Un árbol de levas es un objeto giratorio, generalmente hecho de metal, que contiene levas puntiagudas , que convierte el movimiento de rotación en movimiento recíproco. Los árboles de levas se utilizan en motores de combustión interna (para operar las válvulas de admisión y escape), [1] [2] sistemas de encendido controlados mecánicamente y primeros controladores de velocidad de motores eléctricos. Los árboles de levas en los automóviles están hechos de acero o hierro fundido y son un factor clave para determinar el rango de RPM de la banda de potencia de un motor .
Historia
El árbol de levas fue descrito en 1206 por el ingeniero árabe Al-Jazari . Lo empleó como parte de sus autómatas, máquinas elevadoras de agua y relojes de agua como el reloj del castillo . [3]
Entre los primeros automóviles en utilizar motores con árboles de levas en cabeza individuales se encuentran el Maudslay diseñado por Alexander Craig e introducido en 1902 [4] [5] [6] y el Marr Auto Car diseñado por el nativo de Michigan Walter Lorenzo Marr en 1903. [7] [ 8]
Motores de pistón
En los motores de pistón , el árbol de levas se utiliza para operar las válvulas de admisión y escape . El árbol de levas consta de una varilla cilíndrica que recorre la longitud del banco de cilindros con varias levas (discos con lóbulos de leva que sobresalen ) a lo largo de su longitud, una para cada válvula. Un lóbulo de la leva fuerza la apertura de una válvula presionando sobre la válvula, o sobre algún mecanismo intermedio, mientras gira. Mientras tanto, un resorte ejerce una tensión tirando de la válvula hacia su posición cerrada. Cuando el lóbulo alcanza su mayor desplazamiento en la varilla de empuje, la válvula está completamente abierta. La válvula se cierra cuando el resorte tira de ella hacia atrás y la leva está en su círculo base. [9]
Construcción
Los árboles de levas están hechos de metal y suelen ser sólidos, aunque a veces se utilizan árboles de levas huecos. [10] Los materiales utilizados para un árbol de levas suelen ser:
- Hierro fundido: de uso común en la producción de grandes volúmenes, los árboles de levas de hierro refrigerado tienen una buena resistencia al desgaste ya que el proceso de enfriamiento los endurece. Se agregan otros elementos al hierro antes de la fundición para que el material sea más adecuado para su aplicación.
- Palanquilla de acero: 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 palanquilla de acero. Este es un proceso que requiere mucho más tiempo y, en general, es más caro que otros métodos. El método de construcción suele ser forjado , mecanizado (utilizando un torno de metal o fresadora ), fundición o hidroformado . [11] [12] [13] Se pueden usar diferentes tipos de barras de acero, un ejemplo es EN40b. Al fabricar un árbol de levas de EN40b, el árbol de levas también se tratará térmicamente mediante nitruración con gas , lo que cambia la microestructura del material. Da una dureza superficial de 55-60 HRC , adecuada para su uso en motores de alto rendimiento.
Diseños de trenes de válvulas
La mayoría de los primeros motores de combustión interna usaban un diseño de levas en bloque (como válvulas en cabeza), donde el árbol de levas está ubicado dentro del bloque del motor cerca de la parte inferior del motor. A medida que aumentaron las velocidades del motor a lo largo del siglo XX, los motores de árbol de levas en cabeza simple (SOHC), donde el árbol de levas se encuentra dentro de la culata cerca de la parte superior del motor, se volvieron cada vez más comunes, seguidos de los motores de árbol de levas en cabeza doble (DOHC) en años más recientes. .
El diseño del tren de válvulas se define de acuerdo con 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 banco de cilindros) generalmente se conoce como un motor de doble árbol de levas en cabeza , aunque coloquialmente a veces se los conoce como motores de "cuatro levas". [14]
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. [15] Para motores OHC y DOHC, el árbol de levas opera la válvula directamente o mediante un balancín corto. [15]
Sistemas de propulsión
El control preciso de la posición y la velocidad del árbol de levas es de vital importancia para permitir que el motor funcione correctamente. El árbol de levas es impulsado por el cigüeñal ya sea directamente, generalmente a través de una correa de distribución de caucho dentada o una cadena de rodillos de acero (llamada cadena de distribución ). También se han utilizado ocasionalmente engranajes para impulsar el árbol de levas. [16] En algunos diseños el árbol de levas también acciona el distribuidor , la bomba de aceite , la bomba de combustible y, ocasionalmente, la bomba de dirección asistida.
Una alternativa utilizada en los primeros días de los motores OHC era impulsar el (los) árbol (s) 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 una triple excéntrica con bielas; Estos se utilizaron en ciertos motores diseñados por WO Bentley y también en el Leyland Eight .
En un motor de dos tiempos que usa 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 solo la mitad de frecuencia; por lo tanto, se producen dos rotaciones completas del cigüeñal por cada rotación del árbol de levas.
Características de presentación
Duración
La duración del árbol de levas determina cuánto tiempo está abierta 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 compensación de que se produce menos torque a bajas RPM. [17] [18] [19]
La medición de la duración de un árbol de levas se ve afectada por la cantidad de elevación que se elige como punto de inicio y finalización de la medición. Un valor de elevación de 0,050 pulg. (1,3 mm) se utiliza a menudo como procedimiento de medición estándar, ya que se considera más representativo del rango de elevación que define el rango de RPM en el que el motor produce la potencia máxima. [17] [19] La potencia y las características de inactividad 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 un árbol de levas con una duración nominal utilizando puntos de elevación de 0,05 pulgadas.
Un efecto secundario de mayor duración puede aumentar la superposición , lo que determina la cantidad de tiempo que las válvulas de admisión y escape están abiertas. Es el solapamiento lo que más afecta la calidad de ralentí, ya que el "escape" de la carga de admisión inmediatamente hacia atrás a través de la válvula de escape que ocurre durante el solapamiento reduce la eficiencia del motor y es mayor durante el funcionamiento a bajas RPM. [17] [19] En general, aumentar la duración de un árbol de levas normalmente aumenta la superposición, a menos que se aumente el ángulo de separación de lóbulos para compensar.
Elevar
La elevación del árbol de levas determina la distancia entre la válvula y el asiento de la válvula (es decir, qué tan abierta está la válvula). [20] Cuanto más se eleva la válvula de 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 el aumento de la duración, sin las desventajas causadas por una mayor superposición de válvulas. La mayoría de los motores de válvulas en cabeza tienen una relación de balancín superior a uno, por lo tanto, la distancia a la que se 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 de la base (la elevación del árbol de levas ). [21]
Hay varios factores que limitan la máxima elevación posible para un motor determinado. En primer lugar, aumentar la elevación acerca las válvulas al pistón, por lo que una elevación excesiva podría hacer que el pistón golpee y dañe las válvulas. [19] En segundo lugar, el aumento de la sustentación significa que se requiere un perfil de árbol de levas más pronunciado, lo que aumenta las fuerzas necesarias para abrir la válvula. [20] Un problema relacionado es el flotador de la válvula a altas RPM, donde la tensión del resorte no proporciona suficiente fuerza para mantener la válvula siguiendo la leva en su vértice o evitar que la válvula rebote cuando regresa al asiento de la válvula. [22] Esto podría ser el resultado de una subida muy pronunciada del lóbulo, [19] 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 resorte de la válvula), dejando la válvula abierto durante más tiempo del previsto. El flotador 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. [21] [22]
Momento
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 de RPM diferente. Hacer avanzar el árbol de levas (desplazarlo hacia delante de la sincronización del cigüeñal) aumenta el par de RPM bajo, mientras que retardar el árbol de levas (cambiarlo a después del cigüeñal) aumenta la potencia de RPM alta. [23] Los cambios necesarios son relativamente pequeños, a menudo del orden de 5 grados. [ cita requerida ]
Los motores modernos que tienen sincronización variable de válvulas a menudo pueden ajustar la sincronización del árbol de levas para adaptarse a las RPM del motor en un momento dado. Esto evita el compromiso anterior requerido al elegir una sincronización de leva fija para usar tanto a altas como a bajas RPM.
Ángulo de separación de lóbulos
El ángulo de separación de los lóbulos (LSA, también llamado ángulo de la línea central del lóbulo ) es el ángulo entre la línea central de los lóbulos de admisión y la línea central de los lóbulos de escape. [24] Un LSA más alto reduce la superposición, lo que mejora la calidad de inactividad y el vacío de admisión, [23] sin embargo, el uso de un LSA más amplio para compensar la duración excesiva puede reducir las salidas de potencia y par. [21] En general, el LSA óptimo para un motor dado está relacionado con la relación entre el volumen del cilindro y el área de la válvula de admisión. [21]
Mantenimiento y desgaste
Muchos motores más antiguos requiere el ajuste manual de los balancines o varillas de empuje con el fin de mantener la válvula correcta de las pestañas como el tren de válvulas lleva (en particular, las válvulas y asientos de válvula). 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 deslizante entre la superficie de la leva y el seguidor de leva que se desplaza sobre ella puede ser considerable. Para reducir el desgaste en este punto, la leva y el seguidor están endurecidos en la superficie y los aceites de motor modernos contienen aditivos para reducir la fricción por deslizamiento. Los lóbulos del árbol de levas suelen estar ligeramente ahusados y las caras de los elevadores de válvulas ligeramente abovedadas, lo que hace que los elevadores giren para distribuir el desgaste de las piezas. Las superficies de la leva y el seguidor están diseñadas para "desgastarse" juntas y, por lo tanto, cada seguidor debe permanecer con su lóbulo de leva original y nunca moverse a un lóbulo diferente. Algunos motores (particularmente aquellos con lóbulos de árbol de levas empinados) utilizan empujadores de rodillo 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 del árbol de levas en cabeza no siempre tienen carcasas reemplazables, en cuyo caso se debe reemplazar toda la culata si los cojinetes están defectuosos.
Alternativas
Además de la fricción mecánica, se requiere una fuerza considerable para abrir las válvulas contra la resistencia proporcionada por los resortes de las válvulas. Esto puede representar un estimado del 25% de la salida total de un motor en ralentí, [ cita requerida ] reduciendo la eficiencia general.
Los siguientes sistemas alternativos se han utilizado en motores de combustión interna:
- Válvulas desmodrómicas , donde las válvulas se cierran positivamente mediante un sistema de leva y palanca en lugar de resortes. Este sistema se ha utilizado en varias motocicletas de carreras y de carretera Ducatti desde que se introdujo en la motocicleta de carreras Ducati 125 Desmo de 1956 .
- Motor de pistón sin levas , que utiliza actuadores electromagnéticos, hidráulicos o neumáticos. Utilizado por primera vez en motores Renault Fórmula 1 turboalimentados a mediados de la década de 1980 y programado para su uso en automóviles de carretera en el Koenigsegg Gemera . [25] [26]
- Motor Wankel , un motor rotativo que no utiliza pistones ni válvulas. Más notablemente utilizado por Mazda desde el Mazda Cosmo de 1967 hasta que el Mazda RX-8 fue descontinuado en 2012.
Sistemas de encendido del motor
En los sistemas de encendido temporizados mecánicamente, una leva separada en el distribuidor está adaptada al motor y opera un conjunto de puntos de ruptura que disparan una chispa en el momento correcto en el ciclo de combustión.
Controladores de velocidad de motor eléctrico
Antes de la llegada de la electrónica de estado sólido , los controladores de árbol de levas se usaban para controlar la velocidad de los motores eléctricos . Se usó un árbol de levas, impulsado por un motor eléctrico o un motor neumático , para operar los contactores en secuencia. De esta manera, las resistencias o cambiadores de tomas se conectaban o desconectaban del circuito para variar la velocidad del motor principal. Este sistema se utilizó principalmente en unidades eléctricas múltiples y locomotoras eléctricas . [27]
Ver también
- Válvula de manga
- Cigüeñal
Referencias
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