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Cigüeñal

Cigüeñal

El cigüeñal es un componente de las máquinas térmicas y de los motores alternativos en general. El cigüeñal es el árbol de transmisión de fuerza que hace de manivela del conjunto biela-manivela. Su función es transformar los movimientos alternativos en movimientos de rotación (motores de explosión, por ejemplo), o viceversa (prensas mecánicas excéntricas).

En los motores térmicos el cigüeñal recoge las fuerzas originadas durante la explosión y convierte, mediante la biela, el movimiento lineal alternativo del pistón en movimiento rotativo. Transmite el movimiento y la fuerza motriz a los elementos de transmisión que le son acoplados. Está sometido a esfuerzos de torsión y flexión, y tiene una estructura fuerte y muy resistente.

Los cigüeñales constan de unos soportes, normalmente cinco para un motor de cuatro cilindros en línea, que van sujetas a la bancada del bloque. También llevan unos codos llamados muñones donde se sujetan las bielas. En la prolongación de cada codo están los contrapesos, que sirven para equilibrar el cigüeñal. En un extremo del cigüeñal va montado el piñón de la distribución y, en el otro, el volante de inercia.

Los motores térmicos son ejemplos de motores que utilizan un cigüeñal para transformar los movimientos alternativos en movimientos de rotación. Las prensas mecánicas excéntricas, en cambio, son ejemplos que mecanismos que utilizan los cigüeñales para transformar movimientos de rotación en movimientos alternativos.

Funcionamiento de los cigüeñales

El cigüeñal tiene un codo para cada biela de la máquina o del motor. El codo recibe la biela en el muñón, que gira descentrado alrededor del eje de rotación del cigüeñal. El muñón que constituye el eje de rotación del cigüeñal es el cuello o soporte de bancada. El brazo es la parte del cigüeñal que une el muñón y el cuello. Suele haber un brazo a cada lado del muñón y un cuello para cada brazo. Aún así hay cigüeñales de compresores que sólo tienen un cuello, un brazo y el muñón, y cigüeñales de motores ligeros de dos, cuatro o seis cilindros que tienen los muñones agrupados de dos en dos, con un brazo intermedio único y sin cuello entre dos muñones consecutivos.

Para compensar los efectos de desequilibrio producidos por la rotación descentrada del muñón y de la biela, en la extremidad de los brazos se instalan unos contrapesos opuestos al muñón. Estos contrapesos pueden ser de una misma pieza con el cigüeñal o pueden estar apretados fuertemente sobre los brazos. En cigüeñales de más de un codo, se dispone de tal modo los codos, que las masas descentradas de un codo se compensen con las masas descentradas de otro, a fin de obtener un equilibrado posible.

Esta disposición de los codos determina la posición de los cilindros, la sucesión de las explosiones y todo el conjunto de la distribución. Los cigüeñales son obtenidos por forja, y ulterior mecanización, de una sola pieza a partir de cuellos, brazos y muñones separados y montados a presión para acoplamiento en caliente. De este modo, se permite el montaje de cojinetes de bolas o de rodillos en el muñón. La misma técnica se aplica en cigüeñales muy grandes, de motores marinos, por ejemplo, para evitar la dificultad de obtención de piezas forjadas o fundidas demasiado pesados.

El cigüeñal es la pieza del motor que debe soportar los mayores esfuerzos de fatiga y de desgaste. En los motores de aviación, o en los motores donde las condiciones de peso, de seguridad, de carga son muy severas, los tratamientos térmicos y los endurecimientos superficiales de nitruración, temple a la llama o temple por inducción son generalizados.

Material y tecnología de fabricación para piezas de cigüeñal

La tecnología de materiales y fabricación a menudo están estrechamente vinculadas. En el caso de la fabricación de cigüeñales, los ejes de acero (para lograr la mayor resistencia y tenacidad) se obtienen forjando y por fundición.

Cigüeñales de acero

Los cigüeñales están hechos de carbono, cromo-manganeso, cromo-níquel-molibdeno y otros aceros, así como de fundiciones especiales de alta resistencia. La ventaja de los ejes de acero es la mayor resistencia, la posibilidad de obtener una alta dureza de los cuellos por nitruración, los ejes de hierro fundido son más baratos.

La elección del acero está determinada por la dureza superficial de los cuellos a obtener. La dureza de aproximadamente 60 HRC (necesaria para el uso de rodamientos de rodillos) se puede obtener, por regla general, solo por tratamiento químico-térmico (cementación, nitruración, cianuración). Para estos fines, por regla general, los aceros con bajo contenido de carbono de cromo-níquel o cromo-níquel-molibdeno son adecuados, y para ejes de tamaños mediano y grande, se requiere más aleación con molibdeno costoso. Mientras se mantiene la viscosidad del núcleo, se puede obtener menos dureza suficiente para un funcionamiento confiable de los cojinetes lisos apagando el HDTV como carbono medio Leu y fundición gris.

Las chavetas de cigüeñales de acero de tamaño mediano en la producción a gran escala y en masa se fabrican forjando moldes cerrados en martillos o prensas, mientras que el proceso de obtención de la palanquilla pasa por varias operaciones. Después de la forja preliminar y final del cigüeñal en los troqueles, el tapajuntas se recorta en la prensa de bordes y se endereza en caliente en el sello debajo del martillo.

Debido a los altos requisitos de resistencia mecánica del eje, la ubicación de las fibras del material al recibir la pieza de trabajo es de gran importancia para evitar cortarlas durante el mecanizado posterior. Para esto, se utilizan sellos con corrientes de flexión especiales. Después del estampado antes del mecanizado, las piezas en bruto del eje se someten a un tratamiento térmico (normalización) y luego se descalcifican mediante decapado o granallado.

Los cigüeñales de gran tamaño, como los cigüeñales de los barcos, así como los cigüeñales de los motores con cárter del túnel, son plegables y atornillados. Los cigüeñales se pueden instalar no solo en cojinetes deslizantes, sino también en rodillos (biela y principal), bola (principal en motores de baja potencia). En estos casos, se imponen mayores exigencias tanto en la precisión de fabricación como en la dureza. Dichos ejes siempre están hechos de acero.

Cigüeñales de hierro fundido

Los cigüeñales fundidos generalmente están hechos de hierro dúctil modificado con magnesio. En comparación con los ejes "estampados" obtenidos por fundición de precisión (en moldes de carcasa), los ejes tienen varias ventajas, incluida una alta tasa de utilización de metal y una buena amortiguación de la vibración torsional, que a menudo hace posible abandonar el amortiguador externo en la punta del eje delantero. En las palanquillas de colada, también se pueden obtener varias cavidades internas durante la colada.

La tolerancia para mecanizar los cuellos de los ejes de hierro fundido no es más de 2.5 mm por lado con desviaciones según las clases de precisión 5-7. Menos fluctuación de stock y menos desequilibrio inicial afectan favorablemente el funcionamiento de la herramienta y el "equipo", especialmente en la producción automatizada.

Tipo de cigüeñales

El cigüeñal puede ser de dos tipos:

  • Compuesto / separables, estos árboles, son separables, en el sentido de que el pasador que alberga el jefe de la barra de conexión se puede deslizar, a fin de acomodar la barra de conexión con la cabeza en una sola pieza y su apoyo, a fin de mejorar la fiabilidad de medios y reducir las dispersiones a la fricción, sin embargo, este tipo de construcción es muy difícil de conseguir, dadas las innumerables factores que se deben respetar para no caer en vibraciones; por lo que su uso en vehículos civiles se une generalmente por el motor con dos cilindros al máximo.
  • Monolítico, estos árboles se encuentran entre los más utilizados, debido a que permitirá una atención más pequeño del conjunto y pueden tener un peso más bajo que los modelos separables dadas por el hecho de que se componen de un solo elemento.

Además, dependiendo de las características del motor puede ser simple cuando se utiliza un solo eje del motor para el motor, múltiple, cuando existe la necesidad de más árboles también pueden ser necesarios más árboles por cilindro del motor, como en el caso de los motores de los árboles cigüeñales opuestas o DUA de pistón, donde tienen dos ejes giran en sentido contrario por el pistón para minimizar las fuerzas laterales del pistón.

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Fecha publicación: 18 de noviembre de 2016
Última revisión: 27 de febrero de 2020