jueves, 17 de julio de 2008

CIGÜEÑAL

Un cigüeñal es un eje con codos y contrapesos presente en ciertas máquinas que, aplicando el principio del mecanismo de biela - manivela, transforma el movimiento rectilíneo alternativo en rotatorio y viceversa.
Los cigüeñales se utilizan extensamente en los motores alternativos, donde el movimiento lineal de los pistones dentro de los cilindros se trasmite a las bielas y se transforma en un movimiento rotatorio del cigüeñal que, a su vez, se transmite a las ruedas y otros elementos como un volante de inercia. El cigüeñal es un elemento estructural del motor.
Normalmente es forjado en una sola pieza de aleaciones del acero con tratamiento termico capaces de soportar los esfuerzos y empuje a los que se ven sometidos durante la carrera de potencia sin que se deforme; y pueden tener perforaciones y conductos para el paso de lubricante.






Ademas, debe estar cuidadosamente balanceado (equilibrado) para eliminar vibraciones anormales producidas por los muñones (codos) descentrados.

Hay diferentes tipos de cigüeñales; los hay de tres apoyos, de cinco apoyos, etcétera, dependiendo del número de cilindros que tenga el motor.

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MUÑONES.

Los muñones del cigueñal estan pulimentados para tener una superficie adecuada de trabajo para los metales de los cojinetes. Las superficies de los muñones estan endurecidas; las de los cojinetes son blandas. Una superficie dura y blanda trabajan bien entre si con lubricacion adecuada.

Para un cigueñal corto y rigido de un motor enj v, los muñones pueden ser de mayor diametro pero mas cortos que en un motor en linea de tamaño similar.


Traslapo de muñones.

Para producir un cigueñal que resista laas torceduras y la flexion bajo carga y que tenga una superficie adecuada de cojinetes o apoyo, se requieren muñones de diametro grande y almas gruesas. Estos 2 requisitos se han combinado para producir lo que se conoce como traslapo de muñones.


Se ve que el diametro del muñon de la biela se traslapa con el diametro del muñon principal. el espesor del alma se puede reducir, para disminuir la longitud del cigueñal y hacerlo mas rigido.

Filetes del cigueñal.

Se provee un radio o filete entre el muñon y el alma. Este filete es muy importante porque produce un cambio gradual en el espesor de la seccion. durante el reacondicionamiento de los motores, cuando se rectifica el cigueñal, el operador de la rectificadora debe tener cuidado de serciorarse que no se reduzcan los filetes, porque se debilitara mucho el cigueñal.

Un cigueñal sin filete o con filete muy pequeño en ese lugar sufrira un momento en los esfuerzos; es decir, esa superficie transversal particular soportara una carga mucho mayor que la superficie transversal contigua. La provision del filete evita que los esfuerzos sean mayores en ese sitio particular y refuerza el cigueñal.

Contrapesos.

El cigueñal tiene masas para equilibrio o balanceo, mejor conocidas como cotrapesos. Se necesita el balanceo de las piezas que giran porque la fuerza centrifuga actua hacia afuera desde el centro de rotacion y su efecto, en el cigueñal, podria aumentar las fuerzas que actuan contra las partes del mismo, imponiendo mayores cargas en los cojinetes y produciendo vibraciones.


Aparte de la fuerza centrifuga, el cigueñal tambien esta sometido a fuerzas de torceduray flexion a fuerzas debidas a la inercia.

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.

INSPECCION DEL CIGÜEÑAL.

Hay que hacer una inspección visual y ver si el cigüeñal tiene desgaste o daños antes de medir el desgaste en los muñones. Hay que inspeccionar si los muñones tienen escoriacion o señales de decoloración por sobrecalentamiento. Hay que las superficies en que actúan los sellos de aceite para determinar que esten en buenas condiciones, sin desgaste ni ranuras. Se debe comprobar si el cigüeñal tiene grietas, por medio de un detector magnético de grietas.

Medición de los muñones.

Hay que medir con presición los muñones con un micrómetro de exteriores para determinar si hay ovlación y conicidad. Para medir si hay conicidad, las estructuras se deben hacer en cada extremo del muñón. La conicidad permisible varia un poco según la marca de motor, pero la especificación promedio es alrededor de 0.04 mm para los muñones de biela y de 0.05 para los muñones principales. Las lecturas para la ovalización (excentricidad) se deben tomar alrededor del diámetro del muñón en diversos lugares. La ovalización permisible promedio es de 0.08 mm para los muñones de biela y de 0.10 mm para los muñones principales.

El desgaste en los muñones de biela suele ser mayor que en los principales. La carga en los muñones y cojinetes principales es casi constante, pero las cargas en los muñones y cojinetes de biela no lo son y son mayores cerca de las posiciones de los pistones en el PMS y en el PMI.

Reacondicionamiento de los muñones.

Si los muñones tienen ovalización o conicidad que excedan de los límites especificados o si están ásperos, rayados, picados o con otros daños, se deben rectificar a baja medida (menor medida) para instalar cojinetes de baja medida. Están disponibles en bajo medidasde 0.05 mm, 0.25 mm, 0.50 mm y 0.75 mm, pero varían según la marca del motor.

Rectificación del cigüeñal.

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Se utiliza una rectificadora especial para los muñones del cigüeñal. La rectificadora tiene mandriles ajustables para soportar cada extremo del cigüeñal y permitir ubicarlo con precision para rectificar los muñones de biela. Hay que hacer girar el muñón de biela contra la rueda abrasiva durante la rectificación. Los mandrilezs o mordazas que soprtan el cigüeñal permiten colocarlop de modo que el muñón de biela gire sobre su propio eje, mientras el resto del cigüeñal está desplazado del centro.

La rueda abrasiva se debe rectificar con precisión, pero deja una "pelusa" muy fina en las superficies rectificadas. Para eliminarla, se efectúa un pulimiento final para producir una superficie con un buen acabado.

Limpieza del cigüeñal.

Despues de rectificar o siempre que se desmonte el cigüeñal del motor, hay que limpiarlo minuciosamente con un disolvente, en particular los agujeros y conductos para aceite. Recuérdese que cualquier residuo de abrasivo en un conducto para aceite pdría llegar hasta las superficies de apoyo y cojinetes y ocasionar falla prematura de los cojinetes. Inmediatamente después de limpiar, hay que apicar acete en todas las superficies para cojinete a fin de impedir la herrumbre.

Restauración del cigüeñal.

Los muñones que están dañados o escoriados hasta el grado de necesitar rectificación excesiva, se pueden restaurar mediante la reconstrucción o enmetalado del muñón con soldadura. Hay una máquina especial, el la cual se puede montar y hacer girar el cigüeñal durante la aplicación de soldadura. Se utiliza un proceso especial de soldadura en el cual la pieza que se va a soldar y el alambre están cubiertos por gas inerte; el alambre tiene avance automático desde un rollo en la parte trasera de la máquina. La cabeza para soldadura está dispuesta en un mecanismo móvil para que pueda viajar a lo largo del muñón. Con ello, durante el trabajo, el cigüeñal gira mientras la cabezapara soldadura se mueve a lo largo del muñón y deposita la soldadura en forma de un cordón continuo a lo largo del muñón mientras se hace girar el cigüeñal.

Después de haber aplicado suficiente metal de soldadura en el muñón para restaurarlo, se rectifica a la medida estándar.

Una técnica que se utiliza para restaurar muñones dañados y otras superficies se conoce como cromado duro. Es u proceso de recubrimiento electrolítico con el cual se electrodeposita una capa de cromo en el muñón para restaurarle su tamaño original. Se reviste el muñón a una sobremedida y luego se rectifica a la medida estándar.

Este proceso se puede utilizar en piezas nuevas o gastadas. La capa de cromo depositada se puede controlar con precisión y su espesor puede ser de apenas 0.02 mm. Una capa de este espesor es una excelente superficie de trabajo para un cojinete y se emplea en muchas aplicaciones además de los cigüeñales.

En los primeros tiempos, el motor típico de combustión interna era monocilindrico y el cigüeñal, al tener una sola manivela, era completamente semejante al antiguo berbiquí de carpintero. 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 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.



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.


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 fibras 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.

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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 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. 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.
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 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.

EXCÉNTRICA.

Tanto la excéntrica como el resto de operadores similares a ella: manivela, pedal, cigüeñal... derivan de la rueda y se comportan como una palanca.
Desde el punto de vista técnico la excéntrica es, básicamente, un disco (rueda) dotado de dos ejes: Eje de giro y el excéntrico. Por tanto, se distinguen en ella tres partes claramente diferenciadas:
El disco, sobre el que se sitúan los dos ejes.
El eje de giro, que está situado en el punto central del disco (o rueda ) y es el que guía su movimiento giratorio .
El eje excéntrico, que está situado paralelo al anterior pero a una cierta distancia (Radio) del mismo.


Al girar el disco, el Eje excéntrico describe una circunferencia alrededor del Eje de giro cuyo radio viene determinado por la distancia entre ambos.
El disco suele fabricarse en acero o fundición, macizo o no .


Utilidad.
Su utilidad práctica se puede resumir en tres posibilidades básicas:
Imprimir un movimiento giratorio a un objeto. Esto se consigue simplemente con una excéntrica en la que el eje excéntrico hace de agarradera (molinos de mano, sistemas de rehabilitación de los brazos, manivelas...) y se le hace girar sobre su eje central.

Imprimir un movimiento giratorio a un eje empleando las manos o los píes. En ambos casos se recurre más a la manivela que a la excéntrica. Pero una aplicación que no ha renunciado a la excéntrica es la conversión en giratorio del movimiento alternativo producido por un pie (máquinas de coser antiguas). Esto se consigue con el sistema excéntrica-palanca-biela.


Transformar un movimiento giratorio en lineal alternativo (sistema excéntrica-biela) Con la ayuda de una biela, transformar en lineal alternativo el movimiento giratorio de un eje (la conversión también puede hacerse a la inversa). Si se añade un émbolo se obtiene un movimiento lineal alternativo perfecto.