Mecanismos de Transmisión de Fuerza en Motores: Pistón, Biela y Cigüeñal

1. Transmisión de Fuerzas

El tren alternativo, compuesto por el conjunto de pistón, biela y cigüeñal, tiene una doble misión: transformar el movimiento alternativo del pistón en un movimiento de rotación en el cigüeñal y transmitir las fuerzas originadas en la combustión. Va articulado por el bulón y en la muñequilla, siendo el eje del cigüeñal el centro de giro. El pistón se desplaza dentro del cilindro con un movimiento rectilíneo a velocidad variable.

1.1. Fuerzas que Actúan sobre el Pistón

Descenso: La fuerza que actúa sobre la cabeza del pistón se transmite a la biela a través del bulón. Este punto articula las dos fuerzas resultantes, una en la misma dirección de la biela y otra perpendicular al desplazamiento del pistón, haciendo que este se apoye en la pared del cilindro.

Ascenso: El bulón recibe la fuerza que se descompone en dos, una que va en el sentido en el que se desplaza el pistón y otra lateral que es la causante del apoyo del pistón en la pared del cilindro. Este caso es opuesto al descenso.

El apoyo lateral del pistón es la causa del desgaste irregular del cilindro que produce ovalamiento, es más importante en el lado donde apoya el pistón cuando desciende en expansión. También se produce conicidad, puesto que las fuerzas sobre el pistón son mayores en el PMS (Punto Muerto Superior), por lo tanto, hay mayor desgaste en esa zona que en la parte inferior del cilindro.

En algunos casos, se recurre al montaje del mecanismo biela - manivela descentrada: el eje longitudinal del pistón no coincide con el eje de giro del cigüeñal.

1.2. Velocidad del Pistón

Una vuelta de cigüeñal se consigue con dos carreras del pistón. El pistón acelera hasta alcanzar su máxima velocidad y después desacelera hasta cero para efectuar el cambio de sentido en los PMS y PMI (Punto Muerto Inferior). De este movimiento variable se puede conseguir una velocidad media del pistón:

Vm = carrera (metros) x revoluciones por minuto / 30

Las altas velocidades del pistón aceleran el desgaste de los cilindros y, además, provocan elevadas fuerzas de inercia, por lo que someten a grandes esfuerzos a todo el conjunto. La velocidad media del pistón se sitúa entre 10 y 15 m/s y no debe superar los 18 m/s para evitar desgastes prematuros en los cilindros. Para obtener un número elevado de revoluciones sin que aumente en exceso la velocidad del pistón, se fabrican motores de carrera corta.

1.3. Fuerzas que Actúan sobre el Cigüeñal

Par motor: Producto de la fuerza aplicada sobre la muñequilla del cigüeñal por la longitud del brazo de palanca, siempre que dicha fuerza sea aplicada en el ángulo correcto.

La longitud eficaz del brazo de palanca varía con el ángulo que va tomando la biela con respecto al cigüeñal, esto da lugar a un par motor irregular durante el giro.

Las fuerzas que actúan sobre las muñequillas se descomponen en dos fuerzas perpendiculares entre sí, una de ellas es tangencial al círculo del cigüeñal y proporciona el trabajo de giro y la otra fuerza se ejerce sobre el apoyo del cigüeñal, sometiendo a un gran esfuerzo a los cojinetes. El valor va cambiando a medida que cambia el ángulo.

Cuando el pistón está en PMS, la biela queda alineada con el brazo del cigüeñal, no existe par de fuerza y se carga toda la presión sobre los cojinetes de muñequilla y apoyo del cigüeñal y sobre el bulón. Originan los siguientes desgastes:

• Desgaste en las paredes del cilindro por el apoyo lateral del pistón.
• Desgaste en los cojinetes de apoyos y muñequillas del cigüeñal por las elevadas cargas que sobre ellos se aplica.
• Efectos de inercia por las altas velocidades del pistón.