Transmisión de Fuerzas
El tren alternativo, compuesto por pistón, biela y cigüeñal, tiene dos misiones fundamentales: transmitir la fuerza originada en la combustión y transformar el movimiento alternativo del pistón en un movimiento de rotación en el cigüeñal. El pistón se desplaza por el cilindro con un movimiento rectilíneo y con una velocidad variable. La biela transmite este movimiento a la muñequilla del cigüeñal, donde se transforma en un movimiento circular continuo.
Fuerzas que actúan sobre el pistón
El pistón desciende por la impulsión de la explosión y asciende impulsado por el cigüeñal gracias a la energía acumulada por el volante de inercia. El apoyo lateral del pistón contra las paredes del cilindro es la causa del desgaste irregular de este último, lo que produce su ovalamiento. También se produce conicidad, puesto que las fuerzas sobre el pistón son de mayor intensidad cuando este llega al Punto Muerto Superior (PMS) y, por tanto, hay mayor desgaste en esa zona.
Velocidad del pistón
Para conseguir una vuelta completa del cigüeñal, el pistón debe hacer dos carreras (ida y vuelta). En cada carrera, el pistón acelera hasta alcanzar su velocidad máxima y luego decelera hasta detenerse para invertir el sentido de su movimiento. De este movimiento variable se puede obtener una velocidad media del pistón, que estará en función de la longitud de la carrera del pistón y del número de revoluciones por minuto (RPM) del cigüeñal. Las altas velocidades del pistón aceleran el desgaste de los cilindros. La velocidad media del pistón suele estar entre 10 y 15 m/s, y generalmente no debe superar los 28 m/s en motores convencionales.
Fuerzas que actúan sobre el cigüeñal
El par motor se define como el producto de la fuerza aplicada sobre la muñequilla del cigüeñal por la longitud del brazo de palanca (radio de la muñequilla), siempre que la fuerza que apliquemos sea perpendicular al brazo de palanca. La longitud eficaz del brazo de palanca varía con el ángulo de la biela respecto al cigüeñal, lo que da lugar a un par motor irregular. Este giro irregular es compensado en gran medida por el volante de inercia. La fuerza que actúa sobre la muñequilla se descompone en dos fuerzas: una de ellas es tangencial al círculo de giro del cigüeñal y proporciona el trabajo de giro (par motor útil), y la otra se ejerce radialmente sobre el apoyo del cigüeñal, sometiendo a los cojinetes a un gran esfuerzo. Cuando el pistón se encuentra en el PMS o en el PMI (Punto Muerto Inferior), la biela queda alineada con el brazo del cigüeñal; en ese instante, no existe par de fuerzas efectivo para el giro, y los cojinetes de muñequilla, los apoyos del cigüeñal y el bulón del pistón reciben toda la presión. Estas zonas, por tanto, sufren un mayor desgaste, lo que puede producir el ovalamiento de los cojinetes.
Bloque Motor
El bloque motor es el cuerpo estructural que soporta todos los demás elementos del motor. Su mayor característica debe ser la rigidez, porque tiene que soportar grandes esfuerzos sin deformarse. El bloque contiene los cilindros y la bancada donde se apoya el cigüeñal. Además, está provisto de canalizaciones para la lubricación y la refrigeración.
Fabricación del bloque
Los bloques pueden fabricarse con distintos materiales, siendo los más comunes:
- Hierro fundido:
- Buenas propiedades de resistencia mecánica.
- Alta rigidez.
- Buen comportamiento general frente al desgaste.
- Desventaja: Es muy pesado.
- Aleación ligera (principalmente aluminio y silicio):
- Ventaja: Pesa significativamente menos que el hierro fundido.
- Ventaja: Buena conductividad térmica (facilita la disipación del calor).
- Desventaja: La resistencia mecánica y la rigidez son menores que las del hierro fundido, requiriendo diseños específicos o refuerzos.
La bancada
La bancada está constituida por los asientos o apoyos sobre los que gira el eje del cigüeñal y forma parte integral del bloque motor. Cada uno de los apoyos está constituido por una parte fija mecanizada en el bloque y otra desmontable, llamada sombrerete de bancada. Ambas partes se unen mediante tornillos y en su interior se alojan dos semicojinetes (casquillos de fricción) que facilitan el giro del cigüeñal y minimizan el desgaste. En algunos bloques de aluminio, los sombreretes de todos los apoyos pueden estar integrados en una sola pieza que se denomina semicárter inferior de apoyos del cigüeñal o placa de refuerzo de bancada.
Los cilindros
Los cilindros son una parte fundamental del bloque; de su durabilidad depende en gran medida la vida útil del motor. Los cilindros soportan altas presiones y temperaturas, además del rozamiento constante de los segmentos y del pistón. Por eso, deben tener las siguientes características:
- Resistencia al desgaste.
- Buena conductividad térmica (para evacuar el calor de la combustión).
- Buenas cualidades de deslizamiento (para minimizar la fricción con pistones y segmentos).
El mecanizado interior del cilindro, conocido como bruñido, se acaba con un esmerilado fino que produce un rayado característico (patrón cruzado) con una inclinación de aproximadamente 45 a 60°. Este estriado permite retener una película de aceite y lubricar eficazmente el rozamiento con los segmentos. Durante el periodo de rodaje del motor, los segmentos se asientan contra las paredes del cilindro, logrando un buen acoplamiento entre ellos y la superficie del cilindro.
Formación de los cilindros en el bloque
Existen principalmente dos configuraciones para los cilindros en el bloque:
Bloque integral (o con cilindros integrales)
Los cilindros se elaboran directamente sobre el material del bloque y se mecanizan después de la fundición. Este procedimiento es el más empleado en la actualidad, especialmente en bloques de hierro fundido. Para reparar el desgaste de estos cilindros, es necesario rectificar el bloque a una sobremedida utilizando una máquina rectificadora.
Bloque con camisas
Las camisas son unos cilindros postizos que se montan (generalmente a presión o con un ligero juego) en alojamientos mecanizados en el bloque. Tienen la ventaja de que se pueden fabricar con materiales diferentes al del bloque, que posean mejores cualidades de resistencia al desgaste o conductividad térmica. En caso de avería o desgaste excesivo de una camisa, no es necesario reparar todo el bloque; simplemente se sustituye la camisa dañada. El coste de fabricación de un motor con camisas suele ser mayor que el de un bloque integral. Existen camisas secas (en contacto directo con el material del bloque) y camisas húmedas (en contacto directo con el líquido refrigerante).