonas de asiento se someten a un continuo golpeteo cuando cierran bruscamente. El desgaste continuado de estas partes provoca fugas en la compresión. El vástago, esta sometido a un continuo desgaste que da lugar a holguras que permiten el paso de aceite.

Fabricación de las válvulas

Válvulas de admisión: se fabrican en acero al cromo-silicio, el asiento cónico y la parte plana superior del vástago, están sometidas a un gran desgaste y a estas zonas se les aplica un tratamiento para aumentar su resistencia.Válvulas de escape: se fabrican con materiales que mantengan sus propiedades mecánicas a altas temperaturas, que sean resistentes al desgaste y posean buena conductividad térmica. Se usan aceros con cromo, silicio, níquel y wolframio. En motores de alto rendimiento se montan válvulas refrigeradas con sodio. Este metal tiene un bajo punto de fusión y es muy buen conductor del calor. Las válvulas refrigeradas con sodio se construyen con el vástago hueco y se rellenan hasta la mitad.

Dimensiones de las válvulas

La válvula de escape es normalmente de menor diámetro que la de admisión.El diámetro de la válvula de admisión es entre un 20-30% mayor que la de admisión. Se les da preferencia a las válvulas de admisión porque de ellas depende el llenado del cilindro. Diámetro de la cabeza: se calcula en función del diámetro del cilindro, teniendo en cuenta el espacio de la cámara de combustión. Es necesario dejar la suficiente separación entre escape y admisión para soportar las tensiones térmicas y evitar la interferencia en el flujo de los gases.En los motores con dos válvulas por cilindro, el diámetro de la válvula de admisión toma valores de entre el 40-48% del diámetro del cilindro.En motores multiválvulas puede apreciarse como se aprovecha mejor el espacio y se aumenta el diámetro para las válvulas y por tanto la sección de paso de gas. La admisión puede tomar el 80% del diámetro.

Alzado de válvula: este se determina en función del diámetro de la cabeza .Ambas dan lugar a la sección de paso. Él alzado de la válvula es

proporcional al diámetro de su cabeza. La relación se obtiene valores de entre el 25-30%.

Sección de paso de los gases: la sección por la que tienen que pasar los gases debe ofrecer la menor resistencia posible con el fin de mejorar la carga del cilindro. En la admisión es muy importante esta sección, ya que esta determina la cantidad de masa gaseosa que va a entrar.

Angulo de asiento: La superficie del asiento influye sobre el cierre del cilindro. El angulo de 90º es el más utilizado debido a su gran resistencia mecánica y soportar bien las temperarturas.Se obtiene un buen cierre pero opone resistencia al paso de los gases. El angulo de 120º favorece la entrada de gases, por eso es utilizado en los motores para la válvula de admisión y la de 90º para escape.

Diámetro de vástago: Esta condicionado por el diámetro de la cabeza, la temperatura, la velocidad lineal y la lubricación.

Colectores de admisión y escape

Colector de admisión

Su función es conducir el gas de admisión a los cilindros. En los motores Otto de carburador y los de inyección monopunto, la mezcla se elabora de forma colectiva y después se reparte a cada cilindro; esto requiere tubos cortos, rectos y d igual longitud. Para evitar los problemas de condensación en los conductos se incorpora a estos un sistema de calentamiento; el método más usado es hacer pasar el líquido de refrigeración por un conducto del colector.En los motores con inyección multipunto de gasolina, el combustible se dosifica individualmente para cada cilindro y se inyecta junto a la válvula de admisión. Esto permite dimensionar los conductos de admisión para crear corrientes aerodinámicas que mejoren el llenado. También es posible montar sistemas de admisión variable, que consiste en adaptar las dimensiones de los conductores a medida que cambia el nº de revoluciones del motor.El colector de admisión se fabrica en aleación de aluminio y materiales plásticos y se fija a la culata mediante espárragos, interposicionando una junta.

Colector de escape

Recoge los gases quemados que salen a gran velocidad y elevada temperatura y los dirige al silenciador. Las dimensiones de los tubos del colector se calculan para que las ondas de presión que escapan de los cilindros no interfieran entre si.Se fabrican en fundición de hierro y de acero inoxidable. La junta de unión a la culata es especial para las altas temperaturas y absorbe bien las dilataciones y contracciones. En los motores sobre alimentados se coloca el turbocompresor sobre el colector de escape, próximo a la válvula de escape para que la turbina del compresor sea impulsada por los gases

Junta de culata

La junta de culata es la encargada de hacer unión estanca entre la culata y el bloque para evitar fugas de gas o de líquido. Ha de soportar elevadas temperaturas y presiones, manteniendo sus cualidades.Se fabrica con materiales muy deformables para que al ser presionada por los tornillos se adapte a las irregularidades de las superficies y los poros internos desaparezcan. Esta fabricada con fibras blandas y muy resistentes al calor, se utiliza el caucho como aglutinante y exteriormente va recubierta de una capa de grafito e interiormente tiene un núcleo de acero, algunas se cubren con una fina chapa de acero o cobre. Sobre los bordes de los orificios para los cilindros se engarza una chapa de acero para proteger esta zona que queda dentro de la cámara de combustión.Sobre la junta pueden aparecer una serie de datos:

Marca de posición: top, oven, alto…ira hacia arriba.

Espesor de la junta: puede grabarse sobre esta o puede indicarse mediante un determinado nº de muescas.

Otros datos: composición u origen del proveedor.

Guías de válvula

La guía es la pieza sobre la que se desliza el vástago .Es una pieza postiza insertada a presión en su alojamiento; en algunas culatas de fundición la guía se mecaniza en ella.Se fabrican en fundición de hierro con aleaciones especiales. Presenta gran resistencia al desgaste y buena conductividad térmica. El juego entre el vástago de la válvula y la guía ha de calcularse para que permita la dilatación del vástago, por lo que la holgura es mayor en la de escape. También esta debe permitir el paso de aceite pero no en exceso. Se reduce el consumo del aceite colocando retenes en la parte superior de la guía.

Asiento de válvulas

El asiento constituye el elemento sobre el que apoya la cabeza de la válvula y efectúa el cierre. Debido a las duras condiciones de trabajo, suele ser una pieza postiza; fabricada en acero al cromo-manganeso o en aleación de metal duro, muy resistente al choque y a las altas temperaturas. Esta pieza se coloca en la culata por el método de interferencia. Generalmente el angulo de asiento es el mismo que el de la válvula de 45º o 60º.Tambien se realizan ángulos correctores, dos de entrada entre20º-30º y dos de salida entre 60º y 75º; que limitan el ancho del asiento entre 1 y 2 mm.

Muelles de válvulas

El muelle proporciona la fuerza para mantener la válvula cerrada. Se montan con una tensión que se transmite a la válvula mediante el platillo de retención y los semitonos. La tensión del muelle ha de ser la suficiente para que la válvula haga un cierre estanco y que no sea excesivamente fuerte, pues aumentaría el desgaste del asiento.

Los muelles se fabrican en acero al carbono con un alto contenido de silicio. Este acero es muy elástico y resistente a la fatiga.

Efectos que se producen en los muelles: a veces se pueden plantear problemas debido a la inercia y a las vibraciones.Los efectos de inercia, aparecen en los muelles cuando trabajan a altas frecuencias. Para reducir estos efectos se montan muelles asimétricos cuyo paso entre espiras no es uniforme.A determinado nº de revoluciones, aparecen vibraciones cuya frecuencia provoca efectos de resonancia que afectan al correcto funcionamiento; en este caso se usan dos muelles concéntricos de distintas características, con las espiras dispuestas en sentidos contrarios de tal forma que las oscilaciones no entran en resonancia.

Arbol de levas

El árbol de levas, es el elemento que gobierna el sistema de distribución y establece los angulos de apertura y cierre de las válvulas. Recibe el giro del cigüeñal, que lo transforma en un movimiento rectilíneo alternativo, que por las levas es transmitido a las válvulas.

ConstituciónEsta compuesto por tantas levas como válvulas tenga el motor.A lo largo de este, se colocan unos apoyos sobre los que gira; su nº varía según el esfuerzo a transmitir.Se fabrican de hierro fundido o acero forjado. Debe poseer gran resistencia al desgaste y a la torsión.

Posición sobre el motorPuede ir montado sobre bloque, aunque actualmente es más frecuente en la culata.El árbol gira apoyado sobre cojinetes de fricción o sobre taladros de apoyo; que están lubricados por el circuito de engrase.

Geometría de las levasLa posición de las levas, sus dimensiones y la forma del perfil determinan sus características:

-Momento de apertura de las válvulas-Angulo que permanecen abiertas-Alzada-Modo de desarrollo de los movimientos

Formas del perfil de levaLas formas de los flancos determinan la velocidad de la rampa, y por tanto el modo de desarrollo de los movimientos y los esfuerzos.

Perfiles:-Leva oval: velocidad de rampa baja, movimiento de apertura y cierre lentos, y tiempo de válvula abierta totalmente corto.-Leva tangencial: rápidos movimientos de valvula, permanece abierta más tiempo que la oval; pero aumentan las aceleraciones y los efectos de inercia.

-Leva de flancos asimétricos: el perfil de entrada es oval y el de cierre tangencial, con lo que la válvula esta más tiempo abierta y cierra más rápido.

Elementos intermedios

Son las piezas que se interponen entre las levas y las válvulas.Estos pueden ser:

-Empuje: taques y varillas-Basculantes: balancines y palancas

Elementos de empuje

TaquesLos taques son accionados por la levas; su misión es aumentar la superficie de contacto entre las piezas, de forma que se reduzca el desgaste y se repartan los esfuerzos laterales.En la distribución OHV, el taque actúa sobre la varilla; y en la OHC, actúa directamente sobre la válvula.En algunos casos, se monta descentrada de la leva, así cada vez que el empuja, le imprime un pequeño giro que varían las zonas de contacto para evitar el desgaste en un solo punto.Se fabrican en fundición dura. La superficie de contacto con la leva recibe tratamiento para aumentar su resistencia al desgaste.Las superficies laterales quedan pulimentadas para reducir la fricción.

Taques hidráulicosLos taques hidráulicos, compensan automáticamente las dilataciones.

Funcionamiento: en el taque hay una pequeña cámara de aceite que se rellena de este y ajusta su altura respecto a la válvula y a la leva. Cuando la leva actúa sobre este, y este sobre la válvula hay una pequeña perdida de aceite y este queda descompensado; pero cuando deja de estar actuado vuelve auto regularse.

Varillas empujadorasSe utilizan cuando el árbol de levas esta montado en el bloque. Su misión es transmitir el movimiento de los taques a los balancines.Deben de ser muy rígidas para soportar la fuerza del muelle. Se fabrican en acero al carbono y en los extremos tiene un acabado esférico que permite una pequeña articulación.

Elementos basculantes

BalancinesSon palancas que se montan por su parte central sobre un eje. Por un extremo reciben movimiento de las levas, y por el otro los transmiten a las válvulas.En los sistemas OHV son accionados por varillas, y en los OHC por las levas. En unos de sus extremos esta el dispositivo para regular el juego de válvulas.El eje del árbol de balancines es hueco, y por el circula aceite que lubrica los balancines.

Balancines de rodillo

Este tipo de balancín va provisto de un rodillo que gira sobre un rodamiento. La leva actúa sobre el rodillo y el balancín transmite su movimiento a la válvula.Este sistema tiene la ventaja de que se necesita menor esfuerzo para accionar las válvulas y se reducen los esfuerzos de fricción.

Dispositivos para la regulación del juego de válvulas

Los elementos de la distribución presentan variaciones de longitud, debido a la dilatación y al desgaste.Para asegurar un buen cierre de las válvulas se dispone de una holgura llamada juegos de taques o de válvulas, localizada entre la cola de la válvula y el elemento que la acciona. Su valor esta entre 0,1 y 0,4mm. Este juego hay que regularlo periódicamente para mantenerlo dentro de los valores establecidos.

Efectos de la dilataciónEn algunas piezas se produce una dilatación longitudinal. El juego de válvulas ha de estar calculado para absorber esta dilatación, de lo contrario la válvula no llegaría a cerrar.

Consecuencias de un juego de válvulas incorrectoSi el juego de válvulas es menor, estas permanecen más tiempo abiertas; existe el riesgo de que la válvula no llege a cerrarse, y se quemaría la cabeza y el asiento de la misma y las explosiones se propagan por el conducto provocando llamas. El rendimiento disminuye por perdidas de compresión.Si el juego es mayor el tiempo de apertura es menor y su alzada también. La distribución se vuelve ruidosa y se acelera el desgaste.

Tipos de dispositivos para realizar la regulaciónExisten diferentes tipos, el más sencillo y común es el tornillo y tuerca de bloqueo sobre el balancín. Otro sistema, es intercalar entre la leva y el taque unas placas calibradas cuyo espesor ha sido calculado previamente.

Sistemas de distribución

La distribución es el conjunto de elementos que efectúan la apertura y cierre de las válvulas.Los elementos que la componen son:

-Arbol de levas, rueda dentada y sistema de distribución-Valvulas, guias, asientos y muelles-Empujadores, balancines y sistemas de reglaje de válvulas

Las válvulas están sincronizadas con el movimiento del piston, por lo que el sistema esta mandado por el cigüeñal, que transmite su giro al árbol de levas. Las levas accionan las válvulas por medio de empujadores o balancines, y los muelles las cierran.

Disposición de la distribución-Arbol de levas lateral; situado en el bloque, recibe el nombre de OHV-Arbol de levas en cabeza; situado en la culata, hay dos sistemas OHC y DOHC

Sistema OHVEn esta distribución; las válvulas se encuentran en la culata y el árbol de levas en el bloque.La apertura de las válvulas se hace desde la leva, que acciona el taque y la varilla empujadora, esta hace bascular al balancín que pisa la válvula y la abre, por ultimo el muelle se encarga de cerrarla.Desventajas:

-En el sistema OHV existe gran distancia entre el árbol de levas y las válvulas; esto perjudica a la transmisión a altas revoluciones, debido a los efectos de inercia.-Otro inconveniente es que los elementos de empuje son sensibles a la dilatación longitudinal y se necesita un juego de válvulas considerable.

Ventaja: tiene la ventaja de que los piñones del cigüeñal y el árbol de levas están próximos y esto facilita su accionamiento.Actualmente esta cayendo en desuso, ya que a altas revoluciones el llenado del cilindro no es eficiente.

Sistema OHC y DOHCEn estos, el árbol de levas va montado en la parte superior de la culata. Las válvulas se accionan directamente a través de un empujador o taque o interponiendo un balancín.

-OHC: un solo árbol para admisión y escape.-DOHC: dos árboles, uno para admisión y otro para escape.

Estos presentan ventajas frente al OHV. El accionamiento de la válvula es más directo y se reducen los efectos de inercia. Se pueden alcanzar un nº más alto de revoluciones sin que afecte al diagrama de distribución y las dilataciones son menos importantes.Son sistemas más complejos, pero más efectivos y con mayor rendimiento. La disposición del doble árbol de levas, se emplea normalmente en motores con distribución multiválvulas.

OHCAccionamientos:

-Válvulas en línea, accionadas por palancas basculantes empujadas directamente por el árbol.-Válvulas en angulo accionadas por un solo árbol a través de balancines.-Válvulas en línea accionadas por el árbol a través de empujadores.

DOHCUn árbol de levas para las válvulas de admisión y otro para las de escape.

Mando de la distribución

La transmisión de giro del cigüeñal y el árbol de levas, tiene una relación de 2 a 1. Los 4 tiempos se realizan en 2 vueltas del cigüeñal.El accionamiento de la distribución se puede hacer mediante:

Ruedas dentadasSe usa solamente cuando el árbol de levas va montado en el bloque y la distancia entre este y el cigüeñal permite una transmisión directa.Si la distancia es algo mayor, se intercala una rueda intermedia. Para reducir el ruido se emplean ruedas de dientes helicoidales. El conjunto queda encerrado dentro del carter de la distribución y es lubricado por el aceite del motor.

Cadena de rodillosEste sistema puede utilizarse para cualquier distancia entre el cigüeñal y el árbol, vaya montado en bloque o en culata.Esta formado por dos ruedas con dientes tallados para ser arrastrados por la cadena, que puede ser simple o doble.La cadena es un sistema de transmisión robusta y de larga duración; pero con el tiempo y el desgaste, se alarga, produciendo un desfase en la distribución y aumentando el ruido.El tensor mantiene tensada la cadena y compensa los efectos del desgaste.La fuerza que se transmite a través de la cadena; hace tensar un lado y en el otro se coloca el tensor, su posición depende del sentido de giro de la cadena.El tensor consiste en un taco de caucho sintético, resistente al desgaste, que se aplica a la cadena a presión constante. La fuerza es ejercida por un resorte.Las cadenas largas van guidas por rieles que evitan que se produzcan vibraciones, estos se montan en el lado contrario del tensor.

Carter de distribuciónEl sistema necesita ser lubricado. La cadena que impregnado y al girar transporta el aceite a todo el sistema. Este aceite puede entrar atraves del tensor que tiene un pequeño orificio en el taco.El carter se fija mediante tornillos, con una junta y un reten para el eje del cigüeñal.La transmisión por cadena es el método más empleado en OHV. También en los OHC y DOHC, pero se necesita una cadena mas larga. Con el fin de evitar inconvenientes de cadenas largas, se interpone un piñón que permite realizar la transmisión mediante dos cadenas cortas.

Correa dentadaEs el sistema de transmisión más utilizado actualmente. Se emplea cuando el árbol de levas va montado sobre la culata. En las ruedas para el accionamiento se talla un dentado igual al de la correa, este suele ser redondo o trapezoidal.

La correa se fabrica de fibras de alta resistencia o con hilos de acero trenzado, recubierto con neopreno o caucho, lo que resulta resistente al estiramiento. La zona del dentado recibe un tratamiento que le proporciona más resistencia al desgaste.Ventajas:

-No requiere lubricación-tiene un funcionamiento silencioso-Es relativamente económica

Tiene el inconveniente de una duración limitada, pues se recomienda cambiar cada 100.000 Km o 130.000 Km, ya que su roturo podría hacer que el piston chocara contra las válvulas produciendo graves daños.La correa va provista de un tensor cuya correcta regulación es de gran importancia, esta se consigue con un aparato, el tensiómetro.El conjunto queda protegido dentro de una carcasa de material plástico, evitando que la correa se impregne de gasolina, aceites…

El árbol de levas sobre culata es el método más empleado en motores de turismo, para la distribución, la correa es lo más usado por su economía y su ausencia de ruidos. Otros montan el de cadena de rodillos ya que no necesita sustituciones periódicas.En algunos sistemas DOHC se combinan las ventajas de ambos, utilizan correa para la transmisión del cigüeñal a un árbol, y de ese árbol al otro mediante una pequeña cadena provista de su tensor.

Fuerzas en el tren alternativo

Los pistones descienden impulsados por la presión de combustión y ascienden empujados por el cigüeñal.

Descenso: La fuerza actúa sobre la cabeza del piston, se transmite por medio del bulón a la biela. Aquí la fuerza se descompone en dos, una actúa en la misma dirección de la biela y la otra perpendicular al piston haciendo que este se apoye en el cilindro.

Ascenso: El bulón recibe la fuerza que se descompone en dos, una en el sentido de desplazamiento del piston y otra lateral, causando el apoyo del piston en el lado opuesto al del descenso.

El apoyo lateral del piston es la causa del desgaste irregular del cilindro provocando ovalamiento. El desgaste es más importante en el lado del descenso, ya que cuando desciende en expansión se ejercen mayores fuerzas.

También se produce conicidad, ya que las fuerzas sobre el piston son más fuertes en PMS, y por tanto hay mas desgaste.En algunos casos, la biela se monta descentrada, con el fin de que el desgaste del cilindro sea igual en ambos lados. Lo más empleado es descentrar el eje del piston, aunque a veces se desplaza el eje del cigüeñal.

Velocidad del piston

En una vuelta de cigüeñal el piston realiza dos carreras, en cada una de ellas acelera hasta su velocidad máxima y después decelera hasta cero, para realizar el cambio de sentido.Las altas velocidades aceleran el desgaste del cilindro, además de provocar elevadas fuerzas de inercia.La velocidad media esta entre 10-15m/s; y no debe superar los 18m/s, con el fin de evitar desgastes prematuros. Formula: Vm=L.n/30 L=carrera; n= nº de revoluciones Vm= velocidad media.Para obtener un elevado nº de revoluciones sin que aumente la velocidad; se fabrican motores de carrera corta, en los que la carrera es menor que el diámetro. Generalmente se emplean carreras largas, ya que la corta empeora el llenado del cilindro. La relación entre carrera y diámetro (L/D) suele estar comprendida entre 0’85 a 1’2. Podemos encontrar cilindros de: carrera larga (L/D>1), cuadrados (L/D=1) y supercuadrados (L/D<1).

Fuerzas que actúan sobre el cigüeñal

El par motor es el producto de la fuerza aplicad sobre la muñequilla por la longitud del brazo de palanca. Esta longitud varía con el angulo que va tomando la biela con respecto al cigüeñal; esto da lugar a un par motor irregular que debe ser compensado por el volante de inercia.La fuerza que actúa sobre la muñequilla se descompone en dos fuerzas perpendiculares; una tangencial al círculo del cigüeñal que proporciona el trabajo de giro, y la otra que se ejerce sobre los apoyos del mismo.Cuando el piston esta en PMS la biela queda alineada con el brazo del cigüeñal, entonces no existe par y se carga toda la presión sobre los cojinetes de muñequilla y apoyo del cigüeñal, y el bulón. En esta zona se sufre mucho desgaste y esto produce el ovalamiento de los cojinetes.La fuerza ejercida sobre el piston no se transmite íntegramente al cigüeñal ya que parte se pierde en vencer inercia y en desgaste como: en las paredes del cilindro por el apoyo lateral del piston, en los cojinetes de apoyos y muñequillas del cigüeñal y efectos de inercia por alta velocidad del piston.

Bloque motor

El bloque constituye la estructura básica que soporta todos los elementos del motor. Su principal característica es la rigidez para resistir grandes esfuerzos sin sufrir deformaciones. El bloque contiene los cilindros y la bancada, sobre la que se apoya y gira el cigüeñal. Esta provisto de canalizaciones de aceite para el engrase y de cámaras de líquido refrigerante.La parte superior es perfectamente plana para cerrar herméticamente con la culata interponiendo una junta; en su parte inferior se atornilla el carter, que sirve de depósito del aceite de engrase.

Su forma y dimensiones varían en función del nº y disposición de los cilindros.

Fabricación Se fabrica generalmente de una pieza mediante fundición y los materiales son hierro fundido y aleación ligera.

El mas empleado es hierro fundido, ya que se obtienen buenas propiedades de resistencia mecánica, una alta rigidez y un buen comportamiento ante elevadas temperaturas; su inconveniente es el elevado peso.

La aleación ligera es compuesta por aluminio y silicio. Las principales ventajas son su bajo peso y su buena conductividad térmica, aunque la resistencia mecánica y la rigidez son menores. En los cilindros se puede utilizar camisas húmedas de hierro fundido para aumentar su resistencia al desgaste.

El bloque refrigerado por agua es el más empleado en motores de 4 tiempos. Se disponen unas cámaras por las que circula el líquido refrigerante, pasando después a la culata y de ahí al radiador.

El bloque refrigerado por aire se construye con cilindros independientes para facilitar el acceso del aire y están dotados de aletas de refrigeración. Se emplea en motores con cilindros horizontales opuestos y en motores de pequeña cilindrada.

La bancada

Esta constituida por los asientos sobre los que se apoya el eje del cigüeñal, esta firmemente sujeto al bloque y reforzada con nervaduras que proporcionan gran resistencia.Cada uno de los apoyos esta constituido por una parte unida a la bancada y otra desmontable, los sombreretes; ambas están unidas mediantes tornillos y en su interior se alojan los semicojinetes.En los bloques de aluminio, estos sombreretes en vez de ser independientes, para obtener mayor rigidez se montan en una sola pieza denominada semicarter de apoyos del cigüeñal.

Los cilindros

Los cilindros son de las partes más importantes del bloque, ya que de su durabilidad depende la vida útil del motor.Estos deben soportar las altas presiones y temperaturas de la combustión, además del rozamiento de segmentos del piston.Características:

Resistencia al desgaste. Buena conductividad térmica. Buenas cualidades de deslizamiento.

El mecanizado interior se acaba con esmerilado o bruñido; que produce un rayado con una inclinación de 45ºo 60º, para que esto quede rellenado de aceite y lubrique.

Durante el rodaje, el rayado es desgastado por los rozamientos, de forma que el acoplamiento entre cilindro y segmentos se obtenga en los primeros km.

Formación de los cilindros en el bloque:

Bloque integral: los cilindros se elaboran directamente sobre el material del bloque y se mecaniza finalmente. Esto es muy empleado y para repararlo es necesario utilizar una rectificadora.

Bloque con camisas: las camisas son unos cilindros postizos, que se pueden desmontar de su alojamiento. Tiene la ventaja de que se pueden fabricar con materiales diferentes a los del bloque y posean mejores cualidades. En caso de avería o desgaste, basta con sustituirlos.Hay dos tipos de camisas:

Camisas secas: son cilindros de paredes delgadas que se montan por interferencia y forman una especie de forro para el cilindro. Este sistema asegura un buen contacto entre las paredes de la camisa y el bloque para la transmisión de calor. Se fabrican con materiales más resistentes que los del bloque.

Camisas húmedas: van en contacto directo con el líquido refrigerante. Forman un cilindro desmontable, ya que el bloque es hueco. Se ajustan con el bloque en unos asientos provistos con juntas de estanqueidad, para evitar que el agua pase al carter. Estas sobresalen ligeramente del plano superior del bloque para que al apretar la culata queden fijadas.

Camisas para bloques de aleación ligera: estos bloques suelen ir provistos con camisas más resistentes al desgaste, generalmente de hierro fundido. Estas pueden ser húmedas o secas. También se emplea el sistema de fundición compuesta, que es aplicar una fundición de hierro y aluminio para tener una unión firme y transmitir bien el calor.

Piston

El piston, recibe la presión producida por la combustión y transmite la fuerza a la biela por medio del bulón.Funciones:

Mantener la estanqueidad, para que los gases no pasen al carter y evitar que el aceite pase a la cámara de combustión.

Transmitir el exceso de calor a las paredes del cilindro y de ahí al sistema de refrigeración.

Constitución

Cabeza: es la parte superior del piston, debe poseer alta resistencia mecánica y muy buena conductividad térmica. Su espesor depende de la cantidad de calor a evacuar y de la presión máxima.La cabeza puede adoptar diferentes formas; puede ser plana o ligeramente abombada, lo que contribuye a dar forma a la cámara de combustión. En motores diesel la cámara se aloja en el piston totalmente o en parte; y en el Otto de inyección directa, montan deflectores con formas muy variadas.

Zona de segmentos: contiene los alojamientos donde se colocan los segmentos, dos de compresión y uno rascador normalmente. En el alojamiento del rascador incorpora unos orificios que comunican con el interior del piston y cumplen la misión de evacuar el aceite y en algunos casos engrasar el bulón.Estos alojamientos están sometidos a un continuo golpeteo, produciendo desgastes importantes, lo que se hace es incorporar unos anillos de acero para reforzar.

Alojamiento del bulón: es la zona más reforzada del piston, encargada de transmitir la fuerza a la biela.Esta formada por los cubos donde se aloja el bulón, y que esta reforzado por nervios que se apoyan contra la cabeza del piston. Queda situado en el centro de gravedad del piston y a veces se monta entre 0,5-2 mm descentrado del eje.

Falda o vástago: constituye la parte inferior del piston y su misión es guiar la parte superior y evitar el cabeceo; para ello la holgura con el cilindro ha de ser reducida.Es habitual practicar unos rebajes en la falda, para reducir peso.

Condiciones de funcionamiento

Los pistones trabajan bajo unas condiciones de temperatura y presión elevadas.La temperatura que alcanzan es diferente en cada parte; en la cabeza y zona del bulón, entre250º-350ºC y en la falda 150ºC. La mayor parte del calor es evacuado por los segmentos a las paredes del cilindro y otra por la falda. En motores sobrealimentados, las temperaturas son más elevadas por lo que es necesario un sistema de refrigeración. Este consiste en unos surtidores que proporciona un chorro de aceite dirigido interiormente a la cabeza del piston.La presión obtenida en la combustión se aplica sobre la cabeza del piston. F= P.s

Fabricación de pistones

Cualidades: Ligereza. Constitución robusta.

Buenas cualidades de deslizamiento. Bajo coeficiente de dilatación. Buena conductividad térmica

En la fabricación de pistones se emplean aleaciones de aluminio. Para motores Otto se utiliza una aleación de aluminio-silicio, además se le añade cobre y níquel. Este material es muy ligero y altamente resistente. Se obtiene por fundición en coquilla y después se somete a un tratamiento de templado.Para motores con altas solicitaciones, los pistones se fabrican mediante forja o estampación con altos contenidos en silicio.Los nuevos pistones reciben un tratamiento superficial para mejorar las cualidades de deslizamiento .Esto se realiza, depositando estaño, plomo o grafito.

Tipos de pistones

La forma de los pistones es muy variada y en general se adapta al tipo de motor y a las condiciones de funcionamiento.Los pistones fríos no son exactamente cilíndricos; sino que la zona de los segmentos es de menor diámetro que la falda, además de presentar un ligero ovalamiento que desaparece a medida que aumenta la temperatura.

Piston autotermico con tiras de acero: se emplea en motores de 4 tiempos. Consiste en insertar unas láminas de acero en la zona del bulón, para formar un cuerpo bimetálico. Cuando aumenta la temperatura, las tiras adquieren una curvatura que obligan a dilatarse en la dirección del bulón.

Piston compensador: presentan en frio una forma ovalada, donde el diámetro menor coincide con el eje del bulón. Cuando aumenta su temperatura se dilatan mas por donde existe una gran cantidad de material, en la zona del bulo. Este llega a adquirir una forma circular en su temperatura de funcionamiento.

Segmentos

Son unos anillos elásticos que se montan en los alojamientos del piston.Funciones:

Asegurar la estanqueidad de los gases. Evacuar calor hacia el cilindro. Evitar que pase aceite a la cámara de combustión.

Existen dos tipos de segmentos: Segmentos de compresión: encargados de realizar el

cierre hermético en el cilindro y evacuar parte del calor. Generalmente se montan dos segmentos, también en algunos se montan 3.El primer segmento se denomina de fuego, pues esta expuesto a la llama de Combustion.La distancia esta determinada por la cantidad de calor a evacuar, pues si se calienta en exceso se puede formar carbonilla en su alojamiento y bloquearlo. Los segmentos deben moverse en sus alojamientos libremente con una holgura que pueda absorber la dilatación térmica, igualmente es necesaria una apertura entre puntas para asegurar una presión radial sobre las paredes del cilindro.

Segmento rascador: se sitúa en último lugar. Su misión es recoger el aceite depositado en las paredes del cilindro para evitar que este llege a la cámara de combustión. El aceite que no es rascado es recogido por los de compresión y una pequeña parte se queda lubricando la parte superior del cilindro. Parte del aceite es evacuado por el interior del piston. Este sirve para engrasar el bulón. Los segmentos rascadores van provistos de un muelle expansor que asegura el contacto con el cilindro.

Formas: Sección rectangular: utilizado como segmento de fuego. Gran

superficie de contacto que facilita la estanqueidad y la evacuación de calor.

Chaflán interior: durante el descenso se torsiona, haciendo una función de segmento rascador. En el ascenso realiza la función de estanqueidad.

Sección cónica exterior: se monta por debajo del segmento de fuego. Función de estanqueidad.

De uña: segmento de compresión y misión de recoger el exceso de aceite. Si esta colocado en primer lugar la uña hacia arriba y si es en el segundo hacia abajo.

Sección trapezoidal interior: durante el funcionamiento adquiere un movimiento basculante, lo que evita que se quede clavado en su alojamiento. Empleado como segmento de fuego.

Rascadores: pueden ser integrales construidos en una sola pieza con sección de u, o en varias piezas con expansor. Van provistos de orificios para el paso de aceite.

De tres parte: segmento rascador con tres piezas dos aros estrechos y un expansor que los mantiene pegados contra las paredes de su alojamiento.

Fabricación: sus materiales deben poseer gran dureza y resistencia al desgaste, además de ser elásticos.Se fabrican en hierro fundido con distintas aleaciones. En ocasiones se les da una capa de molibdeno para mejorar sus cualidades de deslizamiento y conductividad térmica.Los segmentos de fuego se protegen con alguna capa de cromo por las altas temperaturas.

Bulón

Es la pieza que articula la unión entre el piston y la biela. Sobre él se carga la presión de la combustión, por lo que ha de ser robusto a la vez de ligero.Se fabrica hueco en su interior y su diámetro exterior se calcula en función de el del cilindro, estando entre el 30-40% de este.Se emplean aceros de cromo-níquel con un tratamiento de cementación. Para bulones destinados a motores de altas solicitaciones se emplea cromo-aluminio con tratamiento de nitruración.

Biela

La misión es transmitir la fuerza recibida del piston al cigüeñal. Durante su funcionamiento esta sometido a esfuerzos de compresión,

tracción y flexión; por lo que ha de ser muy rígido y tener el menor peso posible.

Fabricación

Se emplean aceros al carbono aleados que se forjan por estampación, para obtener gran resistencia mecánica. Aunque también se realizan mediante fundición de hierro.

Constitución

Pie de biela: constituye la unión entre piston y biela atraves del bulón.Formas de montaje:

Bulón fijo: el bulón se monta a presión sobre el pie de biela y gira sobre los alojamientos del piston. Este sistema es sencillo ya que se prescinde de casquillo y grupillas.

Bulón flotante: el bulón gira libre sobre ambas piezas. Para evitar que el bulón se desplace, en los extremos se colocan grupillas. El pies de biela lleva insertado un cojinete de bronce que debe ser lubricado, que puede llegar del aceite del segmento rascador o por una canalización desde la cabeza. Tiene la ventaja de repartir el desgaste por rozamiento, y su desmontaje es sencillo extrayendo las grupillas.

Cuerpo de biela: se fabrica con sección de doble T. Este diseño proporciona gran resistencia a la deformación.La longitud de la biela esta en función de la carrera del piston, de los esfuerzos a transmitir y del régimen de giro.

Cabeza de biela: Se hace la unión con la muñequilla del cigüeñal.Para facilitar su montaje se fabrica en dos mitades que se unen mediante tornillos, la mitad que se separa recibe el nombre de sombrerete.Para conseguir un buen ajuste entre la biela y el sombrerete se utiliza la técnica de craqueo, así cada biela solo puede coincidir con su sombrerete. En su interior se alojan los cojinetes de friccion.La unión del sombrerete se realiza con tornillos de dilatación, estos al apretar se estiran, proporcionando una tracción permanente que evita que el tornillo se afloje o se rompa debido a las cargas alternativas.

CigüeñalEl cigüeñal recibe el impulso del piston, de forma que se crea una par de fuerzas que se transforman en un movimiento de rotación.El par generado es transmitido en su mayor parte al embrague utilizándola como fuerza propulsora, y otra pequeña parte se emplea para el accionamiento de dispositivos auxiliares.

Solicitaciones

El cigüeñal gira apoyado en varios puntos y esta sometido a diferentes esfuerzos. Los impulsos sucesivos que recibe en cada muñequilla tienen que

vencer la resistencia al giro que ofrece el volante de inercia y los pistones, por lo que aparecen esfuerzos de torsión y flexión. También actúan sobre él las fuerzas de inercia del conjunto biela-piston. Además esta sometido a vibraciones y a desgastes. Así que el cigüeñal debe ser robusto y a la vez elástico, resistente al desgaste y poseer un nº adecuado de apoyos.

Constitución

Apoyos: son los muñones sobre los que gira el cigüeñal, van montados sobre los cojinetes de bancada en el bloque y su nº depende de las cargas a las que va a ser sometido y del nº de cilindros.

Muñequillas: constituyen los muñones de unión con las cabezas de biela, atraves de las cuales se recibe la fuerza que impulsa al cigüeñal y lo hace girar.

Brazos: forman unión entre apoyos y muñequillas.

Contrapesos: cumplen la misión de equilibrar las masas de cigüeñal.

En uno de los extremos se dispone el plato para la fijación del volante de inercia; en el otro mediante la chaveta, el piñon para el arrastre del árbol de levas y la polea para los diferentes accesorios.

El aceite de engrase llega a los cojinetes a presión hasta los apoyos se transporta hasta las muñequillas por unas canalizaciones.En ambos extremos se colocan retenes de aceite para asegurar la estanqueidad.

FabricaciónSe utilizan dos procedimientos diferentes: mediante fundición o forjado. La fundición en molde es el método mas empleado. Se utilizan acero fundidos con aleaciones.El cigüeñal forjado se obtiene por estampación, de esta forma se consigue una estructura muy resistente y elástica. Se emplean aceros con otros materiales.Las muñequillas y apoyos son sometidos a un tratamiento de endurecimiento superficial.

EquilibradoEl cigüeñal es la pieza de mayor masa y longitud que gira en el motor, y por tanto debe estar equilibrado. Equilibrado estático: se logra cuando las masas están dispuestas alrededor del eje de rotación. La falta de este equilibrado provoca una tendencia a quedar en reposo siempre en una misma posición, ya que la gravedad atrae al punto de mayor masa.Equilibrado dinámico: se obtiene al hacer girar al cigüeñal todas las masas en movimiento producen fuerzas centrifugas alrededor del eje, que quedan compensadas entre si.

Arboles de equilibrado

En determinados motores aparecen vibraciones, a pesar de equilibrar el cigüeñal. Por esto se recurre al montaje de arboles de equilibrado contrarotantes.Estos arboles se situan en ambos lados del bloque, girando en sentid contrario entre si y a doble velocidad que el cigüeñal. Su especial forma produce una fuerzas de igual magnitud pero de sentido contrario a las que originan el desequilibrio, anulando las vibraciones.

Cojinetes de biela y bancada

Para el montaje del cigüeñal se emplean cojinetes de friccion con un bajo coeficiente de rozamiento, siendo necesario el engrase a presión para evitar el contacto de metal con metal y disminuir el desgaste.Los cojinetes están sometidos a duras condiciones de trabajo.Caracteristicas:

Resistencia al gripaje. Facil incrustación de partículas solidas. Facilidad de adaptación a la forma del muñon. Buena conductividad térmica.

Entre el cojinete y el muñon debe mantenerse una holgura destinado a absorber la dilatación y mantener una circulación de aceite. Esta se determina en función del material, del diámetro, de la dilatación térmica y de la velocidad del giro del cigüeñal.

Constitucion: Se dividen en dos mitades, denominadas cojinetes o casquillos.Cada uno esta formado por una base de acero sobre la que se deposita material antifricción. Se suele practicar un orificio para la llegada del aceite y una ranura para su circulación, además de disponer de un talon para posicionarlo.

Materiales: Metal blanco: buena cualidades antifricción, pero baja

resistencia mecánica. Cobre-plomo: estructura resistente y cualidades antifricción.Es

poco deformable y por su dureza no permite la fácil incrustación de partículas.

Aluminio-estaño: muy utilizada; la resistencia la aporta el aluminio y la antifricción el estaño.

Los cojinetes suelen estar formados por varias capas.

Volante de inercia

Las fuerzas del cigüeñal no se aplican de forma continua, y en cada carrera de compresión este tiende a frenarse; dando un giro irregular.

Para regularizar el giro se monta en un extremo el volante de inercia. Este dispositivo consiste en un disco con una elevada masa, que es capaz de almacenar la energía cinetica de los impulsos y devolverla a continuación.El volante suaviza la marcha del motor, pero también trae consigo algunos inconvenientes, ya que su elevado peso somete al cigüeñal a un esfuerzo de torsion.Tambien se opone a los rapidos cambios de régimen, por lo que un volante muy pesado impediría conseguir buenas aceleraciones.

Fabricacion: el volante se fabrica en fundición de hierro.Se monta a presión la corona dentada para el engranaje del motor de arranque, y en muchos casos una rueda fonica de régimen del sistema de inyección y encendido.