El cigüeñal es un componente fundamental en las máquinas térmicas y en los motores alternativos, ya que juega un papel crucial en la conversión del movimiento.
Este árbol de transmisión de fuerza funciona como una manivela que convierte los movimientos alternativos de los pistones en movimientos de rotación (como en los motores de explosión) o, en algunos casos, convierte los movimientos rotatorios en movimientos alternativos (como en las prensas mecánicas excéntricas).
Función del cigüeñal en un motor térmico
En los motores térmicos, el cigüeñal recoge las fuerzas originadas por las explosiones dentro de los cilindros y, mediante las bielas, transforma el movimiento lineal alternativo del pistón en un movimiento rotativo. Este movimiento se transmite luego a otros elementos del motor, como el volante de inercia o el sistema de distribución. El cigüeñal debe ser extremadamente resistente debido a los esfuerzos de torsión y flexión a los que está sometido durante su funcionamiento.
Estructura y componentes del cigüeñal
Un cigüeñal está compuesto por varios elementos clave:
- Muñones: Los puntos de unión entre las bielas y el cigüeñal. Cada muñón gira descentrado respecto al eje de rotación del cigüeñal.
- Contrapesos: Colocados en la prolongación de cada codo (o brazo), sirven para equilibrar el cigüeñal y reducir las vibraciones.
- Piñón de distribución y volante de inercia: En los extremos del cigüeñal se montan estos componentes, que permiten el acoplamiento con otros sistemas del motor.
En un motor típico de cuatro cilindros, el cigüeñal tiene generalmente cinco soportes que se fijan a la bancada del bloque del motor. Estos soportes, o bancadas, son cruciales para mantener el cigüeñal en su posición de rotación y garantizar su funcionamiento sin movimientos indeseados.
Funcionamiento del cigüeñal
El cigüeñal convierte el movimiento alternativo de los pistones en un movimiento de rotación gracias a sus codos. Estos codos reciben las bielas, que a su vez están conectadas a los pistones. El muñón de cada codo es el eje de rotación del cigüeñal, y a través de la conexión entre el muñón y el brazo del cigüeñal, se produce la rotación.
Para compensar el desequilibrio que se genera debido a la rotación descentrada de los muñones y las bielas, se instalan contrapesos en los extremos de los brazos del cigüeñal. Estos contrapesos ayudan a equilibrar las fuerzas y a reducir las vibraciones indeseadas. En algunos cigüeñales, los codos están dispuestos de manera que los desequilibrios de un codo se compensen con los de otro, lo que facilita un funcionamiento más suave.
Materiales y tecnología de fabricación
El cigüeñal debe ser fabricado con materiales de alta resistencia, ya que debe soportar los esfuerzos de fatiga, torsión y desgaste. Los materiales más comunes son los aceros de alta aleación, como el acero al carbono, el cromo-manganeso y el cromo-níquel-molibdeno, debido a su alta resistencia y la capacidad de obtener dureza superficial a través de tratamientos como la nitruración.
Cigüeñales de acero: Estos cigüeñales ofrecen una gran resistencia, lo que los hace ideales para motores de alto rendimiento y aplicaciones en las que la fatiga es una preocupación importante. Los tratamientos térmicos como la nitruración permiten aumentar la dureza de los cuellos del cigüeñal, lo que mejora la durabilidad de los rodamientos.
Cigüeñales de hierro fundido: Estos cigüeñales se fabrican mediante fundición de hierro dúctil modificado con magnesio. Ofrecen ventajas como una alta capacidad de amortiguación de las vibraciones torsionales, lo que puede eliminar la necesidad de amortiguadores adicionales en algunos motores.
Tipos de cigüeñales
Existen dos tipos principales de cigüeñales, dependiendo de su diseño y uso:
- Cigüeñales compuestos o separables: En estos cigüeñales, los componentes como el pasador de la barra de conexión se pueden deslizar, lo que permite mejorar la fiabilidad y reducir la fricción. Este tipo de cigüeñal es más común en motores de dos cilindros debido a las complejidades en su construcción.
- Cigüeñales monolíticos: Son los más utilizados en motores de mayor tamaño. Están hechos de una sola pieza, lo que facilita la fabricación y reduce el peso total del cigüeñal. Son más simples de fabricar que los cigüeñales compuestos.
Tratamientos térmicos y endurecimiento
Debido a los esfuerzos a los que está sometido el cigüeñal, es común que se someta a tratamientos térmicos para mejorar su durabilidad y resistencia. Estos tratamientos pueden incluir la nitruración, el temple a la llama o el temple por inducción, que aumentan la dureza superficial y la resistencia al desgaste.
Mantenimiento del cigüeñal
El cigüeñal es un componente esencial para el funcionamiento de cualquier motor, y su mantenimiento adecuado es crucial para garantizar la longevidad y el rendimiento del motor. El mantenimiento puede incluir inspecciones regulares para detectar desgaste o daños en los muñones, los contrapesos y los soportes.
También es fundamental verificar que los cojinetes del cigüeñal estén en buen estado, ya que un cojín desgastado puede provocar un funcionamiento ineficiente o incluso fallos mecánicos.
Un cigüeñal que presenta un desgaste irregular o daños en los muñones puede causar vibraciones en el motor, lo que no solo afecta el rendimiento, sino que también puede dañar otros componentes. Por ello, en algunos motores de alto rendimiento, es necesario realizar equilibrados dinámicos del cigüeñal, especialmente en motores de competición o de aviación.
Relación con otros componentes del motor
El cigüeñal está estrechamente relacionado con varios otros componentes clave del motor, tales como:
- El sistema de distribución: El cigüeñal está conectado con el piñón de la distribución, el cual controla el tiempo de apertura y cierre de las válvulas. La sincronización precisa entre el cigüeñal y el árbol de levas es crucial para un rendimiento eficiente del motor.
- El sistema de lubricación: El cigüeñal debe estar correctamente lubricado para reducir el desgaste por fricción. El sistema de lubricación, que incluye la bomba de aceite, garantiza que el cigüeñal y otros componentes críticos reciban el aceite adecuado para su funcionamiento sin fricción excesiva.
- La biela: La biela transfiere la fuerza generada por la explosión del combustible del pistón al cigüeñal. Este componente debe estar perfectamente alineado y ser capaz de resistir las fuerzas de compresión y torsión.
Eficiencia y rendimiento del motor
El cigüeñal influye directamente en la eficiencia del motor, ya que un cigüeñal bien equilibrado y de alta calidad reduce la vibración y mejora la suavidad del funcionamiento. Los cigüeñales ligeros y balanceados permiten que el motor funcione de manera más eficiente, lo que puede mejorar el rendimiento general y reducir el consumo de combustible.
Además, el cigüeñal tiene un impacto importante en la emisión de gases del motor. Un cigüeñal mal equilibrado puede causar un funcionamiento menos eficiente, lo que lleva a una mayor producción de emisiones debido a una combustión incompleta o irregular. Un cigüeñal optimizado contribuye a un motor más limpio y eficiente.
Avances tecnológicos en los cigüeñales
En la actualidad, los avances tecnológicos han permitido que los cigüeñales sean más livianos y resistentes, utilizando materiales como el titanio en motores de alto rendimiento o motores eléctricos de vehículos deportivos.
Además, la tecnología de fabricación ha evolucionado, con la utilización de impresión 3D para la creación de modelos complejos de cigüeñales y otros componentes, lo que permite reducir los costes de producción y mejorar la precisión.