Árbol de levas
En los motores de pistón, el árbol de levas se utiliza para accionar las válvulas de admisión y escape. El árbol de levas consiste en un vástago cilíndrico que recorre la longitud de la bancada de cilindros con un número de levas (discos con lóbulos de leva que sobresalen) a lo largo de su longitud, uno para cada válvula. Un lóbulo de leva fuerza la apertura de una válvula presionando sobre ella, o sobre algún mecanismo intermedio, mientras gira. Mientras tanto, un muelle ejerce una tensión que tira de la válvula hacia su posición de cierre. Cuando el lóbulo alcanza su máximo desplazamiento en la varilla de empuje, la válvula está completamente abierta. La válvula está cerrada cuando el muelle tira de ella hacia atrás y la leva está en su círculo base.
ConstrucciónEditar
Los árboles de levas están hechos de metal y suelen ser macizos, aunque a veces se utilizan árboles de levas huecos. Los materiales utilizados para un árbol de levas suelen ser:
- Hierro fundido: Comúnmente utilizados en la producción de gran volumen, los árboles de levas de hierro enfriado tienen una buena resistencia al desgaste ya que el proceso de enfriamiento los endurece. Se añaden otros elementos al hierro antes de la fundición para que el material sea más adecuado para su aplicación.
- Acero dulce: Cuando se requiere un árbol de levas de alta calidad o una producción de bajo volumen, los constructores de motores y los fabricantes de árboles de levas eligen el tocho de acero. Se trata de un proceso que requiere mucho más tiempo y que suele ser más caro que otros métodos. El método de construcción suele ser la forja, el mecanizado (con torno o fresadora), la fundición o el hidroconformado. Se pueden utilizar diferentes tipos de barras de acero, un ejemplo es el EN40b. Cuando se fabrica un árbol de levas a partir de EN40b, el árbol de levas también se somete a un tratamiento térmico mediante nitruración con gas, que cambia la microestructura del material. Se obtiene una dureza superficial de 55-60 HRC, adecuada para su uso en motores de alto rendimiento.
- Válvulas desmodrómicas, en las que las válvulas se cierran positivamente mediante un sistema de levas y palancas en lugar de muelles. Este sistema se ha utilizado en varias motocicletas Ducatti de carreras y de carretera desde que se introdujo en la moto de carreras Ducati 125 Desmo de 1956.
- Motor de pistón sin levas, que utiliza actuadores electromagnéticos, hidráulicos o neumáticos. Se utilizó por primera vez en los motores turboalimentados de Renault de Fórmula 1 a mediados de la década de 1980 y se prevé su uso en coches de carretera en el Koenigsegg Gemera.
- Motor Wankel, un motor rotativo que no utiliza ni pistones ni válvulas. Utilizado sobre todo por Mazda desde el Mazda Cosmo de 1967 hasta que se dejó de fabricar el Mazda RX-8 en 2012.
Disposiciones del tren de válvulasEditar
La mayoría de los primeros motores de combustión interna utilizaban una disposición de levas en bloque (como válvulas en cabeza), en la que el árbol de levas se encuentra dentro del bloque del motor, cerca de la parte inferior del mismo. A medida que las velocidades de los motores aumentaron a lo largo del siglo XX, los motores con un solo árbol de levas en cabeza (SOHC) -en los que el árbol de levas está situado dentro de la culata, cerca de la parte superior del motor- se hicieron cada vez más comunes, seguidos por los motores con doble árbol de levas en cabeza (DOHC) en años más recientes.
La disposición del tren de válvulas se define según el número de árboles de levas por banco de cilindros. Por lo tanto, un motor V6 con un total de cuatro árboles de levas (dos por bancada de cilindros) suele denominarse motor de doble árbol de levas en cabeza, aunque coloquialmente a veces se denominan motores de «cuatro levas».
En un motor de válvulas en cabeza, el árbol de levas presiona una varilla de empuje que transfiere el movimiento a la parte superior del motor, donde un balancín abre la válvula de admisión/escape. En los motores OHC y DOHC, el árbol de levas acciona la válvula directamente o a través de un balancín corto.
Sistemas de transmisiónEditar
El control preciso de la posición y la velocidad del árbol de levas es de vital importancia para que el motor funcione correctamente. El árbol de levas es accionado por el cigüeñal, ya sea directamente, por lo general a través de una correa de distribución de goma dentada o una cadena de rodillos de acero (llamada cadena de distribución). En ocasiones también se han utilizado engranajes para accionar el árbol de levas. En algunos diseños, el árbol de levas también acciona el distribuidor, la bomba de aceite, la bomba de combustible y, ocasionalmente, la bomba de la dirección asistida.
Una alternativa utilizada en los primeros tiempos de los motores OHC era accionar el árbol o los árboles de levas a través de un eje vertical con engranajes cónicos en cada extremo. Este sistema se utilizó, por ejemplo, en los coches Peugeot y Mercedes Grand Prix anteriores a la Primera Guerra Mundial. Otra opción era utilizar un triple excéntrico con bielas; se utilizaron en algunos motores diseñados por W.O. Bentley y también en el Leyland Eight.
En un motor de dos tiempos que utiliza un árbol de levas, cada válvula se abre una vez por cada rotación del cigüeñal; en estos motores, el árbol de levas gira a la misma velocidad que el cigüeñal. En un motor de cuatro tiempos, las válvulas se abren sólo la mitad de veces; por tanto, se producen dos rotaciones completas del cigüeñal por cada rotación del árbol de levas.
Características de rendimientoEditar
DuraciónEditar
La duración del árbol de levas determina el tiempo de apertura de la válvula de admisión/escape, por lo que es un factor clave en la cantidad de potencia que produce un motor. Una duración más larga puede aumentar la potencia a altas velocidades del motor (RPM), sin embargo esto puede venir con la contrapartida de menos par motor que se produce a bajas RPM.
La medición de la duración de un árbol de levas se ve afectada por la cantidad de elevación que se elige como el punto de inicio y final de la medición. A menudo se utiliza un valor de elevación de 1,3 mm (0,050 pulgadas) como procedimiento de medición estándar, ya que se considera el más representativo del rango de elevación que define el rango de RPM en el que el motor produce la máxima potencia. Las características de potencia y ralentí de un árbol de levas con la misma clasificación de duración que se ha determinado utilizando diferentes puntos de elevación (por ejemplo, 0,006 o 0,002 pulgadas) podrían ser muy diferentes a las de un árbol de levas con una duración clasificada utilizando puntos de elevación de 0,05 pulgadas.
Un efecto secundario del aumento de la duración puede ser el aumento del solapamiento, que determina el tiempo que las válvulas de admisión y de escape están abiertas. El solapamiento es lo que más afecta a la calidad del ralentí, en la medida en que el «soplo» de la carga de admisión inmediatamente de vuelta a través de la válvula de escape que se produce durante el solapamiento reduce la eficiencia del motor, y es mayor durante el funcionamiento a bajas RPM. En general, el aumento de la duración de un árbol de levas por lo general aumenta la superposición, a menos que el ángulo de separación de lóbulos se incrementa para compensar.
LiftEdit
La elevación del árbol de levas determina la distancia entre la válvula y el asiento de la válvula (es decir, cuánto se abre la válvula). Cuanto más se eleva la válvula desde su asiento, más flujo de aire se puede proporcionar, aumentando así la potencia producida. Una mayor elevación de la válvula puede tener el mismo efecto de aumentar la potencia máxima que una mayor duración, sin los inconvenientes causados por un mayor solapamiento de las válvulas. La mayoría de los motores de válvulas en cabeza tienen una relación de balancines superior a uno, por lo que la distancia que abre la válvula (la elevación de la válvula) es mayor que la distancia desde el pico del lóbulo del árbol de levas hasta el círculo base (la elevación del árbol de levas).
Hay varios factores que limitan la cantidad máxima de elevación posible para un motor determinado. En primer lugar, el aumento de la elevación acerca las válvulas al pistón, por lo que una elevación excesiva podría hacer que las válvulas fueran golpeadas y dañadas por el pistón. En segundo lugar, el aumento de la elevación significa que se requiere un perfil de árbol de levas más pronunciado, lo que aumenta las fuerzas necesarias para abrir la válvula. Un problema relacionado es la flotación de la válvula a altas RPM, donde la tensión del muelle no proporciona suficiente fuerza para mantener la válvula siguiendo la leva en su ápice o evitar que la válvula rebote cuando vuelve al asiento de la válvula. Esto puede ser el resultado de una subida muy pronunciada del lóbulo, donde el seguidor de la leva se separa del lóbulo de la leva (debido a que la inercia del tren de válvulas es mayor que la fuerza de cierre del muelle de la válvula), dejando la válvula abierta durante más tiempo del previsto. La flotación de la válvula causa una pérdida de potencia a altas RPM y, en situaciones extremas, puede resultar en una válvula doblada si es golpeada por el pistón.
Cronización
La sincronización (ángulo de fase) del árbol de levas en relación con el cigüeñal se puede ajustar para cambiar la banda de potencia de un motor a un rango diferente de RPM. Adelantando el árbol de levas (adelantándolo al cigüeñal) se aumenta el par a bajas revoluciones, mientras que retrasando el árbol de levas (retrasándolo al cigüeñal) se aumenta la potencia a altas revoluciones. Los cambios requeridos son relativamente pequeños, a menudo del orden de 5 grados.
Los motores modernos que tienen sincronización variable de las válvulas a menudo son capaces de ajustar la sincronización del árbol de levas para adaptarse a las RPM del motor en cualquier momento. Esto evita el compromiso mencionado anteriormente que se requiere cuando se elige una sincronización de levas fija para su uso tanto a altas como a bajas RPM.
Ángulo de separación de lóbulosEditar
El ángulo de separación de lóbulos (LSA, también llamado ángulo de la línea central de los lóbulos) es el ángulo entre la línea central de los lóbulos de admisión y la línea central de los lóbulos de escape. Un LSA más alto reduce el solapamiento, lo que mejora la calidad del ralentí y el vacío de admisión; sin embargo, el uso de un LSA más amplio para compensar una duración excesiva puede reducir la potencia y el par motor. En general, el LSA óptimo para un motor determinado está relacionado con la relación entre el volumen del cilindro y el área de la válvula de admisión.
Mantenimiento y desgasteEditar
Muchos motores antiguos requerían el ajuste manual de los balancines o varillas de empuje para mantener el correcto juego de válvulas a medida que el tren de válvulas se desgastaba (en particular las válvulas y los asientos de las válvulas). Sin embargo, la mayoría de los motores de automóviles modernos tienen elevadores hidráulicos que compensan automáticamente el desgaste, eliminando la necesidad de ajustar el juego de válvulas a intervalos regulares.
La fricción de deslizamiento entre la superficie de la leva y el seguidor de leva que va sobre ella puede ser considerable. Para reducir el desgaste en este punto, tanto la leva como el seguidor están endurecidos en su superficie, y los aceites de motor modernos contienen aditivos para reducir la fricción por deslizamiento. Los lóbulos del árbol de levas suelen ser ligeramente cónicos y las caras de los levantaválvulas ligeramente abombadas, lo que hace que los levantaválvulas giren para distribuir el desgaste en las piezas. Las superficies de la leva y del seguidor están diseñadas para «desgastarse» juntas, y por lo tanto cada seguidor debe permanecer con su lóbulo de leva original y nunca ser movido a un lóbulo diferente. Algunos motores (sobre todo los que tienen lóbulos del árbol de levas muy inclinados) utilizan taqués de rodillos para reducir la fricción de deslizamiento en el árbol de levas.
Los cojinetes de los árboles de levas, similares a los del cigüeñal, son cojinetes lisos que se alimentan a presión con aceite. Sin embargo, los cojinetes de los árboles de levas en cabeza no siempre tienen casquillos reemplazables, en cuyo caso hay que sustituir toda la culata si los cojinetes están defectuosos.
AlternativasEditar
Además de la fricción mecánica, se necesita una fuerza considerable para abrir las válvulas contra la resistencia que ofrecen los muelles de las válvulas. Se calcula que esto puede suponer un 25% de la potencia total de un motor al ralentí, lo que reduce la eficiencia general.
Los siguientes sistemas alternativos se han utilizado en motores de combustión interna: