Algunos términos utilizados para el estudio delmotor

· Punto muerto superior (PMS): es cuando el pistón en su movimiento alternativo alcanzala punto máximo de altura antes de empezar a bajar.

· Punto muerto inferior (PMI): es cuando el pistón en su movimiento alternativo alcanza elpunto máximo inferior antes de empezar a subir.

· Diámetro o calibre (D): Diámetro interior del cilindro (en mm.)· Carrera (C): Distancia entre el PMS y el PMI (en mm).· Cilindrada unitaria (V): es el volumen que desplaza el pistón en su movimiento entre el

PMI y PMS. Comúnmente, es expresado en c.c. (centímetros cúbicos) o en litros.· Volumen de la cámara de combustión (v): Volumen comprendido entre la cabeza del

pistón en la posición PMS y la culata. Comúnmente, es expresado en c.c. (centímetroscúbicos).

Relación de compresión (Rc): es la relación que existe entre la suma de volúmenes (V + v) y elvolumen de la cámara de combustión. Este dato se expresa como el siguiente ejemplo: 10,5/1. Larelación de compresión (Rc) es un dato que nos lo da el fabricante, no así el volumen de la cámarade combustión (v) que lo podemos calcular por medio de la formula de la (Rc).

· La Rc para motores Otto (gasolina) viene a ser del orden de 8 - 11/1. Para motoressobrealimentados la relación de compresión es menor..

· La Rc para motores Diesel viene a ser del orden de 18 - 22/1.

En la figura inferior tenemos como ejemplo que la relación de compresión es de diez a uno. Estonos indica que el volumen total del cilindro se comprime diez veces para reducirse al tamaño de lacámara de combustión. Esta característica nos da una idea de las prestaciones del motor, sueficiencia y su potencia; en la medida que el número de la izquierda sea mayor, la relación serámás elevada y las prestaciones superiores dentro de ciertos limites.

Arquitectura del motor

Motor policilindrico

Se entiende por motor policilindrico el formado por varios cilindros situados en uno o masbloques unidos entre sí y cuyas bielas atacan a un solo cigüeñal.

La disposición de varios cilindros tiene por finalidad aumentar la potencia del motor,conseguir una velocidad de rotación más uniforme y compensar los momentos de inercia al repartirlas masas en movimiento. Además permite lograr un mayor número de revoluciones al disminuir elpeso de las masas en movimiento. Como inconveniente los motores policilindricos utilizan unmayor número de piezas en movimiento, lo que complica la construcción del motor, lo encarece yaumenta la posibilidad de averías.

Agrupación de los cilindros

El número de cilindros de un motor puede ser de 2 hasta 12, los cuales, según su disposición en elmotor, reciben el nombre genérico de:

Motores con cilindros en línea

Motores con cilindros en "V"

Motores con cilindros horizontales opuestos o "boxer".

Motores con cilindros en línea

Estos motores tienen dispuestos los cilindros en un solo bloque en posición vertical unodetrás de otro. Estos motores pueden llevar desde hasta 8 cilindros. Los mas generalizados sonlos de 4 cilindros, ya que en motores de 6 cilindros o mas, la longitud del cigüeñal es demasiadogrande, lo que puede producir vibraciones o lo que es peor su deformación o rotura.

Motores con cilindros en "V"

Estos motores llevan los cilindros repartidos en dos bloques unidos por una base o bancada yformando un cierto ángulo. Cada bloque lleva igual número de cilindros y todos ellos atacan uncigüeñal único.

Esta forma constructiva es ventajosa para un número de cilindros igual o mayor que 6, ya que esmás compacta, con lo cual el cigüeñal, al ser más corto, trabaja en mejores condiciones,evitándose deformaciones por flexión y vibraciones torsionales.

Motores con cilindros horizontales opuestos (boxer)

Estos motores son una variante particular de los motores en "V". Llevan sus cilindrosdispuestos en dos bloques que forman un ángulo de 180º colocados en posición horizontal y ensentidos opuestos que se unen por una base o bancada. Las bielas de cada cilindro atacan a unsolo cigüeñal central. Esta disposición tiene la ventaja de reducir la altura de motor. Por eso seaplica a vehículos con espacio lateral suficiente y poca altura disponible, como es el caso demotocicletas de gran potencia, donde se utilizan motores de este tipo de 2 y 4 cilindros. Los de 4 y6 cilindros se emplean en turismos y los de 8 cilindros en autocares donde, debido a la poca alturaque ocupan, se aprovecha al máximo la longitud del chasis, obteniéndose así mayor espacio útil dela carrocería.

Numeración de los cilindros

La numeración de los cilindros en todos los casos constructivos viene determinado segúnla normativa UNE 10 052-72 y la DIN 73 021. Se empieza la numeración de los cilindros del motorpor el lado opuesta a la toma de fuerza, es decir al lado contrario del volante motor. En los motoresen "V" y en los horizontales (boxer), la numeración de los cilindros comienza también por el ladoopuesto del volante de inercia y por el bloque de cilindros situado a la izquierda, enumerando acontinuación los cilindros situados en el bloque de la derecha y también en el mismo sentido.

Estructura del motor de explosiónEl motor térmico de combustión interna esta formado básicamente por una serie de

elementos estáticos y dinámicos, clasificados, en función de la misión que cumplen dentro delmotor, en tres grupos esenciales, que serian:

Elementos fijos

En este grupo están encuadrados aquellos elementos estáticos necesarios para elfuncionamiento del motor. Forman el armazón del motor y de los cilindros, en cuyo interior tienelugar el proceso de combustión.

Bloque motor

El bloque constituye el cuerpo estructural donde se alojan y sujetan todos los demáscomponentes del motor.

La forma y disposición del bloque está adaptada al tipo de motor correspondiente, segúnsea de cilindros en "línea", horizontales opuestos o en "V".

El bloque motor contiene los cilindros, los apoyos del cigüeñal y la culata, lascanalizaciones de refrigeración y engrase etc.

Bloque con refrigeración por agua

Los motores refrigerados por agua llevan situados en el interior del bloque unos huecos ycanalizaciones, denominadas "camisas de agua", que rodean a los cilindros y a través de loscuales circula el agua de refrigeración.

Bloque con refrigeración por aire

En los motores enfriados por aire, para que la refrigeración se realice en las debidascondiciones en toda la periferia del cilindro, es preciso que éstos sean independientes, por lo queesta disposición se emplea generalmente para motores monocilindricos.

Para conseguir la refrigeración se dispone alrededor del bloque una serie de aletas queaumentan la superficie radiante y eliminan mejor el calor interno.

Bloque de motor de dos tiempos

En pequeños motores de dos tiempos, debido a su sistema de alimentación y escape porlumbreras laterales situadas en el cilindro, no es preciso hacer la culata desmontable. Se fabricangeneralmente de un solo cuerpo, del tipo monoblock, con lo que resultan más compactos y evitanpuntos de unión entre sus elementos.

Fabricación del bloque

Los bloques se fabrican de una sola pieza y completamente huecos para eliminar pesomuerto en el motor. Todos los cilindros van dispuestos en uno o dos bloques, según el tipo demotor, unidos por su bancada, formando así un cuerpo único.

Esta disposición de un solo bloque tiene la ventaja de dar mayor rigidez al conjunto,simplifica la refrigeración del motor y facilita el proceso de fabricación.

El material empleado en la fabricación de los bloques es, generalmente, fundición de hierrocon estructura perlítica, aleado con pequeñas proporciones de cromo y níquel, que proporcionanuna gran resistencia al desgaste y protección a la corrosión. Este material además resiste muy bienlas altas temperaturas que tiene que soportar.

En la fabricación de bloques se emplean también las aleaciones ligeras a base dealuminio-silicio, que tienen las ventajas de su menor peso y gran conductibilidad térmica, con loque se mejora la refrigeración. Estas características permiten aumentar el grado de compresión enlos motores de gasolina, con lo que se obtiene una mayor potencia útil y un menor peso especificopara una misma cilindrada.

Formación de los cilindros

El orificio circular que sirve de cilindro puede practicarse sobre el propio material delbloque, o bien puede obtenerse ajustando en este unas piezas postizas en forma de tubo llamadas"camisas". Estas piezas se fabrican independientemente y se montan sobre el bloque con un buenajuste.

Según el procedimiento empleado para obtener los cilindros hay que distinguir tres clasesde bloques:

Bloque integral

Los cilindros se mecanizan sobre el propio material del bloque. Para ello, el orificiodestinado a formar el cilindro se obtienen en bruto, de fundición, con la sobre medida necesariapara el mandrinado Este tipo de bloque es muy utilizado en la actualidad.

Bloque con camisas

Las camisas son unos cilindros desmontables que se acoplan al bloque motor. Tienen laventaja de que se pueden fabricar de materiales distintos al del bloque motor, por lo que puedenser mas resistentes al desgaste y mas eficientes a la hora de evacuar el calor. En caso de avería odesgaste de los cilindros pueden ser sustituidas las camisas sin que el bloque motor se veaafectado.

Las superficies interiores de las camisas se obtienen por mecanizado de precisión,rectificado y pulido. A continuación, reciben un tratamiento superficial, que en muchos casos es uncromado con el fin de reducir el desgaste de segmentos y cilindros, estando controlado es procesode forma que resulte una superficie finamente porosa capaz de retener el lubricantes.

Hay dos tipos de camisas en los bloques:

· Camisas secas: se llaman camisas "secas" por que no están en contacto directo con elliquido de refrigeración

· Camisas húmedas: se llaman camisas "húmedas" por que están en contacto directo con elliquido refrigerante

Camisas secas

Estas camisas van montadas a presión, en perfecto contacto con la pared del bloque, paraque el calor interno puede transmitirse al circuito de refrigeración. Estas camisas se fabrican demateriales mas resistentes que los del bloque por lo que pueden utilizarse en motores quesoporten mayores presiones internas como son los motores Diesel. Las camisas se montan en elbloque a presión por medio de una prensa, de esta forma se consigue que queden fijas sobre elbloque sin que puedan moverse.

Las camisas secas pueden ser con pestaña de asiento y sin pestaña.

Camisas húmedas

Las camisas húmedas son unos cilindros independientes que se acoplan al bloque que escompletamente hueco. Se ajustan al bloque por medio de unas juntas de estanqueidad, para evitarque el agua pase al cárter de aceite. Estas camisas sobresalen ligeramente del plano superior delbloque de forma que quedan fijadas una vez que se aprieta la culata.

Esta disposición del motor ofrece una mejor refrigeración del motor, y se empleageneralmente en motores de gran potencia, donde se necesita una mayor evacuación de calor.Tiene el inconveniente de su mayor costo de fabricación y una cierta dificultad de montaje, ya que,al estar la camisa en contacto directo con el liquido de refrigeración, existe el riesgo de que seproduzcan fugas a través de las juntas de estanqueidad.

La culata

Es la pieza que sirve de cierre de los cilindros, formándose generalmente en ella lascámaras de combustión. En la culata se instalan las válvulas de admisión y escape, los colectoresde admisión y escape, los balancines, el árbol de levas, también los elementos de encendido oinyección, según el tipo de motor de que se trate. Ademas de las cámaras de combustión la culatatiene cámara para el liquido de refrigeración y conductos para los gases de escape y aire deadmisión.

Culata para motor de cuatro tiempos

Debido a los esfuerzos a que está sometido y a las altas temperaturas que tiene quesoportar, este elemento es una de las piezas mas delicadas y de difícil diseño del motor. Lacantidad de huecos y orificios de paso que posee pueden hacer que su estructura quededebilitada. Se fabrica hueca para que pueda circular por su interior el agua de refrigeración.Todo ello hace muy difícil a la hora de proyectar una culata, fijar matemáticamente susdimensiones y espesores de material, los cuales deben adaptarse a las características del motor,con un espesor en sus paredes lo mas uniforme posible para evitar desequilibrios térmicos en lamisma, lo cual originaria la aparición de grietas en la estructura.

Las zonas de la culata que soportan más calor son: la cámara de combustión y el conductode salida de los gases quemados. Por tanto, se debe estudiar con detalle la correcta circulación delliquido de refrigeración, para que todo el conjunto quede térmicamente equilibrado.

Culata para motores de dos tiempos

Esta culata es mas simple que la de cuatro tiempos, ya que solo necesita un orificio parainstalar la bujía o inyector. Resulta aún mas sencilla si la refrigeración se realiza por aire.No obstante, la refrigeración de esta culata es de suma importancia, ya que, al producirse en ellalas combustiones con mayor rapidez, se dispone de menos tiempo para la evacuación del calorinterno. Por esta razón su material alcanza mayor temperatura limite durante su funcionamiento.Estas culatas utilizan materiales de aleación ligera como el aluminio y tienen una serie de aletasexternas que ayudan a la evacuación del calor del motor.

Material de las culatas

El material para la fabricación de las culatas es:

· Aleación de aluminio: la culata se construye de aleación de aluminio, silicio y magnesio.Sus principales cualidades son una buena resistencia, peso reducido y gran transferenciade calor, lo que permite alcanzar rápidamente la temperatura de funcionamiento y facilita larefrigeración.Estas culatas son mas caras de fabricar y son mas frágiles porque sufren mayoresdeformaciones. Pero tienen la ventaja de su menor peso y su mayor capacidad derefrigeración del motor. Estas características hacen que las culatas de este tipo sean lamas utilizadas actualmente. Se pueden montar tanto en motores con bloque de fundicióncomo de aleación de aluminio.

· Hierro fundido: la culata se construye con una aleación de hierro, cromo y níquel, que lahacen mas resistente y menos propensa a las deformaciones. Estas culatas admiten unmayor par de apriete y es mas resistente a las deformaciones y tiene la desventaja de sumayor peso y su menor capacidad de refrigeración del motor.

Montaje de la culata

Una de las características a tener en cuenta de las culatas es su amarre al bloque motor,ya que, al estar sometida a la fuerza de empuje de los gases de la combustión, tiende a separarsedel bloque. Por esta razón, el sistema de amarre y el numero mas conveniente de puntos de unión,se estudia cuidadosamente, así como la calidad y dimensiones de los espárragos empleados paraello.

El número de puntos de amarre depende de las dimensiones de la culata ya que si seemplean muchos espárragos, mayor es el número de agujeros que hay que practicar en la misma,lo que debilita su estructura y aumenta las dificultades de moldeado. Por otra parte se disminuye elpeligro de flexión y la dilatación de la misma, al ser menor la separación entre puntos de amarre,asegurando así el cierre estanco de los cilindros.

El par de apriete establecido para cada culata viene indicado por el fabricante en funciónde la presión interna y del material empleado en su fabricación. Este par de apriete se logra con elempleo de llaves dinamométricas. Se debe seguir el orden de apriete establecido por el fabricante,comenzando normalmente por el centro y terminando por los extremos.

Colectores de admisión y escape

Estos elementos van situados lateralmente en la culata y, como su nombre indica, son losconductos por los cuales entran las gases frescos al interior del cilindro y salen al exterior los gasesquemados.

Colector de admisión

El colector de admisión suele fabricarse de aluminio, ya que al no estar expuesto a laselevadas temperaturas del motor no sufre apenas dilataciones, reduciendo así el peso del mismo.La principal características de este colector, es su perfecto diseño en cuanto a distribución ydiámetro interior, a fin de que la mezcla o aire de admisión llegue sin perdidas de carga a cada unode los cilindros. Para que esto se cumple la longitud de los tubos debe ser lo mas corto posible yequidistante del carburador o en sistemas de inyección monopunto, con una superficie interiorperfectamente lisa, para evitar retenciones de la mezcla durante la admisión.

Para favorecer el arranque en frío evitando que el combustible se condense en lasparedes, se utilizan sistemas de calentamiento situados en los colectores por debajo de lamariposa de gases. Estos sistemas pueden aprovechar el calor del agua de refrigeración o bienutilizar una resistencia eléctrica de calentamiento.

En sistemas de inyección multipunto, los colectores se pueden optimizar mejor, ya quecada cilindro tiene su inyector al lado de la válvulas de admisión, por lo que podemos dar unalongitud a los tubos de admisión lo mas optimo a las características del motor (cilindrada, nº r.p.m.).En este tipo de motores se pueden utilizar sistemas de admisión variable que pueden variar lalongitud de los tubos del colector de admisión o bien utilizar tubos divididos que se utilizanparcialmente o en su totalidad utilizando mariposas de paso.

En motores Diesel se utilizan colectores como los utilizados en los sistemas de inyecciónmultipunto ya que tienen un inyector por cada cilindro independientemente del sistema deinyección utilizado. En estos motores se buscan colectores de admisión que consigan una elevadaturbulencia de aire en el interior del cilindro.

Colector de escape

Se fabrican de hierro fundido con estructuras perlítica, ya que tiene que soportar altastemperaturas y presiones durante la salida de los gases. Como en el caso del colector deadmisión, debe estar diseñado para evitar toda contrapresión en el interior del cilindro y facilitar lasalida rápida de los gases.

Existen varios modelos que se adaptan a cada tipo de motor. Se emplea el sistema detubos múltiples en los motores de altas prestaciones.

Disposición de los colectores en el motor

Los colectores se sitúan uno a cada lado de la culata, lo cual favorece el arrastre de gasesquemados debido al flujo de entrada de los gases frescos de admisión.

Otras veces, ambos colectores se colocan en el mismo lado de la culata, con lo cual elcalor de los gases de escape se transmiten al colector de admisión. Esta disposición favorece laperfecta carburación de la mezcla en los motores Otto y evita la condensación de los gases en elcolector de admisión en tiempo frío.

Juntas en el motor

En todo acoplamiento de elementos fijos se interpone una junta de unión, la cual hace decierre estanco entre ellos. El material empleado para cada tipo de junta debe ser el adecuado a lafunción que tiene que cumplir y a la posición que ocupa en el motor, ya que algunas de estasjuntas han de soportar elevadas presiones y temperaturas. La junta mas importante del motor es lajunta culata, por las duras condiciones en las que tiene que trabajar y por su enorme importanciaen el normal funcionamiento del motor.

Las juntas en general utilizadas en el automóvil están fabricadas en materiales como papel,corcho, caucho, metal o la combinación de alguno de ellos (juntas de acero recubiertas deelastómeros).

Atendiendo a su aplicación, pueden dividirse en juntas de culata, juntas de sellado decárteres de aceite, colectores de admisión y escape, bomba de agua, bomba de aceite, etc.

Junta culata

La junta de culata es la junta plana sometida a las mayores exigencias de trabajo en elinterior de un motor. Tiene la función de sellar las cámaras de combustión, los conductos derefrigerante y lubricante, y los agujeros de los tornillos entre sí.

Dependiendo del diseño del motor, una junta de culata consta de varias láminas de acero.Así por ejemplo, los motores Diesel de elevada carga de funcionamiento precisan de unas juntasde culata con un diseño constructivo mucho mayor que los motores Otto de escasa potencia ypoca carga.

Las prestaciones de las juntas culatas deben resistir todo tipo de requerimiento químico,físico y estructural de los motores y deben ser construidas con una elevada resistencia a: los gasesde combustión y a diversos fluidos agresivos, las altas temperaturas y rápidas variaciones térmicasde hasta 240ºC, y las altas presiones de combustión extremadamente variables y puntuales dehasta 120 bar en motores Otto y más de 200 bar en los motores Diesel, por citar algunos datos.

Datos para elegir la junta culata

Para elegir el tipo de junta culata que montaremos sobre el motor hay una serie de datosque hay que tener en cuenta. Uno de los datos es la distancia entre la superficie del pistón (C) enel punto muerto superior (PMS) y la superficie de separación del bloque motor. Otro datoimportante es el espesor de la junta que viene determinado por el "número de entalladuras" omuescas.

Elementos móviles

Elementos móviles del motor

El grupo de elementos motrices es el encargado de transformar la energía térmica,desarrollada en el interior del cilindro, en energía mecánica, a través de un sistema biela-manivelaque transforma el movimiento alternativo del émbolo en movimiento de rotación del cigüeñal.El conjunto esta formado por una serie de elementos sometidos, durante su funcionamiento, agrandes esfuerzos y altas temperaturas. Por ello están dotados de características especiales, enfunción de tipo de motor y de la potencia a desarrollar.

Embolo o pistón

En la carrera de explosión, el pistón recibe un fuerte impulso por su parte superior, que lolanza del PMS hacia el PMI. Este impulso se transmite al cigüeñal por medio de la biela. La fuerzaque actúa sobre la cabeza del pistón en el momento de la explosión depende del tipo del vehículode que se trate, pero puede suponerse de 1500 kg. Este impulso lanza al pistón hacia abajo conuna velocidad lineal aproximada de 12 m/s en un motor que gire a 5.000 rpm. Las temperaturasmedias que alcanza el pistón durante el funcionamiento oscilan entre los 300 a 400ºC.El pistón, por tanto, deberá ser resistente para soportar las presiones y elevadas temperaturas quese desarrollan en el momento de la explosión y tener un peso reducido para atenuar los efectos deinercia debidos a la gran velocidad con que se mueve.

Una de las características importantes del pistón es la precisión de algunas de susmedidas debido a la extremada exactitud de su acoplamiento con el cilindro para mantener laestanqueidad. También hay que considerar la influencia de la dilatación de los materialesempleados. Si el émbolo se ajusta en frío, al producirse la dilatación, se agarrota. Si por elcontrario se ajusta en caliente, con el motor frío se produce un cabeceo en el émbolo que golpealas paredes del cilindro. Debido a esto se requiere el empleo de materiales con un reducidocoeficiente de dilatación térmica, muy difícil de conseguir con las aleaciones ligeras.

Estructura del embolo

Un embolo es semejante a un vaso invertido, completamente hueco para reducir al máximosu peso. Esta formado por una cabeza () destinada a recibir los esfuerzos de empuje, en el cual semecanizan las ranuras () que contienen los aros o segmentos encargados de hacer el cierrehermético con el cilindro. La parte inferior llamada falda (), sirve de guía al embolo en sudesplazamiento por el cilindro. En ella se sitúa el alojamiento () destinado al ajuste del bulón deamarre con la biela, a través del cual se transmiten los esfuerzos de empuje.

La cabeza del émbolo puede ser plana, o adoptar formas especiales, destinadas aprovocar la turbulencia del gas, como ocurre en los motores Diesel, o con protuberancias en formade deflector para conducir los gases, en los motores de inyección directa y también en los de 2tiempos. También los pistones pueden tener rebajes para no interferir con las válvulas

Características de los émbolos

Teniendo en cuenta las condiciones de funcionamiento a que están sometidos, los émbolosdeben reunir las siguientes características:

· Disponer de una estructura robusta, sobre todo en las zonas de mayor esfuerzo, como sonla cabeza y el alojamiento del bulón.

· Tener el menor peso posible y estar perfectamente equilibrados en todos los cilindros.· Máxima resistencia al desgaste y a los agentes corrosivos.· Mínimo coeficiente de dilatación.· Gran conductibilidad térmica.

El material empleado para la fabricación de émbolos destinados a motores es a base dealeaciones ligeras, a base de aluminio-silicio con ligeros contenidos de Cu, Ni y Mg, fundidas encoquilla. Una vez mecanizados se someten a un tratamiento térmico escalonado con la finalidad deelevar la dureza y resistencia al desgaste.

Para motores de alta potencia y Diesel sobrealimentados, los pistones se fabricanmediante forja y estampación, con altos contenidos de silicio, hasta un 25%.

Segmentos

Los segmentos son unos anillos elásticos situados sobre las ranuras practicadas en lacabeza del pistón. Tienen como misión:

· Hacer estanco el recinto volumétrico durante el desplazamiento del émbolo.· Asegurar la lubricación del cilindro.· Transmitir el calor absorbido por el émbolo, a la pared del cilindro para su evacuación.

Tipos de segmentos según el trabajo que realizan

Existen dos tipos de segmentos:

· Segmentos de compresión.· Segmentos de engrase

Segmentos de compresión

Los segmentos de compresión están destinados a realizar el cierre hermético del cilindro yvan colocados en número de 2 ó 3 en la parte superior del émbolo. Su posición el el pistón haceque estos segmentos sean los mas afectados por la temperatura y las elevadas presiones que seoriginan durante el ciclo. El primero de ellos es el que recibe directamente los efectos de laexplosión, por lo que también se le conoce como "segmento de fuego".Su forma rectangular les permite adaptarse perfectamente a la pared del cilindro y facilita latransmisión del calor y su montaje flotante sobre la ranura del émbolo para compensar lasdilataciones que en ellos se producen. Los segmentos deben poder moverse en sus alojamientoslibremente con una holgura axial calculada. Tambien deben contar con una abertura entre puntases necesaria para asegurar en todo momento una presión radial del segmento sobre las paredesdel cilindro a pesar de las dilataciones y del desgaste.

La estanqueidad se consigue por desplazamiento lateral de los segmentos en su ranuracorrespondiente. Durante el desplazamiento del émbolo quedan asentados sucesivamente sobrelas superficies superiores e inferiores de las ranuras (como se ve en la figura inferior), asegurandoasí el cierre hermético e impidiendo la fuga de gases a través de esta holgura de montaje.Esta pequeña holgura permite a su vez el engrase del cilindro y las superficies en contacto porbombeo, ya que durante el descenso se llena de aceite el hueco que queda entre segmento yranura; luego es expulsado hacia la parte superior durante la subida del émbolo. El pequeñoconsumo de aceite que se produce puede llegar a ser excesivo cuando los segmentos estándesgastados o la holgura de montaje es excesiva.

Los segmentos deben moverse en sus cajeras libremente con una holgura axial suficientepara que pueda absorber la dilatación térmica. También es necesario una abertura entre puntaspara asegurar en todo momento una presión radial del segmento sobre las paredes del cilindroindependientemente de las dilataciones y el desgaste de los motores a medida que acumulan unagran cantidad de kilómetros.

Segmento de engrase

Los segmentos de engrase también llamado segmento "rascador", van situados por debajode los de compresión, tienen la misión de barrer, durante el descenso del émbolo, el exceso deaceite depositado sobre la pared del cilindro, permitiendo, dentro de unos limites, su paso a laparte alta del mismo. El aceite que no es arrastrado por el segmento de engrase es recogido porlos segmentos de compresión, y una mínima cantidad pasa a lubricar la zona alta del cilindro.Los segmentos de engrase suelen ir provistos de un muelle expansor que asegura el contactocontinuo con el cilindro.

Biela

La biela se encarga de unir el pistón con el cigüeñal. La función de la biela es transmitir lafuerza recibida por el pistón en la combustión hasta el cigüeñal.

Se trata de una pieza de suma importancia, tanto para la transmisión de potencia, comopara la transformación del movimiento. Durante su funcionamiento está sometida a esfuerzos detracción, compresión y flexión por pandeo. Debe tener una longitud que guarde relación directa conel radio de giro de la muñequilla del cigüeñal y la magnitud de los esfuerzos a transmitir. Tiene queser lo suficientemente robusta para que soporte las solicitaciones mecánicas que se originan.

Material empleado en su fabricación

El material empleado en su fabricación es el acero al carbono aleado con Ni y Cr, con untratamiento adecuado para obtener las elevadas características mecánicas que se precisan. Sefabrica por estampación en caliente y se mecanizan las zonas de amarre al émbolo y al cigüeñal,así como los elementos de unión y los pasos de aceite.

Las condiciones exigidas en la fabricación de las bielas para su correcto funcionamientodestacan:

· Igualdad de peso para cada grupo de bielas de un mismo motor.· Paralelismo entre ejes de simetría.· Precisión en la longitud o distancia entre centros.

Partes y características constructivas de una biela

Las características constructivas de la biela, en cuanto a forma y dimensiones, están enfunción del trabajo a desarrollar.

En una biela hay que distinguir las siguientes parte:

· Pie de biela.· Cabeza de biela.· Perno de unión.· Cuerpo de la biela.

Pie de biela

Es la parte alta de la biela, por donde ésta se une al émbolo mediante un pasador o bulón.Trabaja, por tanto, bajo carga alternativa y oscilante, lo que produce un fuerte desgaste en laszonas superior e inferior del diámetro. Para reducir este desgaste se coloca un cojinete deantifricción entre el bulón y el alojamiento de la biela.

El diámetro interior de este alojamiento (d1) viene determinado por las condiciones deengrase, de forma que éste se realice en perfectas condiciones bajo carga, sin que se rebase ellimite de fatiga del material.

Las demás dimensiones del pie de la biela dependen del diseño y posterior mecanizado dela misma, siempre orientado a reducir al máximo su peso. La anchura (A) del biela suele tener unvalor aproximadamente igual a la mitad del diámetro del émbolo. En la parte superior exterior suelellevar una especie de cresta o saliente, que confiere rigidez al conjunto y es donde suele ir situadoel taladro de engrase para las bielas con montaje de bulón flotante.

Cabeza de biela

Esta parte de la biela es por donde se una a la muñequilla del cigüeñal. Para facilitar elmontaje se divide en dos partes. La parte llamada semicabeza va unida directamente al cuerpo dela biela y la otra, llamada sombrerete, queda unida a la biela a través de unos pernos.En la superficie de unión de ambas piezas hay una serie de estrías de anclaje para asegurar unposicionado correcto y para dar resistencia a la unión, ya que esta sometida a cizallamiento. Otrosmodelos de bielas llevan el asiento totalmente plano y la posición se determina par medio de dosnúmeros marcados en la biela y el sombrerete.

Para determinar la anchura (B) y diámetro exterior (d4) se suelen tomar valores que estánen función del diseño y resistencia del material.

El plano de unión entre el sombrerete y la biela puede ser horizontal o inclinado. Estaultima disposición se utiliza cuando las dimensiones de la cabeza son grandes, con objeto defacilitar su extracción a través del cilindro, o también para reforzar la zona de mayor empujecuando la cargas son elevadas, debiendo coincidir en su montaje, el menor ángulo de inclinaciónpor la parte por donde baja la biela.

Los pernos (tornillos) que unen el sombrerete a la biela, deben fabricarse de materialresistente para que soporten los esfuerzos de tracción y cizalladura a que están sometidos durantesu trabajo. Su tamaño y disposición debe facilitar su montaje y desmontaje. Deben permanecerinmóviles, para eso en los tornillos pasantes se suele practicar un chaflán sobre la cabeza parasirva de tope en su asiento, o también se dispone una chapa de freno en los tornillos que vanroscados a la parte fija de la biela.

Cuerpo de la biela

Constituye el elemento de unión entre el pie y la cabeza de la biela. Su perfil o sección esde doble T, ya que es la forma constructiva que proporciona mayor resistencia con una menorsección y, al mismo tiempo, es de fácil estampación.

La longitud de la biela es otra de las característica importantes y depende del tipo demotor, de la relación carrera-calibre y del ciclo de funcionamiento del motor. El numero derevoluciones del motor influye sobre la longitud de la biela, en motores mas revolucionados lalongitud de la biela se acorta dentro de unos limites admisibles, con el fin de evitar, en lo posible,los efectos de la inercia.

Bulón

La unión de la biela con el émbolo se realiza a través de un pasador o bulón, el cualpermite la articulación de la biela y soporta los esfuerzos a que está sometido aquel. Debe teneruna estructura robusta y a la vez ligera para eliminar peso.

Estos bulones se fabrican generalmente huecos, en acero de cementación. El diámetroexterior del émbolo es aproximadamente el 40% del diámetro del émbolo o pistón.

Montaje según la forma de unión

Según la forma de unión de la biela con el émbolo se distinguen cuatro tipos de montaje:

· Bulón fijo al émbolo.· Bulón fijo a la biela.· Bulón flotante· Bulón desplazado

Bulón fijo al émbolo

En esta forma de montaje el bulón queda unido al émbolo a través de un tornillo pasador ochaveta, mediante los cuales se asegura la inmovilización del bulón. La unión bulón-biela se realizapor medio de un cojinete de antifricción.

Bulón fijo a biela

En este tipo de montaje, la biela se fija al bulón a través de un tornillo de cierre. En estecaso, el bulón gira sobre su alojamiento en el émbolo.

Bulón flotante

En este sistema el bulón (3) queda libre tanto de la biela (2) como del émbolo (1). Es elsistema mas empleado en la actualidad pues, además de un fácil montaje, tiene la ventaja derepartir las cargas de rozamientos entre ambos elementos.

La unión con la biela se realiza a través de un cojinete antifricción (4). El bulón se monta enel émbolo, en frío, con una ligera presión, de forma que al dilatarse queda libre.Para mantener el bulón en su posición de montaje y evitar que pueda desplazarse lateralmente, enunas ranuras (5) practicadas sobre el alojamiento del émbolo se monta unos anillos elásticos (6)cuyas medidas están normalizadas.

Bulón desplazado

En motores que soportan grandes esfuerzos laterales se suele montar el bulón en elémbolo ligeramente desplazado hacia el lado sometido a mayor presión, con el fin de equilibrar losesfuerzos laterales y mantener alineado al émbolo en su desplazamiento. Con este sistema sereduce el desgaste en esa zona del cilindro.

El rozamiento del pistón con el cilindro no es todo lo regular que podría desearse y, así,ocurre que, en la carrera de explosión, el esfuerzo F (figura inferior) transmitido al pistón, no pasaen su totalidad a la biela, sino que se descompone en los esfuerzos A y B, como se aprecia en lafigura, resultando que una gran parte se pierde en frotamiento del pistón contra la pared delcilindro. Vemos, por tanto, que el pistón esta sometido a un empuje lateral, que produce un fuerterozamiento contra la pared del cilindro, lo que provoca un mayor desgaste en esta zona. En lascarreras ascendentes, la biela empuja al pistón haciéndole subir y esté empuje C se descompone,actuando una fuerza D en el sentido vertical ascendente, que hace subir el pistón, y otra fuerza Eque aplica al pistón contra la pared. El rozamiento, por lo tanto, es mayor cuando el pistóndesciende empujado por la explosión y es menor cuando el pistón asciende empujado solamentepor la inercia del cigüeñal.

Debido a estos rozamientos, el desgaste de las paredes del cilindro es irregular,acentuadose más en el eje perpendicular al bulón. Para igualar la presión lateral y rozamiento delpistón, se recurre en la actualidad en mucho vehículos a desplazar el eje del bulón como hemosdicho anteriormente, quedando descentrado hacia el lado por donde baja la biela. Con estesistema se consigue que las presiones que actúan sobre cabeza del pistón, al estar desigualmenterepartidas a ambos lados del eje, mantengan el pistón alineado en todo momento y así se reduzcael rozamiento contra la pared izquierda de la figura que es la que sufre mayor desgaste.

Cigüeñal

El cigüeñal es la pieza que recoge el esfuerzo de la explosión y lo convierte en par motor adeterminadas revoluciones. Es el encargado de transformar el movimiento alternativo de lospistones en un movimiento rotativo. El cigüeñal también transmite el giro y fuerza motriz a losdemás órganos de transmisión acoplados al mismo.

El cigüeñal esta constituido por un árbol acodado, con unos muñones (A) de apoyoalineados respecto al eje de giro. Dichos muñones se apoyan en los cojinetes de la bancada delbloque.Durante su trabajo, el cigüeñal se calienta y sufre una dilatación axial; por esta razón lasmuñequillas de apoyo se construyen con un pequeño juego lateral, calculado en función de ladilatación térmica del material.

En los codos del árbol se mecanizan unas muñequillas (B), situadas excéntricamenterespecto al eje del cigüeñal, sobre las que se montan las cabezas de las bielas.Los brazos que unen las muñequillas se prolongan en unos contrapesos (H), cuya misión esequilibrar el momento de giro y compensar los efectos de la fuerza centrífuga, evitando lasvibraciones producidas en el giro y las deformaciones torsionales. En la parte posterior del eje vasituado el plato de amarre (D) para el acoplamiento del volante de inercia.El cigüeñal tiene una serie de orificios (I) que se comunican entre sí y con los taladros de engrase(L), situados en las muñequillas y muñones. La misión de estos conductos es hacer circular elaceite de engrase para la lubricación de los cojinetes, tanto en los apoyos como en lasmuñequillas, y expulsar el sobrante al cárter.

En (E) existe un orificio con casquillo de bronce, donde se apoya el eje primario de la cajade cambios, sobre el eje se monta el embrague. En (F) se monta un piñón por mediación de unchavetero o rosca, del que se saca movimiento para el árbol de levas. En (G) se monta una polea,también por mediación de un chavetero, que da movimiento generalmente a la bomba de agua

Cojinetes de biela y bancada

La unión del cigüeñal a la biela y el montaje de sus apoyos sobre el cárter del bloque, serealiza a través de unos cojinetes especiales en dos mitades llamados semicojinetes de biela obancada.

Debido a las condiciones duras de trabajo a que están sometidos deben reunir las siguientescaracterísticas:

· Resistencia al gripado, para evitar el riesgo de microsoldadura. Se emplea para ellomateriales o afines con el cigüeñal.

· Facilidad de incrustación, para que las impurezas, que se introducen con el aceite entre lassuperficies en contacto, se incrusten en el material del cojinete y de esta forma no dañen elcigüeñal.

· Conformabilidad, para absorber las pequeñas deformaciones producidas en la alineaciónde los elementos.

· Resistencia a la fatiga, para que soporten las cargas a que están sometidos.· Resistencia a la corrosión, que producen los agentes químicos que pasan al cárter

procedentes de la combustión o diluidos en el aceite de engrase.· Gran conductibilidad térmica, para evacuar el calor producido por rozamiento en el

cojinete.

Clases de aleaciones antifricción

La fabricación de este tipo de cojinetes se realiza a base de chapa de acero recubierta ensu cara interna con aleación antifricción, la cual reúne las características mencionadas. Estasaleaciones, según los materiales empleados, pueden ser de varios tipos:

· Metal blanco con estaño o plomo.· Bronce al cadmio.· Bronce al cobre.· Bronce al aluminio.· Bronce al cobre-niquel impregnado de plomo.

Estas aleaciones proporcionan un rozamiento suave y evitan el desgaste del cigüeñal. Almismo tiempo, gracias a su bajo punto de fusión, si se calienta excesivamente por falta deengrase, el cojinete se funde y así evita el agarrotamiento del cigüeñal con los elementos de unión.Cuando se produce la fusión de una de las bielas, la holgura resultante ocasiona un golpeteocaracterístico, que se conoce en el argot automovilístico como "biela fundida".

Montaje de los semicojinetes

Los semicojinetes se suministran con su diámetro nominal estándar y se montan fácilmenteen su apoyo o soporte. La fijación se consigue mediante la tapa respectiva que los mantienesujetos a la cabeza de la biela, debido a la presión de la tapa y al sistema de posicionamiento delcasquillo.

Ranuras de engrase

La garantía de un perfecto rodaje y de la conservación de la forma geométrica y lasdimensiones del orificio de un cojinete, depende en gran parte de la eficacia del sistema deengrase. Por esta razón es importante conocer la forma y situación que deben tener las ranuras yorificios de engrase del cojinete con el fin de garantizar una adecuada lubricación.

Cojinetes axiales

El cigüeñal va provisto también de cojinetes axiales que soportan los esfuerzos producidospor el accionamiento del embrague. Se disponen axialmente en ambos lados de uno de lossoportes de bancada.