Diseño del Cigüeñal
Ayer le hablamos de los orígenes del cigüeñal, así que, hoy toca platicarles del diseño y su configuración, ya que los motores grandes, generalmente tienen varios cilindros para reducir las vibraciones de una sola carrera. Muchos motores pequeños, como los que se encuentran en maquinaria de jardinería tienen un solo cilindro y usan sólo un pistón, simplificando el diseño del cigüeñal.
Los elementos del cigüeñal de un Nissan Tsuru
Cojinetes
El cigüeñal tiene un eje lineal por el que rota, generalmente con varios cojinetes sobre los cojinetes principales asentados sobre el bloque del motor. Como el cigüeñal soporta una gran cantidad de carga lateral de cada uno de los cilindros en un motor de cilindros múltiples, debe estar soportado por varios cojinetes, no sólo por uno al final del cigüeñal. Este fue un factor para el crecimiento en popularidad de los motores V8, con su cigüeñal más corto, comparado con el motor de 8 cilindros en línea. El cigüeñal de este último sufría de una flexión inaceptable cuando los diseñadores de motores empezaron a usar rangos de mayor compresión y mayores velocidades rotacionales. Los motores de alto rendimiento generalmente usan una mayor cantidad de cojinetes principales en comparación con sus primos de menor rendimiento por esta misma razón.
Diagrama de colocación de los cojinetes (metales)
La flecha indica la ubicación de los cojinetes dentro del cigüeñal
Carrera del pistón
La distancia que el eje de la manivela arroja desde el eje del cigüeñal determina la medida de la carrera del pistón y, por lo tanto, el desplazamiento del motor. Una forma común de incrementar el torque a bajas velocidades es incrementando este desplazamiento, algunas veces conocido como el “accionamiento de la flecha”. Esto también incrementa la vibración alternativa, sin embargo, limita la capacidad de velocidad del motor. En compensación, mejora la respuesta del motor a bajas velocidades, ya que el recorrido de admisión más largo a través de válvulas más pequeñas produce una mayor turbulencia y mezcla de admisión. La mayoría de los motores de alto rendimiento están catalogadas como de carrera corta, en donde el recorrido es menor que el diámetro de la pared cilindro. Así, encontrando el balance adecuado entre la velocidad de accionamiento de la flecha y longitud obtenemos mejores resultados.
Configuración del motor
La configuración, hablando del número de pistones y su colocación en relación entre ellos y el cigüeñal nos llevan a motores en línea, en V o motores planos. El mismo bloque del motor puede ser usado con diferentes cigüeñales, sin embargo, para alterar el tiempo de disparo, por ejemplo, los 90 grados de la configuración del motor V6, anteriormente, era una versión corta de un V8, que produce un motor con una pulsación inherente en el flujo de potencia debido a la “brecha” entre los impulsos de disparo, alternando entre pausas cortas y largas porque el bloque motor de 90 grados no corresponde a la separación de 120 grados del cigüeñal. El mismo motor, sin embargo, puede ser hecho para producir adecuadamente pulsos de potencia espaciados utilizando un cigüeñal con una manivela para cada cilindro, de tal forma que los pistones puedan estar desfasados 120 grados entre sí. Mientras que la mayoría de motores V8 usan 4 manivelas con 90 grados de separación, los motores V8 de alto rendimiento utilizan un motor de cigüeñal plano que se maneja con una diferencia de 180 grados. La diferencia puede ser entendida como un cigüeñal en un plano recto, resultando en un motor más dócil y con un sonido más agudo (como los motores de Formula 1 comparados con los de NASCAR, o un Ferrari comparado con un Chevrolet Corvette).
El siguiente vídeo (en inglés) explica el porque suenan diferentes a pesar de tener motores V8.
El balance del motor
Para algunos motores es necesario proveer contrapesos para la masa correspondiente de cada pistón y la biela para mejorar el balance del motor. Son generalmente fundidos como parte del cigüeñal, pero en algunas ocasiones, son piezas atornilladas. Mientras que los contrapesos incrementan considerablemente su peso, también generan un manejo más suave y permiten alcanzar niveles de revoluciones más altos.
En el siguiente vídeo nos mencionan los elementos a tomar en cuenta para el balanceo de un motor de alto rendimiento.
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