Una biela , también llamada 'biela', [1] [2] [3] es la parte de un motor de pistón que conecta el pistón al cigüeñal . Junto con la manivela , la biela convierte el movimiento alternativo del pistón en rotación del cigüeñal. [4] La biela es necesaria para transmitir las fuerzas de compresión y tracción del pistón. En su forma más común, en un motor de combustión interna , permite pivotar sobre el extremo del pistón y girar sobre el extremo del eje.
El predecesor de la biela es un varillaje mecánico utilizado por los molinos de agua para convertir el movimiento giratorio de la rueda hidráulica en movimiento alternativo. [5]
El uso más común de bielas es en motores de combustión interna o en máquinas de vapor .
Se ha encontrado una manivela de biela en el Oppida celta de Paule , en Bretaña, que data del 69 a.C. [6]
El predecesor del tramo de conexión es el varillaje mecánico utilizado en los molinos de agua de la época romana . Un ejemplo temprano de este vínculo se ha encontrado en el aserradero de Hierápolis de finales del siglo III en el Asia romana (Turquía moderna) y en los aserraderos del siglo VI en Éfeso en Asia Menor (Turquía moderna) y en Gerasa en la Siria romana. El mecanismo de manivela y biela de estas máquinas convertía el movimiento giratorio de la rueda hidráulica en el movimiento lineal de las hojas de sierra. [7]
Una documentación temprana del diseño ocurrió en algún momento entre 1174 y 1206 d.C. en el estado Artuqid (Turquía moderna), cuando el inventor Al-Jazari describió una máquina que incorporaba la biela con un cigüeñal para bombear agua como parte de una máquina elevadora de agua. [8] [9] aunque el dispositivo era más complejo que los diseños típicos de manivela y biela. [10] : 170 También hay documentación de manivelas con bielas en los cuadernos de bocetos de Taccola de la Italia del Renacimiento y del pintor Pisanello del siglo XV . [10] : 113
El motor atmosférico Newcomen de 1712 (el primer motor de vapor) utilizaba transmisión por cadena en lugar de biela, ya que el pistón solo producía fuerza en una dirección. [11] Sin embargo, la mayoría de las máquinas de vapor posteriores a esta son de doble efecto , por lo que la fuerza se produce en ambas direcciones, lo que lleva al uso de una biela. La disposición típica utiliza un gran bloque de cojinete deslizante llamado cruceta con la bisagra entre el pistón y la biela colocada fuera del cilindro, lo que requiere un sello alrededor del vástago del pistón . [12]
En una locomotora de vapor , las manivelas suelen estar montadas directamente sobre las ruedas motrices . La biela se utiliza entre el pasador del cigüeñal de la rueda y la cruceta (donde se conecta al vástago del pistón ). [13] Las bielas equivalentes en las locomotoras diésel se denominan "barras laterales" o "bielas de acoplamiento". En las locomotoras de vapor más pequeñas, las bielas suelen ser de sección transversal rectangular, [14] sin embargo, ocasionalmente se han utilizado varillas de tipo marino de sección transversal circular.
En los barcos de vapor de paletas , las bielas se denominan 'pitmans' (no confundir con brazos pitman ).
Una biela para un motor de combustión interna consta de un "extremo grande", una "biela" y un "extremo pequeño". El extremo pequeño se fija al pasador (también llamado "pasador de pistón" o "pasador de muñeca" en los EE. UU.), lo que permite la rotación entre la biela y el pistón. Normalmente, la biela se conecta a la muñequilla mediante un cojinete liso para reducir la fricción; sin embargo, algunos motores más pequeños pueden utilizar un rodamiento de elementos rodantes para evitar la necesidad de un sistema de lubricación por bombeo. Las bielas con cojinetes de elementos rodantes suelen tener un diseño de una sola pieza en el que el cigüeñal debe presionarse a través de ellas, en lugar de un diseño de dos piezas que se puede atornillar alrededor del muñón de un cigüeñal de una sola pieza. [ cita necesaria ]
Por lo general, hay un orificio perforado a través del cojinete en el extremo grande de la biela para que el aceite lubricante salga a chorros sobre el lado de empuje de la pared del cilindro para lubricar el recorrido de los pistones y los anillos del pistón .
Una biela puede girar en ambos extremos, de modo que el ángulo entre la biela y el pistón puede cambiar a medida que la biela se mueve hacia arriba y hacia abajo y gira alrededor del cigüeñal .
Los materiales utilizados para las bielas varían ampliamente, incluido el acero al carbono, el metal sinterizado a base de hierro, el acero microaleado y el hierro fundido con grafito esferoidizado. [15] En los motores de automóviles producidos en masa, las bielas suelen estar hechas de acero . En aplicaciones de alto rendimiento, se pueden utilizar bielas de "palanquillo", que se mecanizan a partir de una pieza sólida de metal, en lugar de ser fundidas o forjadas.
Otros materiales incluyen la aleación de aluminio T6-2024 o la aleación de aluminio T651-7075 , que se utilizan por su ligereza y su capacidad de absorber altos impactos a expensas de la durabilidad. El titanio es una opción más cara que reduce el peso. El hierro fundido se puede utilizar para aplicaciones más económicas y de menor rendimiento, como scooters.
Durante cada rotación del cigüeñal, una biela a menudo está sujeta a fuerzas grandes y repetitivas: fuerzas de corte debidas al ángulo entre el pistón y la muñequilla, fuerzas de compresión cuando el pistón se mueve hacia abajo y fuerzas de tracción cuando el pistón se mueve hacia arriba. [16] Estas fuerzas son proporcionales a la velocidad del motor (RPM) al cuadrado.
La falla de una biela, a menudo llamada "arrojar una biela", a menudo fuerza a la biela rota a atravesar el costado del cárter y, por lo tanto, hace que el motor sea irreparable. [17] Las causas comunes de falla de la biela son fallas por tracción debido a altas velocidades del motor, la fuerza de impacto cuando el pistón golpea una válvula (debido a un problema del tren de válvulas), falla del cojinete de biela (generalmente debido a un problema de lubricación) o instalación incorrecta de la biela. [18] [19] [20] [21]
La fuerza lateral ejercida sobre el pistón a través de la biela por el cigüeñal puede hacer que los cilindros se desgasten y adopten una forma ovalada. Esto reduce significativamente el rendimiento del motor, ya que los anillos circulares del pistón no pueden sellar adecuadamente contra las paredes ovaladas del cilindro.
La cantidad de fuerza lateral es proporcional al ángulo de la biela, por lo tanto, bielas más largas reducirán la cantidad de fuerza lateral y el desgaste del motor. Sin embargo, la longitud máxima de una biela está limitada por el tamaño del bloque del motor; la longitud de la carrera más la longitud de la biela no debe hacer que el pistón pase la parte superior del bloque del motor.
Los motores radiales suelen utilizar bielas maestra y esclava, en las que un pistón (el pistón superior en la animación) tiene una biela maestra con conexión directa al cigüeñal. Los pistones restantes fijan los accesorios de sus bielas a anillos alrededor del borde de la biela maestra.
Los motores de bancos múltiples con muchos cilindros, como los motores V12 , tienen poco espacio disponible para muchos muñones de biela en una longitud limitada de cigüeñal. La solución más simple, como se usa en la mayoría de los motores de automóviles de carretera, es que cada par de cilindros comparta un muñón del cigüeñal , pero esto reduce el tamaño de los cojinetes de biela y significa que los cilindros coincidentes (es decir, opuestos) en los diferentes bancos están ligeramente desplazados a lo largo. el eje del cigüeñal (que crea un par oscilante ). Otra solución es utilizar bielas maestra y esclava, donde la biela maestra también incluye uno o más pasadores anulares que están conectados a los extremos grandes de las bielas esclavas de otros cilindros. Una desventaja de las varillas maestro-esclavo es que las longitudes de carrera de todos los pistones esclavos que no están ubicados a 180° del pistón maestro siempre serán ligeramente más largas que las del pistón maestro, lo que aumenta la vibración en los motores V.
Uno de los ejemplos más complicados de bielas maestro-esclavo es el motor de avión experimental Junkers Jumo 222 de 24 cilindros desarrollado para la Segunda Guerra Mundial. Este motor constaba de seis bancos de cilindros, cada uno con cuatro cilindros por banco. Cada "capa" de seis cilindros usaba una biela maestra, y los otros cinco cilindros usaban bielas esclavas. [22] Se construyeron aproximadamente 300 motores de prueba, sin embargo, el motor no llegó a producción.
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Las varillas de horquilla y pala, también conocidas como "varillas de biela divididas", se han utilizado en motores de motocicletas V-twin y motores de aviones V12 . [23] Para cada par de cilindros, una varilla de "horquilla" se divide en dos en el extremo grande y la varilla de "hoja" del cilindro opuesto se adelgaza para encajar en este espacio en la horquilla. Esta disposición elimina el par de balanceo que se produce cuando los pares de cilindros están desplazados a lo largo del cigüeñal.
Una disposición común para el cojinete de biela es que la varilla de la horquilla tenga un único manguito de cojinete ancho que abarque todo el ancho de la varilla, incluido el espacio central. La varilla de la cuchilla discurre entonces no directamente sobre la muñequilla, sino por el exterior de este casquillo. Esto hace que las dos varillas oscilen hacia adelante y hacia atrás (en lugar de girar entre sí), lo que reduce las fuerzas sobre el rodamiento y la velocidad de la superficie. Sin embargo, el movimiento del rodamiento también se vuelve alternativo en lugar de girar continuamente, lo que supone un problema más difícil para la lubricación.
Los motores notables que utilizan varillas de horquilla y cuchilla incluyen el motor de avión Rolls-Royce Merlin V12, los motores diésel de dos tiempos EMD y varios motores de motocicletas Harley Davidson V-twin.
A causa de los hallazgos de Éfeso y Gerasa, la invención del sistema de manivela y biela tuvo que fecharse del siglo XIII al VI;
ahora el relieve de Hierápolis lo remonta otros tres siglos atrás, lo que confirma que los aserraderos de piedra accionados por agua ya estaban en uso cuando cambiaron el mundo de las máquinas.
Ausonio
escribió su Mosela.
{{cite book}}: |periodical=ignorado ( ayuda )Sin embargo, que al-Jazari no comprendió del todo el significado de la manivela para unir movimiento alternativo con movimiento giratorio lo demuestra su extraordinariamente compleja bomba accionada a través de una rueda dentada montada excéntricamente sobre su eje.