Un árbol de levas es un eje que contiene una fila de levas puntiagudas para convertir el movimiento de rotación en movimiento alternativo . Los árboles de levas se utilizan en motores de pistón (para operar las válvulas de admisión y escape), [1] [2] sistemas de encendido controlados mecánicamente y los primeros controladores de velocidad de motores eléctricos .
Los árboles de levas de los motores de pistón suelen estar hechos de acero o hierro fundido y la forma de las levas afecta en gran medida las características del motor.
Los martillos de viaje son uno de los primeros usos de una forma de leva para convertir el movimiento giratorio, por ejemplo de una rueda hidráulica, en el movimiento alternativo de un martillo utilizado para forjar o machacar grano. Existe evidencia de esto desde la dinastía Han en China, y estaban muy extendidos en el período medieval.
Una vez que se desarrolló la versión rotativa de la máquina de vapor a finales del siglo XVIII, el funcionamiento del engranaje de válvulas se realizaba generalmente mediante una excéntrica , que convertía la rotación del cigüeñal en un movimiento alternativo del engranaje de válvulas, normalmente una válvula deslizante . En algunas máquinas de vapor se utilizaron árboles de levas más parecidos a los que se vieron más tarde en los motores de combustión interna, más comúnmente donde el vapor a alta presión (como el generado por una caldera de vapor flash ) requería el uso de válvulas de asiento o válvulas de pistón. Para ver ejemplos, consulte la máquina de vapor Uniflow y los vagones de vapor Gardner-Serpollet , que también incluían el deslizamiento axial del árbol de levas para lograr una sincronización variable de válvulas.
Entre los primeros automóviles en utilizar motores con un solo árbol de levas en cabeza se encuentran el Maudslay, diseñado por Alexander Craig e introducido en 1902 [3] [4] [5] y el Marr Auto Car diseñado por Walter Lorenzo Marr , nativo de Michigan , en 1903. [6] [7]
En los motores de pistón , el árbol de levas se utiliza para operar las válvulas de admisión y escape . El árbol de levas consta de una varilla cilíndrica que se extiende a lo largo de la bancada de cilindros con varias levas (discos con lóbulos de leva sobresalientes ) a lo largo de su longitud, una para cada válvula. A medida que la leva gira, el lóbulo presiona la válvula (o un mecanismo intermedio), empujándola para abrirla. Normalmente, se utiliza un resorte de válvula para empujar la válvula en la dirección opuesta, cerrando así la válvula una vez que la leva gira más allá del punto más alto de su lóbulo. [8]
Los árboles de levas están hechos de metal y suelen ser macizos, aunque a veces se utilizan árboles de levas huecos. [9] Los materiales utilizados para un árbol de levas suelen ser:
Muchos de los primeros motores de combustión interna utilizaban un diseño de levas en bloque (como diseños de cabeza plana , IOE o cabeza en T ), mediante el cual el árbol de levas estaba ubicado dentro del bloque del motor cerca de la parte inferior del motor. Los primeros motores de cabeza plana ubican las válvulas en el bloque y la leva actúa directamente sobre esas válvulas. En un motor de válvulas en cabeza, que vino después, el seguidor de leva presiona una varilla de empuje que transfiere el movimiento a la parte superior del motor, donde un balancín abre la válvula de admisión/escape. [13] Aunque reemplazado en gran medida por diseños SOHC y DOHC en los motores de automóviles modernos, el diseño de válvulas en cabeza más antiguo todavía se usa en muchos motores industriales, debido a su menor tamaño y menor costo.
A medida que las velocidades del motor aumentaron a lo largo del siglo XX, los motores de un solo árbol de levas en cabeza (SOHC), donde el árbol de levas está ubicado dentro de la culata cerca de la parte superior del motor, se volvieron cada vez más comunes, seguidos por los motores de doble árbol de levas en cabeza (DOHC) en años más recientes. . Para los motores OHC y DOHC, el árbol de levas acciona la válvula directamente o mediante un balancín corto. [13]
La disposición del tren de válvulas se define según el número de árboles de levas por bancada de cilindros. Por lo tanto, un motor V6 con un total de cuatro árboles de levas (dos árboles de levas por banco de cilindros) suele denominarse motor de doble árbol de levas en cabeza (aunque coloquialmente a veces se les denomina motores de "cuatro levas"). [14]
El control preciso de la posición y velocidad del árbol de levas es de vital importancia para permitir que el motor funcione correctamente. El árbol de levas suele ser accionado directamente, mediante una "correa de distribución" dentada de goma o mediante una "cadena de distribución" de rodillos de acero. Ocasionalmente también se han utilizado engranajes para accionar el árbol de levas. [15] En algunos diseños, el árbol de levas también acciona el distribuidor , la bomba de aceite , la bomba de combustible y ocasionalmente la bomba de dirección asistida.
Los sistemas de transmisión alternativos utilizados en el pasado incluyen un eje vertical con engranajes cónicos en cada extremo (por ejemplo, los autos Peugeot y Mercedes Grand Prix de antes de la Primera Guerra Mundial y la motocicleta Kawasaki W800 ) o una triple excéntrica con bielas (por ejemplo, el auto Leyland Eight ). .
En un motor de dos tiempos que utiliza un árbol de levas, cada válvula se abre una vez por cada rotación del cigüeñal; En estos motores, el árbol de levas gira a la misma velocidad que el cigüeñal. En un motor de cuatro tiempos , las válvulas se abren sólo la mitad de veces, por lo tanto, el árbol de levas está engranado para girar a la mitad de la velocidad del cigüeñal.
La duración del árbol de levas determina cuánto tiempo está abierta la válvula de admisión/escape, por lo tanto, es un factor clave en la cantidad de potencia que produce un motor. Una duración más larga puede aumentar la potencia a altas velocidades del motor (RPM), sin embargo, esto puede tener como contrapartida la producción de menos torque a bajas RPM. [16] [17] [18]
La medición de la duración de un árbol de levas se ve afectada por la cantidad de elevación que se elige como punto de inicio y finalización de la medición. A menudo se utiliza un valor de elevación de 0,050 pulgadas (1,3 mm) como procedimiento de medición estándar, ya que se considera el más representativo del rango de elevación que define el rango de RPM en el que el motor produce la potencia máxima. [16] [18] Las características de potencia y ralentí de un árbol de levas con la misma duración nominal que se ha determinado utilizando diferentes puntos de elevación (por ejemplo, 0,006 o 0,002 pulgadas) podrían ser muy diferentes a las de un árbol de levas con una duración nominal que utiliza puntos de elevación de 0,05 pulgadas.
Un efecto secundario del aumento de la duración puede ser una mayor superposición , que determina el tiempo que las válvulas de admisión y de escape están abiertas. Es la superposición lo que más afecta la calidad del ralentí, en la medida en que el "soplado" de la carga de admisión regresa inmediatamente a través de la válvula de escape que ocurre durante la superposición reduce la eficiencia del motor y es mayor durante el funcionamiento a bajas RPM. [16] [18] En general, aumentar la duración de un árbol de levas generalmente aumenta la superposición, a menos que se aumente el ángulo de separación del lóbulo para compensar.
Un profano puede detectar fácilmente un árbol de levas de larga duración observando la amplia superficie del lóbulo donde la leva empuja la válvula para abrirla durante una gran cantidad de grados de rotación del cigüeñal. Esto será visiblemente mayor que la protuberancia más puntiaguda del lóbulo del árbol de levas que se observa en los árboles de levas de menor duración.
La elevación del árbol de levas determina la distancia entre la válvula y el asiento de la válvula (es decir, qué tan abierta está la válvula). [19] Cuanto más se eleva la válvula desde su asiento, más flujo de aire se puede proporcionar, aumentando así la potencia producida. Una mayor elevación de la válvula puede tener el mismo efecto de aumentar la potencia máxima que una mayor duración, sin las desventajas causadas por una mayor superposición de válvulas. La mayoría de los motores de válvulas en cabeza tienen una relación de balancín mayor que uno, por lo tanto, la distancia que se abre la válvula (la elevación de la válvula ) es mayor que la distancia desde la cima del lóbulo del árbol de levas hasta el círculo de la base (la elevación del árbol de levas ). [20]
Hay varios factores que limitan la máxima elevación posible para un motor determinado. En primer lugar, aumentar la elevación acerca las válvulas al pistón, por lo que una elevación excesiva podría provocar que el pistón golpee y dañe las válvulas. [18] En segundo lugar, una mayor elevación significa que se requiere un perfil del árbol de levas más pronunciado, lo que aumenta las fuerzas necesarias para abrir la válvula. [19] Un problema relacionado es la flotación de la válvula a altas RPM, donde la tensión del resorte no proporciona suficiente fuerza para mantener la válvula siguiendo la leva en su vértice o evitar que la válvula rebote cuando regresa al asiento de la válvula. [21] Esto podría ser el resultado de un ascenso muy pronunciado del lóbulo, [18] donde el seguidor de leva se separa del lóbulo de la leva (debido a que la inercia del tren de válvulas es mayor que la fuerza de cierre del resorte de la válvula), dejando la válvula abierto durante más tiempo del previsto. El flotador de la válvula provoca una pérdida de potencia a altas RPM y, en situaciones extremas, puede provocar que la válvula se doble si es golpeada por el pistón. [20] [21]
La sincronización (ángulo de fase) del árbol de levas en relación con el cigüeñal se puede ajustar para cambiar la banda de potencia de un motor a un rango de RPM diferente. Avanzar el árbol de levas (colocarlo delante de la sincronización del cigüeñal) aumenta el par a bajas RPM, mientras que retardar el árbol de levas (colocarlo detrás del cigüeñal) aumenta la potencia a altas RPM. [22] Los cambios requeridos son relativamente pequeños, a menudo del orden de 5 grados. [ cita necesaria ]
Los motores modernos que tienen sincronización variable de válvulas a menudo pueden ajustar la sincronización del árbol de levas para adaptarse a las RPM del motor en un momento dado. Esto evita el compromiso anterior requerido al elegir una sincronización de leva fija para usar tanto a RPM altas como bajas.
El ángulo de separación de lóbulos (LSA, también llamado ángulo de línea central de lóbulos ) es el ángulo entre la línea central de los lóbulos de admisión y la línea central de los lóbulos de escape. [23] Un LSA más alto reduce la superposición, lo que mejora la calidad del ralentí y el vacío de admisión; [22] sin embargo, el uso de un LSA más amplio para compensar la duración excesiva puede reducir la potencia y el par de salida. [20] En general, el LSA óptimo para un motor determinado está relacionado con la relación entre el volumen del cilindro y el área de la válvula de admisión. [20]
Los árboles de levas son componentes integrales de los motores de combustión interna, responsables de controlar la apertura y el cierre de las válvulas de admisión y escape del motor. A medida que el árbol de levas gira, sus lóbulos empujan contra las válvulas, permitiendo la entrada de aire y combustible y la expulsión de los gases de escape. Este proceso sincronizado es crucial para optimizar el rendimiento del motor, la eficiencia del combustible y el control de emisiones. Sin árboles de levas diseñados con precisión, el funcionamiento suave y eficiente de un motor se vería comprometido. [24]
Los métodos más comunes de accionamiento de válvulas involucran árboles de levas y resortes de válvulas; sin embargo, ocasionalmente se han utilizado sistemas alternativos en motores de combustión interna:
Antes de la llegada de la electrónica de estado sólido , los controladores de árbol de levas se utilizaban para controlar la velocidad de los motores eléctricos . Se utilizaba un árbol de levas, accionado por un motor eléctrico o un motor neumático , para accionar los contactores en secuencia. De esta manera, se conmutaban resistencias o cambiadores de tomas dentro o fuera del circuito para variar la velocidad del motor principal. Este sistema se utilizó principalmente en motores de trenes eléctricos (es decir, EMU y locomotoras ). [27]
