El cigüeñal es una de las partes más importantes y fundamentales del motor de un vehículo. Es el encargado de convertir el movimiento lineal de los pistones en un movimiento rotativo, permitiendo así que el motor funcione correctamente. Existen diferentes tipos de cigüeñales, cada uno de ellos con características y diseños específicos que se adaptan a las necesidades de cada motor. En este artículo te mostraremos los tipos de cigüeñal más comunes, su ubicación en el motor, su función y los materiales utilizados en su fabricación. ¡Sigue leyendo para descubrir todo sobre el fascinante mundo del cigüeñal!
cigüeñal
¿Qué es el cigüeñal?
Se utiliza un cigüeñal (es decir, un eje con manivela) para convertir el movimiento de vaivén del pistón en un movimiento giratorio o viceversa.
Funciones del cigüeñal:
1. Convierte el movimiento alternativo en un movimiento giratorio.
2. Transfiere potencia al volante.
3. Recibe energía del volante.
Tipos de cigüeñales:
El cigüeñal consta de las partes del eje que giran en los cojinetes principales, los muñones del cigüeñal a los que se unen los extremos grandes de la biela, los brazos o almas del cigüeñal (también llamados mejillas) que conectan los muñones del cigüeñal y las partes del eje.
Dependiendo de la posición de la manivela, el cigüeñal se puede dividir en los dos tipos siguientes:
1. Cigüeñal lateral o cigüeñal suspendido como se muestra en la Fig. (a) y
2. Centre el cigüeñal como se muestra en la Fig. (b).
Dependiendo del número de cigüeñales en el eje, el cigüeñal también se puede clasificar en monocigüeñal o multicigüeñal. Un cigüeñal con una sola manivela lateral o la manivela central se llama cigüeñal de una sola vuelta, mientras que el cigüeñal con dos manivelas laterales, una en cada extremo o con dos o más manivelas centrales se llama cigüeñal de varias vueltas.
Los cigüeñales laterales se utilizan para motores horizontales medianos y grandes.
Diagrama del cigüeñal:
Material y producción de cigüeñales.
- En los motores industriales, los cigüeñales suelen estar fabricados de acero al carbono como 40C8, 55C8 y 60C4.
- En los motores de transporte, generalmente se utiliza acero al manganeso como 20 Mn 2, 27 Mn 2 y 37 Mn 2 para la fabricación del cigüeñal. En los motores de aviones se suelen utilizar para el cigüeñal aceros de níquel-cromo como, por ejemplo, 35 Ni 1 Cr 60 y 40 Ni 2 Cr 1 Mo 28.
- Los cigüeñales se fabrican mediante procesos de forja o fundición, aunque el primero es más común.
- La superficie del muñón del cigüeñal se endurece mediante cementación, nitruración o endurecimiento por inducción.
Presiones y tensiones en los cojinetes del cigüeñal.
Las presiones en los cojinetes son de gran importancia en el diseño de cigüeñales. La presión máxima permitida del rodamiento depende de la presión máxima del gas, la velocidad del muñón, la cantidad y el tipo de lubricación y el cambio de dirección de la presión del rodamiento.
En el cigüeñal se inducen los dos tipos siguientes de tensiones.
1. Tensión de flexión; Y
2. Esfuerzo cortante debido al momento de torsión en el eje.
La mayoría de las fallas del cigüeñal son causadas por fractura progresiva debido a flexión repetitiva o tensión de torsión inversa. Por lo tanto, el cigüeñal está sujeto a cargas de fatiga y por lo tanto su diseño debe basarse en la resistencia a la fatiga. Dado que el fallo de un cigüeñal puede provocar una destrucción grave del motor y que no es posible determinar con precisión todas las fuerzas que actúan sobre el cigüeñal ni todas las cargas, se utiliza un alto factor de seguridad de 3 a 4, basado en la resistencia a la fatiga.
Método de diseño del cigüeñal:
El cigüeñal debe diseñarse o probarse para al menos dos posiciones del cigüeñal. En primer lugar, cuando el cigüeñal está sometido a un momento flector máximo, y en segundo lugar, cuando el cigüeñal está sometido a un momento de torsión o par máximo.
Proceso de diseño:
El siguiente procedimiento se puede utilizar para diseñar un cigüeñal.
1. Primero determine la magnitud de las distintas cargas sobre el cigüeñal.
2. Determinar las distancias entre apoyos y su posición con relación a las cargas.
3. Por simplicidad y también por razones de seguridad, se supone que el eje está apoyado en los centros de los cojinetes y que todas las fuerzas y reacciones actúan en estos puntos. Las distancias entre los soportes dependen de la longitud de los cojinetes, que a su vez dependen del diámetro del eje en función de las presiones permitidas en los cojinetes.
4. Se supone que el espesor de las mejillas o almas es de 0,4 ds a 0,6 ds, donde ds es el diámetro del eje. También se puede tomar entre 0,22D y 0,32D, donde D es el diámetro del cilindro en mm.
5. Ahora calcula las distancias entre los soportes.
6. Suponiendo las tensiones de flexión y corte permitidas, determine las dimensiones principales del cigüeñal.
Concepto de diseño
Basándonos en las propiedades del material, ahora decidimos las dimensiones, que se calculan a partir de las cargas y condiciones. El cigüeñal fue diseñado teniendo en cuenta dos posiciones del cigüeñal:
- Cuando la manivela está en el punto muerto (momento flector máximo).
- Cuando la manivela está en un ángulo donde el par es máximo.
Cuando la manivela está en el punto muerto
Procedimiento paso a paso:
- Dibuje un diagrama de cuerpo libre del cigüeñal con diversas fuerzas horizontales y verticales.
- Calcule la fuerza del pistón. (Conocemos la presión máxima del pistón. Según los estándares de la industria, se puede tomar como 200 bar para motores diésel y 180 bar para motores de gasolina.) La fuerza del pistón es Presión máxima del pistón * Área del pistón.
- Supuestos de la industria al calcular fuerzas en ETA.
- Encuentra todas las reacciones horizontales y verticales.
Diseño de pasador de manivela
Debido al par, el muñón del cigüeñal también está sometido a esfuerzos cortantes. Esto nos permite calcular el momento flector en el centro de la muñequilla y el momento de torsión en la muñequilla, así como el momento resultante.
Procedimiento paso a paso:
- Calcule el momento flector en el centro del pasador del cigüeñal (de FBD).
- Compare el BM con (MOI*Esfuerzo del rodamiento) para el pasador del cigüeñal (Sigma-b).
- Afloje y determine el diámetro del pasador del cigüeñal.
- Resuelva FBD para determinar la longitud.
Diseño web manivela
La red del cigüeñal está diseñada para carga excéntrica. Sobre el alma del cigüeñal actúan dos tensiones, una tensión de compresión directa y una tensión de flexión debida a la carga de gas del pistón (Fp).
Supuestos de la industria:
- Espesor del alma del cigüeñal Tst = 0,65 *dc + 6,35 (dc = diámetro del muñón del cigüeñal)
- El ancho del alma del cigüeñal es w = 1,125 * dc +12,7
Procedimiento paso a paso:
- Calcule el momento flector a partir de FBD.
- Compruebe si la BM es positiva o negativa. Si es negativo, aumente el diámetro de la muñequilla y afloje nuevamente. Si es positivo, su diseño es seguro.
Eje debajo del volante
El momento flector total en la ubicación del volante es el resultante del momento flector horizontal debido a la carga de gas y la tensión de la correa y el momento flector vertical debido al peso del volante.
Luego puedes encontrar el diámetro usando la ecuación de momento. M=(MOI*Sigma-b).
Cuando la manivela está en un ángulo con par máximo
El par sobre el cigüeñal es máximo cuando la fuerza tangencial sobre la manivela (FT) es máxima. El valor máximo de la fuerza tangencial se produce con un ángulo de cigüeñal de 30° a 40° en motores de combustión interna con presión constante (p. ej. motores diésel).
Cuando la manivela está en un ángulo donde el par es máximo, el eje está sujeto al par debido a la energía o fuerza almacenada por el volante. Los parámetros de diseño anteriores se pueden verificar para determinar el factor de seguridad de diseño considerando el cigüeñal en el ángulo de torsión máximo.
Si el factor de seguridad es mayor que 1, la estructura es segura. Teniendo esto en cuenta, debemos tener en cuenta que en diferentes ángulos de giro, actúan diferentes fuerzas sobre el cigüeñal.
Este es un concepto de diseño fundamental utilizado en la industria para diseñar cigüeñales para varios motores de combustión interna. Sin embargo, existen varios parámetros y relaciones que sólo la industria conoce y están sujetos a derechos de autor. Por lo tanto, puede consultar varios manuales de datos de diseño de máquinas disponibles en el mercado para su estudio.
Observaciones:
1. El cigüeñal debe diseñarse o probarse para al menos dos posiciones del cigüeñal. En primer lugar, cuando el cigüeñal está sometido a un momento flector máximo, y en segundo lugar, cuando el cigüeñal está sometido a un momento de torsión o par máximo.
2. Se debe tener en cuenta el momento adicional debido al peso del volante, la tensión de la correa y otras fuerzas.
3. Se supone que el efecto del momento flector no excede de dos apoyos entre los que se tiene en cuenta una fuerza.
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Bielas – Tipos, diagrama, función, material, ubicación, diseño de las bielas
Las bielas son componentes clave en un motor de combustión interna. En este artículo, discutiremos qué son las bielas, cómo funcionan, los diferentes tipos de bielas, su diagrama, el material utilizado en su fabricación y cómo se diseñan.
¿Qué son las bielas?
Una biela es una barra o varilla que está conectada al pistón y al cigüeñal en un motor de combustión interna. Su función principal es convertir el movimiento lineal del pistón en un movimiento rotatorio del cigüeñal (o viceversa). Esto permite que el motor produzca energía y genere la fuerza necesaria para hacer girar las ruedas.
Funciones de las bielas:
1. Convierten el movimiento lineal del pistón en un movimiento rotatorio del cigüeñal.
2. Transmiten la potencia del pistón al cigüeñal.
3. Aseguran un funcionamiento suave y uniforme del motor.
Tipos de bielas:
Las bielas se pueden clasificar en diferentes tipos según su diseño y aplicación. Algunos de los tipos comunes de bielas incluyen:
1. Bielas de acero forjado: estas bielas están hechas de acero forjado y son conocidas por su resistencia y durabilidad.
2. Bielas de aluminio: estas bielas están hechas de aluminio y son más livianas que las bielas de acero. Son ampliamente utilizadas en motores de alta potencia y rendimiento.
3. Bielas de titanio: estas bielas están hechas de titanio y son extremadamente ligeras y resistentes. Son utilizadas en motores de competición de alto rendimiento.
4. Bielas articuladas: estas bielas tienen un diseño articulado que permite un movimiento más suave y una mayor eficiencia en la transferencia de potencia.
Diagrama de bielas:
Un diagrama de bielas muestra la disposición de las bielas y su conexión con el pistón y el cigüeñal. Hay diferentes diseños de bielas según el tipo de motor y su configuración. El diagrama de bielas proporciona una representación visual de cómo se conectan los componentes internos del motor.
Material y fabricación de las bielas:
Las bielas están hechas de materiales resistentes y duraderos para soportar las altas temperaturas y presiones dentro del motor. El acero forjado es el material más comúnmente utilizado para las bielas debido a su resistencia y durabilidad. El aluminio y el titanio también se utilizan en bielas de alto rendimiento debido a sus propiedades de peso ligero y alta resistencia.
Las bielas se fabrican mediante procesos de forja o mecanizado. La forja implica dar forma al material mediante calor y presión para crear una forma sólida y resistente. El mecanizado implica cortar y dar forma al material utilizando herramientas de mecanizado de precisión.
Presiones y esfuerzos en las bielas:
Las bielas están sujetas a altas presiones y esfuerzos dentro del motor debido a la combustión y la transferencia de potencia. Las presiones y esfuerzos máximos permitidos en las bielas dependen de varios factores, como la presión del gas, la velocidad del cigüeñal y el método de lubricación.
El diseño de las bielas debe tener en cuenta estos factores y garantizar que las bielas sean lo suficientemente fuertes para soportar las cargas aplicadas. El diseño de las bielas debe basarse en un factor de seguridad adecuado para garantizar la resistencia y la durabilidad.
Procedimiento de diseño de las bielas:
El diseño de las bielas implica varios pasos y cálculos para garantizar su resistencia y durabilidad. A continuación se muestra un procedimiento general para el diseño de las bielas:
1. Determine la carga máxima aplicada a las bielas.
2. Calcule la longitud y posición de las bielas con respecto a la carga aplicada.
3. Estime el grosor de las bielas en función del diámetro del cigüeñal y de las presiones y esfuerzos máximos permitidos.
4. Calcule las dimensiones principales de las bielas, como el diámetro del ojo de la biela y el diámetro del cojinete.
5. Verifique el diseño de las bielas utilizando factores de seguridad adecuados y considerando los diferentes esfuerzos y cargas.
Este procedimiento general puede variar según el tipo de motor y las especificaciones del fabricante. Es importante seguir los estándares y directrices del fabricante para garantizar un diseño seguro y confiable de las bielas.
Conclusión:
Las bielas son componentes esenciales en un motor de combustión interna. Son responsables de convertir el movimiento lineal del pistón en un movimiento rotatorio del cigüeñal. Las bielas están diseñadas para soportar altas presiones y esfuerzos y están fabricadas con materiales resistentes y duraderos. El diseño adecuado de las bielas es crucial para garantizar un funcionamiento suave y confiable del motor.
Frequently Asked Questions (Preguntas frecuentes):
1. ¿Cuál es el material más comúnmente utilizado para las bielas?
El acero forjado es el material más comúnmente utilizado para las bielas debido a su resistencia y durabilidad.
2. ¿Cuál es la función principal de las bielas?
La función principal de las bielas es convertir el movimiento lineal del pistón en un movimiento rotatorio del cigüeñal.
3. ¿Cuántos tipos de bielas existen?
Existen varios tipos de bielas, incluidas las bielas de acero forjado, las bielas de aluminio, las bielas de titanio y las bielas articuladas.
4. ¿Cómo se fabrican las bielas?
Las bielas se fabrican mediante procesos de forja o mecanizado. La forja implica dar forma al material mediante calor y presión, mientras que el mecanizado implica cortar y dar forma al material utilizando herramientas de mecanizado de precisión.
Sources:
– https://learnmech.com/crankshaft-types-material-crankshaft-design/
– https://www.engineeringinsider.org/biela-in-the-internal-combustion-engine/
– https://www.machinerylubrication.com/Read/29035/rod-bearing-failure
(Note: This article is a translation and adaptation of the original English article found at the provided source links. The information provided here is for informational purposes only and should not be considered as professional advice. Please consult with a qualified engineer or expert for specific design and engineering requirements.)