martes, 30 de junio de 2015

Cilindros del motor

Cilindro (motor)

El bloque de un motor sin laculata, permitiendo ver los cuatro cilindros.

Camisa del cilindro de un motor.

Para otros usos de este término, véase Cilindro (desambiguación).

El cilindro de un motor es el recinto por donde se desplaza un pistón. Su nombre proviene de su forma, aproximadamente un cilindrogeométrico.

En los motores de combustión interna tales como los utilizados en los vehículos automotores, se dispone un ingenioso arreglo de cilindros junto con pistones, válvulas, anillos y otros mecanismos de regulación y transmisión, pues allí es donde se realiza la explosión del combustible, es el origen de la fuerza mecánica del motor que se transforma luego en movimiento del vehículo.

El cilindro es una pieza hecha con metal fuerte porque debe soportar a lo largo de su vida útil un trabajo a alta temperatura con explosiones constante de combustible, lo que lo somete a un trabajo excesivo bajo condiciones extremas. Una agrupación de cilindros en un motor constituye el núcleo del mismo, conocido como bloque del motor.

Hay motores desde un cilindro, como las motosierras y algunas motocicletas, hasta motores de 12 o 16 cilindros en automóviles, camiones y aviones.

El diámetro y la carrera del cilindro, o mejor la cilindrada, tienen mucho que ver con la potencia que el motor ofrece, pues están en relación directa con la cantidad de aire que admite para mezclarse con el combustible y que luego explota, generando con ello el movimiento mecánico que finaliza con el desplazamiento del vehículo hacia otra posición.

Camisa del cilindro[editar]

En algunos motores el cilindro es constituido por una "camisa" que nada más que es un tubo cilíndrico colocado en el bloque del motor y que posibilita la circulación de agua en su vuelta, así como una fácil sustitución en caso de desgaste. Las medidas internas de la camisa del cilindro vienen dadas normalmente por el fabricante, pero pueden ser rectificadas en caso de gripaje, siempre que el material utilizado para su fabricación no sea Nikasil.

La energía mecánica generada en la camisa puede ser utilizada para el movimiento de la hélice de un barco o también para generarenergía eléctrica para el caso de motores generadores, tanto en instalaciones fijas para suministro de la misma como en los barcos tanto para propulsión eléctrica como para suministro de energía eléctrica en el mismo.

camisas de cilindro. Hay dos formas de hacer la parte interior del cilindro, por donde corre el pistón. Una es dar un tratamiento superficial al propio metal del bloque, que consiste en recubrilo de un capa muy resistente de otro material distinto del que tiene el bloque. Por ejemplo, los recubrimientos a base níquel y silicio son de este tipo.

La otra es colocar dentro del cilindro una pieza aparte, que es la que se denomina «camisa». Una ventaja de la camisa es que, en caso de desgaste o deformación, se puede cambiar. Un inconveniente es que hacen que el motor ocupe más espacio.

Existen dos tipos de camisas: secas o húmedas. Se denominan secas cuando no están en contacto con el líquido refrigerante, sino que son muy delgadas y van directamente en contacto con el bloque, que es el que soporta los esfuerzos mecánicos de las explosiones. Las camisas húmedas son más gruesas, y se montan de forma que entre el bloque y la propia camisa circula el líquido refrigerante.camisas de cilindro. Hay dos formas de hacer la parte interior del cilindro, por donde corre el pistón. Una es dar un tratamiento superficial al propio metal del bloque, que consiste en recubrilo de un capa muy resistente de otro material distinto del que tiene el bloque. Por ejemplo, los recubrimientos a base níquel y silicio son de este tipo.

Mecanismo le las levas

Levas (mecánica)

Árbol de levas en un motor.

Movimiento de una leva.

En ingeniería mecánica, una leva es un elemento mecánico que está sujeto a un eje por un punto que no es su centro geométrico, sino un alzado de centro. En la mayoría de los casos es de forma ovoide. El giro del eje hace que el perfil o contorno de la leva toque, mueva, empuje o conecte con una pieza conocida como seguidor. Existen dos tipos de seguidores: de traslación y de rotación.

La unión de una leva se conoce como unión de punto en caso de un plano o unión de línea en caso del espacio.

Algunas levas tienen dientes que aumentan el contacto con el seguidor.

La forma de una leva depende del tipo de movimiento que se desea que imprima en el seguidor. Ejemplos: árbol de levas delmotor de combustión interna, programador de lavadoras, etc.

Las levas se pueden clasificar en función de su naturaleza. Hay levas de revolución, de traslación, desmodrómicas (las que realizan una acción de doble efecto), etc.

La máquina que se usa para fabricar levas se llama generadora.

Diseño cinemático de la leva[editar]

La leva y el seguidor realizan un movimiento cíclico (360 grados). Durante un ciclo de movimiento el seguidor se encuentra en una de tres fases. Cada fase dispone de otros cuatro sinusoidales que en el coseno de "fi" se admiten como levas espectatrices. Sirve muchas veces para los motores de los coches o bicicletas.

Ley fundamental del diseño de levas[editar]

Las ecuaciones que definen el contorno de la leva y por lo tanto el movimiento del seguidor deben cumplir los siguientes requisitos, lo que es llamado la ley fundamental del diseño de levas:

La ecuación de posición del seguidor debe ser continua durante todo el ciclo.
La primera y segunda derivadas de la ecuación de posición (velocidad y aceleración) deben ser continuas.
La tercera derivada de la ecuación (sobreaceleración o jerk) no necesariamente debe ser continua, pero sus discontinuidades deben ser finitas.

Las condiciones anteriores deben cumplirse para evitar choques o agitaciones innecesarias del seguidor y la leva, lo cual sería perjudicial para la estructura y el sistema en general.

Diagramas SVAJ[editar]

Son gráficas que muestran la posición, velocidad, aceleración y sobreaceleración del seguidor en un ciclo de rotación de la leva. Se utilizan para comprobar que el diseño propuesto cumple con la ley fundamental del diseño de levas.

Software para diseño de levas[editar]

Actualmente, existe un software desarrollado por Robert L. Norton llamado Dynacam, que de acuerdo a los datos de subida, detenimiento y bajada permite seleccionar las ecuaciones de movimiento y hace el dibujo de la leva junto a los diagramas SVAJ, además de calcular las fuerzas dinámicas que actúan sobre la leva.

Mecanismo

Mecanismo en movimiento.

Se le llama mecanismo a los dispositivos o conjuntos de sólidos resistentes que reciben una energía de entrada y, a través de un sistema de transmisión y transformación de movimientos, realizan un trabajo.

Índice

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Introducción[editar]

Basándose en principios de la mecánica se representan los mecanismos mediante engranes o ruedas dentadas, con los cuales se forman sistemas de ecuaciones, que caracterizan el comportamiento y funcionamiento de un mecanismo. A diferencia de un problema de dinámica básica, un mecanismo no se considera como una masa puntual sino como un conjunto de sólidos rígidos enlazados. Estos sólidos se denominan elementos del mecanismo y presentan combinaciones de movimientos relativos de rotación y traslación, que combinados pueden dar lugar a un movimiento de gran complejidad. Para el análisis de un mecanismo usualmente son necesarios conceptos como el de centro de gravedad, momento de inercia, velocidad angular, entre otros.

La mayoría de veces un mecanismo puede ser analizado utilizando un enfoque bidimensional, lo que reduce el mecanismo a un plano. En mecanismos más complejos y, por lo tanto, más realistas, es necesario utilizar un análisis espacial. Un ejemplo de esto es una rótula esférica, la cual puede realizar rotaciones tridimensionales.

El análisis de los esfuerzos internos de un mecanismo, usualmente se realiza una vez determinada su cinemática y dinámica, y en este período se hace necesario modelizar alguno de sus elementos como sólidos deformables, y así mediante los métodos de la resistencia de materiales y la teoría de la elasticidad se pueden determinar sus deformaciones, así como sus tensiones, y decidir si los esfuerzos a los que están sometidos los elementos del mecanismos pueden ser adecuadamente resistidos sin rotura o pérdida del funcionalidad del mecanismo.

Análisis de mecanismos[editar]

El análisis de un mecanismo se refiere a encontrar las velocidades, aceleraciones y fuerzas en diferentes partes del mismo conocido el movimiento de otra parte. En función del objetivo del análisis pueden emplearse diversos métodos para determinar las magnitudes de interés entre ellos:

Pares cinemáticos[editar]

Reuleaux llama las conexiones ideales entre los enlaces de par cinemático. Hizo una distinción entre los pares más altos que se dice que tienen la línea de contacto entre los dos eslabones más bajos y pares que tienen el área de contacto entre los eslabones. J. J. Phillips, Libertad en Maquinaria, Cambridge University Press, 2006 muestra que hay muchas maneras de construir parejas que no encajan en esta clasificación simple.

Bajo par: Un par inferior es un conjunto de enlaces ideales que limita el contacto entre un punto, una línea o un plano en el cuerpo en movimiento a una línea de puntos correspondiente en el cuerpo fijo. Tenemos los siguientes casos:

Un par de revolución, o conjunto articulado, requiere una línea en el cuerpo en movimiento a permanecer co-lineal con una línea en el cuerpo fijo, y un plano perpendicular a esta línea en el cuerpo en movimiento mantener contacto con un plano perpendicular similar en el fijo cuerpo. Esto impone limitaciones a cinco el movimiento relativo de los enlaces, que por lo tanto, tiene un grado de libertad.
Una articulación prismática, o deslizador, que requiere una línea en el cuerpo en movimiento permanecen co-lineal con una línea en el cuerpo fijo, y un plano paralelo a esta línea en el cuerpo en movimiento mantener contacto con un plan similar en paralelo en el cuerpo fijo . Ello impone cinco restricciones sobre el movimiento relativo de los enlaces, que por lo tanto tiene un grado de libertad.
Una articulación cilíndrica requiere que una línea en el cuerpo en movimiento permanecen co-lineal con una línea en el cuerpo fijo. Es una combinación de una articulación de giro y una junta deslizante. Esta articulación tiene dos grados de libertad.
Una junta esférica o esférica, requiere que un punto en el cuerpo en movimiento mantener contacto con un punto fijo en el cuerpo. Esta articulación tiene tres grados de libertad.
Una junta plana requiere que un avión en el cuerpo en movimiento mantener contacto con un plano en el cuerpo fijo. Esta articulación tiene tres grados de libertad.

Superior pares: Generalmente, un par más alto es una restricción que requiere una curva o superficie en el cuerpo en movimiento para mantener el contacto con una superficie curva o en el cuerpo fijo. Por ejemplo, el contacto entre una leva y su seguidor es un par más alto llamado leva conjunta. Del mismo modo, el contacto entre las curvas envolventes que forman el mallado dientes de dos engranajes son articulaciones de leva.

Grados de libertad[editar]

En un mecanismo resulta de fundamental importancia determinar el número de grados de libertad, ya que ese número entero es precisamente el número de ecuaciones diferenciales de segundo orden que se requieren para describir completamente el mecanismo. El número de grados de libertad se determina a partir del número de elementos o sólidos que forman el mecanismo y de los pares cinemáticos que ligan el movimiento de unos elementos a otros. El número de grados de libertad se determina según esta fórmula:

$GL = n_s GL_s - \sum_k E_{pc,k} > 0$

Donde:

n_s

, número de sólidos o elementos que conforman el mecanismo.

GL_s

es el número de grados de libertad por sólido (para un mecanismo plano será 3 y para un mecanismo tridimensional 6).

E_{pc,k}

, el número de restricciones que impone el k-ésimo par cinemático.

Un caso particular de la fórmula anterior, es el de un mecanismo plano sin enlaces redundante, donde el número de grados de libertad del mismo se pueden calcular mediante el criterio de Grübler-Kutzbach:

$GL = 3 \left ( n_s - 1 \right ) - 2j_1 - j_2$

Biela

Biela de un motor de combustión interna.

Se puede denominar biela a un elemento mecánico que sometido a esfuerzos de tracción o compresión, transmite el movimiento articulando a otras partes de la máquina. En un motor de combustión interna conectan el pistón al cigüeñal.

Actualmente las bielas son un elemento básico en los motores de combustión interna y en los compresores alternativos. Se diseñan con una forma específica para conectarse entre las dos piezas, el pistón y el cigüeñal. Su sección transversal o perfil puede tener forma de H, I o + . El material del que se fabrican es de una aleación de acero, titanio o aluminio. En la industria automotor todas se fabrican por forja, pero algunos fabricantes de piezas las hacen mediante mecanizado.

Partes de la biela[editar]

Se pueden distinguir tres partes en una biela.

La parte trasera de biela en el eje del pistón, es la parte con el agujero de menor diámetro, y en la que se introduce el casquillo a presión, en el que luego se inserta el bulón, un cilindro o tubo metálico que une la biela con el pistón.
El cuerpo de la biela es la parte central, está sometido a esfuerzos de tracción-compresión en su eje longitudinal, y suele estar aligerado, presentando por lo general una sección en forma de doble T, y en algunos casos de cruz.
La cabeza es la parte con el agujero de mayor diámetro, y se suele componer de dos mitades, una solidaria al cuerpo y una segunda postiza denominada sombrerete, que se une a la primera mediante pernos.
- Entre estas dos mitades se aloja un casquillo, cojinete o rodamiento, que es el que abraza a la correspondiente muñequilla ó muñón en el cigüeñal.¹

Tipos de biela en función de la forma de su cabeza[editar]

En función de la forma de la cabeza de biela, y como se une a ella el sombrerete, se pueden distinguir:

Biela enteriza: Es aquella cuya cabeza de biela no es desmontable, no existe el sombrerete. En esos casos el conjunto cigüeñal-bielas es indesmontable, o bien es desmontable porque el cigüeñal se desmonta en las muñequillas.
Biela aligerada: Si el ángulo que forma el plano que divide las dos mitades de la cabeza de biela, no forma un ángulo recto con el plano medio de la biela, que pasa por los ejes de pie y cabeza, sino que forma un ángulo, entonces se dice que la biela es aligerada.

Materiales[editar]

Por lo general, las bielas de los motores alternativos de combustión interna se realizan en acero templado mediante forja, aunque hay motores de competición con bielas detitanio o aluminio, realizadas por operaciones de arranque de material.

Funcionamiento en un motor de combustión interna[editar]

Diagrama de un motor de combustión interna. La letra R señala la biela.

Cuando el pistón se encuentra comprimiendo la mezcla 10° antes para llegar al punto muerto superior (PMS) la chispa se activa, provocando que la mezcla comience quemarse y cuando llegue al PMS esta fuerza explosiva que se está liberando se comprime. Debido a las fuerzas inerciales el mecanismo sigue avanzando, al encontrarse a 10° después del PMS es cuando se libera toda la fuerza.

Los principales esfuerzos que sufre la biela son de flexión compuesta en el momento de la carga máxima al explotar la mezcla combustible (expansión del ciclo), la compresión estaría dada por la componente de la fuerza sobre el eje longitudinal de la biela, y la flexión por la componente transversal a la misma, y lo mismo con el par reactivo proporcionado por la carga a través del cigüeñal al oponerse al movimiento. Además la biela sufre un esfuerzo de compresión nuevamente en la etapa de compresión de la mezcla.

Después de observar los distintos tipos de análisis realizados a la biela se pueden notar dos puntos críticos que ocurren en diferentes etapas del ciclo mecánico, el primero de ellos se aprecia durante la compresión, este tiene lugar en la parte media de la biela, el segundo punto crítico se sitúa en la parte inferior de la biela y ocurre durante la expansión del ciclo. Los tornillos, por su parte, soportan solo un pequeño porcentaje de la carga.

Con un análisis similar en bielas de sección tipo H en lugar de I, se observa que los esfuerzos que aparecen son menores, esto es debido a que las bielas tipo H se fabrican en su mayoría mecanizadas y con una sección constante, por lo que en la parte de la cabeza resulta sobredimensionada, disminuyendo las tensiones internas, se utilizan en motores de altas exigencias. Sin embargo en los automóviles de producción masiva se utilizan las bielas tipo I forjadas que resisten apropiadamente los esfuerzos que sufren en un uso normal, pero no son adecuadas para regímenes más intensos.

Biela-manivela

(Redirigido desde «Mecanismo de biela - manivela»)

horario de biela y manivela en locomotoras de vapor. La biela recibe en (5) el movimiento lineal del pistón y lo transforma en rotación de las ruedas.

Serrería romana de Hierápolis. Del siglo III de la Era como funciona, es la maestra más antigua del horario [biela]-[manivela].¹ ² ³

El mecanismo de biela - manivela es un mecanismo que transforma un movimiento circular en un movimiento de traslación, o viceversa. El ejemplo actual más común se encuentra en elmotor de combustión interna de un automóvil, en el cual el movimiento lineal del pistónproducido por la explosión de la gasolina se trasmite a la biela y se convierte en movimiento circular en el cigüeñal.

En forma esquemática, este mecanismo se crea con dos barras unidas por una unión de revoluta. El extremo que rota de la barra (la manivela) se encuentra unido a un punto fijo, el centro de giro, y el otro extremo se encuentra unido a la biela. El extremo restante de la biela se encuentra unido a un pistón que se mueve en línea recta.

Elementos frisio-químicos[editar]

Biela: Es un elemento rígido y largo que permite la unión articulada entre la manivela y el émbolo. Está formada por la cabeza, la caña o cuerpo y el pie. La forma y la sección de la biela pueden ser muy variadas, pero debe poder resistir los esfuerzos de trabajo, por eso es hecha de aceros especiales o aleaciones de aluminio.
Manivela: Es una palanca con un punto al eje de rotación y la otra en la cabeza de la biela. Cuando la biela se mueve alternativamente, adelante y atrás, se consigue hacer girar la manivela gracias al movimiento general de la biela. Y al revés, cuando gira la manivela, se consigue mover alternativamente adelante y atrás la biela y el émbolo.