Mecánica Esencial del Motor: Funcionamiento y Diseño de Pistón, Biela y Cigüeñal
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El Pistón
Es una pieza móvil dotada de movimiento lineal alternativo. Forma parte de la cámara de combustión. Junto a la biela y el cigüeñal, transforma la energía de presión en energía mecánica.
Condiciones de Funcionamiento del Pistón
- Funcionamiento en frío o en caliente.
- Soporta altas presiones y temperaturas.
- El movimiento es variable, con fuertes aceleraciones.
- Rozamiento lateral variable.
Fuerzas que Actúan sobre el Pistón y Soluciones de Diseño
El apoyo lateral del pistón es la causa del desgaste irregular del cilindro, que produce el ovalamiento. El desgaste es más importante en el lado en que roza el pistón cuando desciende en expansión, ya que en este tiempo las fuerzas son de mayor magnitud que en el de compresión. También se produce conicidad, puesto que las fuerzas sobre el pistón son de mayor intensidad en las proximidades del PMS (Punto Muerto Superior), y por tanto, hay mayor desgaste en esta zona que en la parte inferior del cilindro.
En algunos casos, se recurre al montaje del mecanismo biela-manivela descentrado, es decir, el eje longitudinal del pistón no coincide con el eje de giro del cigüeñal, con el fin de que el desgaste del cilindro sea igual en ambos lados. Existen dos posibles soluciones para mitigar este desgaste:
- La más empleada consiste en desplazar el eje del pistón.
- En otros casos, se desplaza el eje del cigüeñal.
El resultado de este desplazamiento es que disminuye la desviación angular de la biela durante la carrera descendente, con lo cual el esfuerzo lateral del pistón es menor.
Segmentos del Pistón
Los segmentos tienen la misión de garantizar la estanqueidad, evitando que los gases de la combustión pasen al cárter. También se encargan de lubricar las paredes del cilindro y evitar el consumo excesivo de aceite.
Tipos de Segmentos
- De fuego (o compresión)
- Rascador (o control de aceite)
- De engrase
Requisitos de los Segmentos
- Resistencia al desgaste.
- Soportar altas temperaturas (T) y presiones (P).
La Biela
La biela transmite los esfuerzos entre el pistón y el cigüeñal, y convierte el movimiento lineal del émbolo en circular. Soporta esfuerzos de compresión, tracción y pandeo.
Montaje del Bulón
- Flotante: El bulón se monta con juego tanto en la biela como en el émbolo.
- Semiflotante: El bulón se monta con interferencia o apriete en la biela y con juego en el émbolo.
El Cigüeñal
El cigüeñal forma parte del conjunto biela-manivela y es el encargado de transmitir al volante de inercia el movimiento generado por las bielas. En la parte opuesta al volante se encuentran el piñón de la distribución y la polea del cigüeñal, que transmiten el movimiento al mecanismo de la distribución y a otros elementos que precisan de energía mecánica, como el alternador, el compresor de climatización o la bomba de dirección. Está sometido a fuerzas muy elevadas de torsión y flexión, por lo que debe ser muy robusto, sobre todo en los motores diésel.