Un cárter de túnel , un cigüeñal de túnel o un motor de cigüeñal de membrana de disco [1] es una característica de diseño de un motor diésel o de gasolina en el que el cigüeñal está diseñado de modo que los cojinetes principales (los cojinetes que sostienen el cigüeñal dentro del cárter ) se agrandan en de diámetro, de modo que ahora son más grandes que las redes de la manivela (los brazos radiales que unen la cabezacojinetes a los cojinetes principales). Por lo tanto, forman el diámetro más grande de cualquier parte del cigüeñal. En lugar de un cárter convencional que tiene redes a través de él para soportar los cojinetes estrechos de un cárter convencional, el cárter ahora tiene un gran túnel a través de él, de ahí el nombre.
Los cárteres de túnel aparecieron en la década de 1930 con los primeros motores diésel de alta velocidad . Fueron favorecidos por algunos fabricantes más que otros, notablemente Saurer en Suiza [2] y Maybach-Motorenbau GmbH (ahora MTU ) Friedrichshafen . Se describen como "cárteres de túnel" y " manivelas con cojinetes de rodillos "; [2] los dos aspectos están relacionados y no está claro cuál dio lugar al otro.
Orígenes
Con el desarrollo del motor diésel de alta velocidad alrededor de 1930, los potentes motores diésel estuvieron disponibles en los tamaños utilizados anteriormente por los motores de gasolina de menor potencia. En particular, su alto BMEP y su alto par dieron lugar a grandes fuerzas en los cojinetes del cigüeñal. Estas fuerzas eran mayores de las que podían soportar los pequeños cojinetes de metal blanco utilizados en los motores de gasolina. Aunque los motores de aviones y automóviles deportivos en la década de 1920 se desarrollaron para tener una potencia considerable en un espacio pequeño, se trataba de máquinas de alto mantenimiento con servicio regular. Los nuevos motores diesel estaban destinados a un servicio comercial prolongado en el que el mantenimiento era un coste clave a reducir.
La necesidad de una tecnología de rodamientos mejorada llevó a la adopción de rodamientos de rodillos , en lugar de metal blanco. Aunque hoy en día podrían considerarse esotéricos, los cojinetes de cigüeñal de bolas y rodillos ya se usaban en la década de 1920 para motores tan mundanos como el Austin 7 .
Los rodamientos de rodillos requieren de una sola pieza carreras para ambas pistas de rodadura interior y exterior. Aunque las razas divididas son posibles, son caras y difíciles de instalar. [nota 1] Un medio más sencillo de instalar rodamientos de rodillos es agrandar el diámetro del rodamiento, de modo que sea más grande que toda la red del cigüeñal. El montaje se realiza ahora colocando la pista exterior del rodamiento sobre el cigüeñal axialmente desde un extremo, en lugar de ensamblar dos piezas radialmente.
Un desarrollo temprano fue el cigüeñal de semi-túnel. Este utilizó cojinetes grandes de bolas o rodillos del estilo túnel para sus cojinetes centrales, pero los cojinetes de los extremos (que soportan la carga de los pistones en un solo lado) permanecieron con un cojinete de diámetro pequeño de estilo convencional. Esto redujo el costo de los rodamientos y también redujo la velocidad lineal de estos rodamientos más pequeños. Esto fue importante ya que también redujo la velocidad de los sellos de aceite del cárter junto a ellos.
Los cigüeñales con cojinetes de rodillos se favorecieron en Europa central: Alemania, Suiza y Checoslovaquia, debido al desarrollo local y al predominio de los cojinetes de elementos rodantes , en contraste con la metalurgia mejorada que se está desarrollando para materiales de cojinetes lisos en el mundo de habla inglesa.
Motores de gasolina Maybach
Los cigüeñales de túnel solo se aplicaron en raras ocasiones a los motores de gasolina . El desarrollo de motores grandes y potentes, fuera de los materiales aeroespaciales enrarecidos de los motores de avión , coincidió con el desarrollo de motores diésel ligeros prácticos que tendían a suplantar a la gasolina.
Un mercado que se mantuvo con la gasolina fue el de motores para aeronaves , mercado en el que Maybach era predominante. [3] Aunque los motores diésel se desarrollaron para el uso de aeronaves, en general no tuvieron éxito. El británico Beardmore Tornado se basó en la práctica del motor diésel de velocidad media y era pesado, con poca potencia y poco confiable. [4] Solo Maybach hizo un uso significativo de cigüeñales de túnel para motores de gasolina, tanto con sus motores de dirigible como con varios motores de tanque de la Segunda Guerra Mundial , como el Maybach HL210 y HL230 . [5] Estos motores se utilizaron en todos los tanques medianos y pesados alemanes. [6] [7] [8] Se produjeron miles de estos motores, aunque los ejemplos que sobreviven ahora son extremadamente raros, particularmente en funcionamiento. [9]
Motores diésel Maybach
Después de la guerra, Maybach aplicó su conocimiento de motores compactos de alta velocidad a motores diesel, para el mercado emergente de locomotoras ferroviarias diesel. Estos motores contrastaban con los de otros fabricantes por ser especialmente potentes, tanto en peso como en volumen. Este fue especialmente el caso de la longitud, ya que los motores de Maybach usaban un diseño en V compacto en un momento en que la mayoría de los fabricantes todavía estaban construyendo motores en línea largos de un solo banco. [10] El nombre de Maybach se asoció particularmente con el diseño del cárter del túnel y estos motores siguen siendo los usos más conocidos del cigüeñal del túnel. [11] [12] [13] Estos motores fueron ampliamente utilizados en Alemania, para locomotoras como la clase V200 . En el Reino Unido, ambos fueron importados y también construidos localmente bajo licencia. Siguiendo la práctica alemana, estos motores de alta velocidad se utilizaron junto con una transmisión hidráulica para producir una locomotora potente pero ligera, en comparación con los diseños diesel-eléctricos de la competencia . [14] Los motores también se vendieron a los EE. UU., Aunque allí se utilizaron en los diseños diesel-eléctricos más establecidos. [15]
Bielas integradas y de una pieza
Los primeros cigüeñales de túnel se construyeron con nervaduras atornilladas al costado de los cojinetes principales, como en un cigüeñal convencional, solo que más grande (ver ilustración transversal del motor Saurer). John Fowler & Co. en Inglaterra también construyó ejemplos de estos . [dieciséis]
Un desarrollo posterior fue agrandar los cojinetes principales lo suficiente para que fueran más grandes que toda la red del cigüeñal. Esto ahora permitía el uso de un cigüeñal de una pieza.
Un cigüeñal de túnel se considera un 'túnel' si el diámetro exterior sobre la pista exterior de los cojinetes instalados es mayor que el tamaño máximo de las almas. Los primeros motores, o más pequeños, pueden haber tenido cigüeñales con muñones de cojinetes [nota 2] más pequeños que este, pero todavía se consideraban como tales porque eran más grandes cuando se instalaron los cojinetes.
Para evitar pasar todo el cigüeñal a través de los cojinetes, los diámetros de los cojinetes generalmente se escalonaban en tamaño, en una progresión cónica. Cada cojinete ahora solo necesitaba deslizarse a lo largo de su propio ancho, siendo lo suficientemente pequeño como para pasar fácilmente a través de cualquier alojamiento anterior. Esto significaba que el cigüeñal solo podía insertarse desde un extremo del cárter. [15]
Ventajas
- Diámetro del rodamiento
Los cojinetes más grandes pueden soportar las cargas de estos motores de mayor fuerza.
- Uso de rodamientos de rodillos
Estos pueden hacer frente a las fuerzas mayores y las velocidades más altas de los nuevos motores de alta velocidad.
- Montaje
El cigüeñal se puede insertar en un cárter ensamblado, en lugar de montar las tapas de los cojinetes a su alrededor. Esto generalmente se hace girando el extremo del cárter hacia arriba y luego bajando el cigüeñal verticalmente en él. [15]
Esta fue una característica notable de algunos motores Maybach de la década de 1960 , utilizados para locomotoras diesel.
- Longitud reducida del cigüeñal
La longitud que antes se requería para un alma + rodamiento + grupo de alma ahora se reemplaza por una sola longitud de rodamiento, que también actúa como ambas almas.
Dado que esta longitud reducida del cigüeñal también reduce el espacio entre los cilindros, fue un factor que fomentó el uso de cigüeñales de túnel en motores en V , donde hay más distancia axial disponible entre cilindros adyacentes. Esto reduce aún más la longitud total de los motores de cigüeñal de túnel.
- Mayor rigidez del cigüeñal
El cigüeñal, particularmente a lo largo de las nervaduras, se vuelve más ancho y rígido.
Desventajas
- Mayor velocidad del rodamiento lineal
Por geometría simple, a medida que aumenta el diámetro del rodamiento, también lo hace la velocidad lineal en la superficie del rodamiento. Esto excede lo posible para los rodamientos de metal blanco. Por lo tanto, los rodamientos de rodillos no solo fueron una de las razones para el cigüeñal del túnel agrandado, sino que también los hizo necesarios.
- Fabricación de cigüeñales
El diámetro y la masa del cigüeñal aumentan, de modo que ya no encajará en las rectificadoras de cigüeñales estándar y puede requerir maquinaria especializada para su fabricación. Aunque la longitud reducida del cigüeñal puede permitir la construcción de motores grandes con maquinaria más corta.
- Inercia del cigüeñal
Las almas agrandadas tienen mayor masa, por lo tanto mayor inercia rotacional , particularmente porque colocan esta masa en el mayor radio alejado del eje del cigüeñal. Esto da como resultado un motor que acelera más lentamente, aunque también significa que el motor mantiene una velocidad constante más fácilmente bajo una carga que varía rápidamente.
Por esta razón, el cigüeñal de túnel es más apropiado para motores que funcionan durante largos períodos a velocidad constante, como grupos electrógenos, locomotoras de ferrocarril y barcos. No se utilizan para automóviles, donde se necesita una rápida aceleración y desaceleración.
- Rigidez del cárter
La gran cantidad de material que se extrae del cárter para proporcionar el túnel no deja tanto espacio para las nervaduras de refuerzo a lo largo del cárter, por lo que la rigidez general del cárter puede ser menor.
Motores de dos tiempos
Muchos motores pequeños de dos tiempos de compresión de cárter tienen un cigüeñal con grandes bandas circulares, [17] similar al cigüeñal de túnel. Sin embargo, estas almas son simplemente almas, no cojinetes, y sus cojinetes son de diámetro pequeño convencional junto a las almas. Estas almas agrandadas se utilizan en cambio para aumentar la relación de compresión del motor. Al llenar más del volumen "muerto" del cárter, aumenta la relación entre el volumen barrido del cilindro y el volumen restante del cárter. [17]
Algunos motores de dos tiempos de varios cilindros también utilizan compresión del cárter, casi todos ellos motores marinos fuera de borda . En estos motores, el volumen del cárter separado para cada cilindro debe mantenerse separado. De este modo, las bandas se hacen circulares, grandes y selladas mediante sellos de gas en su circunferencia exterior. [18] Nuevamente, estos no se consideran cigüeñales de túnel si las almas solo llevan un sello, pero pueden serlo si la gran tela también forma el cojinete.
Ver también
- Excéntrico , un enfoque similar para manivelas que son impulsadas por el eje, particularmente para engranajes de válvulas de locomotoras de vapor. El excéntrico aumenta de diámetro hasta que también es más grande que el diámetro total de la red del cigüeñal.
- Cigüeñal recortado , una técnica para acortar la longitud total de un cigüeñal superponiendo los cojinetes.
Referencias
- ^ Se han utilizado cojinetes de rodillos de pista partida para el cojinete de cabeza de biela central en la biela de algunas locomotoras de vapor de tres cilindros. Como el eje de la manivela es complejo y también incluye las ruedas, es imposible colocar los rodamientos de rodillos en el centro de otra manera. Los rodamientos de metal blanco eran mucho más comunes, pero eran un punto débil reconocido de algunas clases, como el LNER A4.
- ^ El 'muñón' es la parte del eje que forma el rodamiento, las pistas del rodamiento son un componente separado que encaja sobre este.
- ^ Bolton, William F. (1963). Manual Diesel del ferroviario (4ª ed.). pag. 77.
- ^ a b Chapman, GW (1949). "19: Cigüeñales y cojinetes principales". Motores de aceite modernos de alta velocidad . Vol. II (2 de junio de 1956 ed.). Caxton. págs. 279–280.
|volume=
tiene texto extra ( ayuda ) - ^ David LaChance (septiembre de 2006). "Cuando Maybachs deambulaba por los cielos: los zepelines de la Marina se disparaban en el poder alemán V-12" . Hemmings .
- ^ "HM Airship R101" . Vuelo : 1094.11 de octubre de 1929.
- ^ Alan Hamby (2003). "La locomotora Maybach" . Centro de información Tiger I.
- ^ "Página 25 - ¡La etapa final!" . Museo de Tanques de Bovington .
- ^ "Página 28 - Progreso en el motor Tiger" . Museo de Tanques de Bovington .
- ^ "Es hora de una actualización sobre la situación del motor" . Museo de Tanques de Bovington . 2002.
- ^ "Por qué usamos el motor HL230" . Museo de Tanques de Bovington . 2003. Archivado desde el original el 26 de julio de 2016.
Cárter compacto del V12 HL210
- ^ Manual Diesel 1963 , págs. 75–78
- ^ Clough, David N. (2011). "8: Un contraste en el diseño". Hidráulica vs Eléctrica: La batalla por la flota diésel BR . Ian Allan . págs. 78–79. ISBN 978-0-7110-3550-8.CS1 maint: ref duplica el valor predeterminado ( enlace )
- ^ Lewis, JK (2006) [1977]. La hidráulica del oeste . Nottingham: Publicaciones de derecho del libro. pag. 25. ISBN 1-901945-54-5.
- ^ "Maybach MD870" . Proyecto Southern Pacific 9010.
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- ^ a b c "Trabajo mecánico" . Proyecto Southern Pacific 9010.
- ^ H. Kerr Thomas, ed. (1939). Ingeniería Automotriz . Londres: Isaac Pitman. pp. 143 .
- ^ a b Irving, PE (1967). Unidades de potencia de dos tiempos . Newnes . págs. 61–63.
- ^ Irving 1967 , p. 257